表 1 试验项目及试样数量（件）
Table 1. Test items and sample quantity (piece)
| 叶片状态 | 酸性盐雾 | 酸性大气 | 600 ℃涂盐热腐蚀 |
|---|---|---|---|
| GH2150A（原始态） | 2 | 2 | 3 |
| GH2150A+化学钝化（钝化态） | 2 | 1 | 3 |
分享：舰载航空发动机用GH2150A压气机叶片的耐蚀性
与内陆大气相比,海洋大气湿度大,含盐量高,因此材料在海洋大气环境中更易产生腐蚀[1-5]。海洋大气中的含盐粒子沉积在舰载航空发动机压气机叶片表面,会产生吸湿潮解作用,增大金属表面液膜的电导率,加之氯离子自身的强侵蚀性,叶片的电化学腐蚀加剧。此外,在一些工业发达的沿海地区,大气中还含有SO2、Cl2、CO2、CO和氮氧化物等污染物,这进一步加剧了叶片的电化学腐蚀。在现役海军飞机发动机维修检查时发现压气机叶片存在明显的腐蚀现象,叶片级数越高,表面红锈越明显。压气机叶片不断遭受海洋大气的腐蚀影响,其叶形、表面粗糙度以及叶顶间隙会发生变化,使得压气机各项参数偏离设计值,导致流量减小,效率下降,性能衰退[6-7]。因此有必要对叶片材料的耐蚀性及防腐蚀措施进行研究。化学钝化通过硝酸、重铬酸等氧化剂与金属表面反应生成一层薄而致密且覆盖性良好的保护膜层,阻碍或减缓了金属制件在服役过程中的腐蚀。詹中伟等[8]研究发现,对金属材料进行适当的化学钝化处理能够改善其耐蚀性。某型舰载航空发动机某级高压压气机叶片由GH2150A铁基变形高温合金棒材经精锻后机械加工而成,叶片需要承受前端的高压、高温压缩空气的冲刷。因此,除了保障其在非工作态常温条件下的耐蚀性,还需要考虑其在工作工作状态（高温积盐）的腐蚀行为。
为了验证GH2150A叶片在海洋大气环境中的耐蚀性,以及化学钝化对GH2150A叶片的防护作用,开展了192 h酸性盐雾试验、680 h酸性大气试验以及100 h高温（600 ℃）涂盐热腐蚀试验,以期为该型号叶片在海洋环境中的服役提供理论支撑。
1. 试验
采用GH2150A和GH2150A+化学钝化两种状态的高压压气机叶片进行试验,化学钝化按照HBZ 83-1984《不锈钢酸洗钝化处理工艺》进行[7]。试验项目和试样数量如表1所示。
酸性盐雾试验按GJB 150.11A-2009《军用装备实验室环境试验方法》进行,试验仪器为Q-FOG型盐雾试验箱。盐雾制备采用（5±1）%（质量分数,下同）NaCl溶液,用硫酸或氢氧化钠调节其pH为3.5±0.5,单次循环周期为48 h（24 h连续喷雾和24 h干燥）,循环次数为4次（共计192 h）。
酸性大气试验按GJB 150.28-2009《不锈钢酸洗钝化处理工艺》进行,采用盐酸或氢氧化钠调节溶液pH为3.5±0.5,试验温度为（35±2）℃,溶液沉降率（80 cm2试片）为（1~3）mL/h,单次循环周期为喷雾2 h、贮存7 d,共进行4个周期（680 h）[9]。
600 ℃涂盐热腐蚀试验按HB 20401-2016《军用装备实验室环境试验方法 第11部分：盐雾试验》进行,试验用盐为5%NaCl+95%Na2SO4,盐在试样表面的沉积量为（30±5）g/m2,采用DC-B8/11型智能箱式高温炉保温20 h后取出冷却,水洗去除表面盐,干燥后称量,然后重新涂盐进行下一周期试验,共计5个周期（100 h）。
2. 结果与讨论
2.1 原始态叶片的腐蚀试验结果
由图1和2可见：经过192 h酸性盐雾试验后,GH2150A叶片（原始态叶片）表面无明显变化；经过680 h酸性大气腐蚀试验后,原始态叶片表面也无明显变化。上述试验结果表明：GH2150A叶片经过酸性盐雾或酸性大气腐蚀后,表面未出现腐蚀,表现出良好的耐酸性盐雾和酸性大气腐蚀性能。
GH2150A叶片的工作温度约为600 ℃,当腐蚀性盐类沉积在此类热端部件上时,叶片表面将被一层离子态熔盐覆盖,会发生热腐蚀。因此,按照HB 20401-2016《涂盐热腐蚀试验方法》对GH2150A叶片进行600 ℃涂盐热腐蚀试验,探究叶片的腐蚀情况。由图3可见：试验前,叶片表面呈金属光泽,经过20 h,600 ℃涂盐热腐蚀试验后,叶片出现红色腐蚀斑点,随着试验时间的延长,腐蚀斑点增加,经过60 h试验后,整个叶片发生腐蚀。由图4可见：600 ℃涂盐热腐蚀试验的前60 h,叶片的平均质量呈增加趋势,之后（60~100 h）叶片的质量变化不明显。这是因为试验前期（0~60 h）,GH2150A叶片的腐蚀处于加速阶段,叶片表面形成大量腐蚀产物,60 h后腐蚀趋于平稳。
GH2150A叶片在涂盐后的保温过程中,叶片与表面的沉积盐及周围工作气体发生综合作用,产生热腐蚀。根据SIMONS等提出的硫化-氧化机理模型,碱金属盐Na2SO4诱导的热腐蚀过程由硫化物共晶加速氧化循环进行[9]。虽然600 ℃还未达到沉积盐膜的熔点,但可在局部区域形成低熔点的金属氧化物-金属硫酸盐共晶或低熔点复合硫酸盐,从而导致低温热腐蚀[10]。GH2150A叶片为Fe-Ni-Cr沉淀硬化型高温合金,在试验条件下可生成Cr2O3保护层,但其在暂态氧化阶段生成的Fe氧化物会转变为硫酸盐,并与表面涂覆的NaCl+Na2SO4盐层反应,形成低熔点的Na-Fe熔融复合硫酸盐,这种熔盐一旦形成,Fe和Cr都将参加反应,Cr2O3保护层遭到破坏,因此在试验20 h时可以观察到叶片表面局部出现红色腐蚀斑点,叶片进入加速腐蚀阶段。随着表层金属逐渐被腐蚀产物覆盖,开始进入稳态阶段,60 h后叶片质量变化不明显。
2.2 钝化态叶片的腐蚀试验结果
由图4和5可见：经过192 h酸性盐雾试验后,钝化态叶片表面基本无变化；经过680 h酸性大气试验后,钝化态叶片表面也无明显变化,即钝化态叶片经过酸性盐雾或酸性大气后,表现出良好的耐酸性盐雾和酸性大气腐蚀性能。
由图6可见：与GH2150A叶片相似,钝化态叶片经过20 h涂盐热腐蚀试验,出现红色腐蚀斑点,并随着试验时间的延长,腐蚀加重,经过60 h腐蚀后,整个叶片均被腐蚀。由表3可见：钝化态叶片在试验前期（0~60 h）的平均质量呈增加趋势,试验超过60 h后,质量变化减缓,表明试验的前60 h为钝化态叶片加速腐蚀阶段,此时叶片表面形成大量腐蚀产物,60 h之后腐蚀趋于平稳。
对两种状态叶片经涂盐热腐蚀试验后的试样进行碱洗,并测量碱洗后试样的平均质量损失,结果表明GH2150A叶片的质量损失为0.007 6 g,钝化态试样的质量损失较小,为0.005 1 g。化学钝化处理可以使金属表面形成一层钝化膜[11-12],在一定程度上阻碍了腐蚀。此外,对比表2和表3中经20 h涂盐热腐蚀后试样的质量变化可见,钝化态叶片比原始态叶片的腐蚀质量增加小,说明叶片经化学钝化后,腐蚀相对较轻,然而,化学钝化对试样600 ℃涂盐热腐蚀的防护作用有限,不能起到明显的防护效果。
表 2 GH2150A叶片涂盐热腐蚀试验过程中的质量变化
Table 2. Weight change of GH2150A blade during salt coated hot corrosion test
| 试验时间/h | 平均腐蚀质量增加/g |
|---|---|
| 20 | 0.001 0 |
| 40 | 0.001 1 |
| 60 | 0.001 9 |
| 80 | 0.001 8 |
| 100 | 0.001 8 |
表 3 钝化态试样经不同时间涂盐热腐蚀试验的平均质量变化
Table 3. The average mass change of passivated samples subjected to salt hot corrosion tests at different times
| 试验时间/h | 平均腐蚀质量增加/g |
|---|---|
| 20 | 0.000 6 |
| 40 | 0.001 2 |
| 60 | 0.001 6 |
| 100 | 0.001 8 |
3. 结论
GH2150A和GH2150A+化学钝化两种状态的高压压气机叶片经过192 h酸性盐雾和680 h酸性大气试验后,均未出现明显的腐蚀现象,具有良好的耐酸性盐雾和酸性大气腐蚀性能。而这两种叶片经过20 h涂盐热腐蚀试验后均出现红色腐蚀斑点,60 h后整个叶片均被腐蚀,其中,经过化学钝化的叶片经100 h试验后,碱洗质量损失较原始态叶片更小,即化学钝化可以在一定程度上阻碍腐蚀,但防护效果有限。要获得良好的涂盐腐蚀防护性能,需要进一步开展化学钝化工艺优化和耐腐蚀涂层的研究,以满足GH2150A压气机叶片在工作条件下的防护要求。
文章来源——材料与测试网
浙公网安备 33042402000106号
