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鍍鋅鈍化45A鋼外套螺母及平管嘴腐蝕失效分析

嘉峪檢測網        2019-07-22 11:04

 

 

背景

某排氣管在飛機上裝配使用一段時間后兩端的外套螺母及平管嘴表面出現灰白色物質和鍍鋅層腐蝕現象。根據現場觀察,腐蝕現象較為普遍,表面鍍鋅層色澤發暗,且腐蝕集中在排氣管的外套螺母和平管嘴上,排油管上未發現腐蝕。檢查其他型號飛機,排氣管的外套螺母和平管嘴上同樣出現不同程度的腐蝕現象。依據工藝,排氣管需在機上進行氣密試驗:在導管縫隙處涂抹中性肥皂水(鉀皂,經測試pH值為9~10),充氣直至壓力達到規定值,氣動系統在一個小時內最大允許漏氣量不超過規定值。而排油管不進行該氣密試驗。

 

理化檢驗

 

宏觀檢驗

抽取一根腐蝕相對較嚴重的排氣管,其宏觀形貌如圖1所示。其中導管材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼,管子擴口兩端安裝鍍鋅外套螺母和平管嘴,其材料均為45A鋼。

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圖1 腐蝕排氣管宏觀形貌

 

肉眼觀察可見,管子兩端的外套螺母及平管嘴均存在腐蝕現象,腐蝕產物呈灰白色,零件表面的鍍鋅層也較為暗淡無光澤。外套螺母上的腐蝕產物覆蓋面積較全,但相對嚴重的腐蝕主要集中在倒角區,如圖2所示。

 

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圖2 外套螺母腐蝕宏觀形貌

 

平管嘴上的腐蝕主要集中在與外套螺母周向接觸的部位,如圖3所示。

 

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圖3 平管嘴腐蝕宏觀形貌

 

微觀檢驗

將外套螺母及平管嘴用酒精超聲波和丙酮浸泡清洗后,腐蝕現象依然存在,放入掃描電鏡(SEM)觀察腐蝕區域,可見明顯的腐蝕泥紋花樣,如圖4和圖5所示。

 

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圖4 外套螺母腐蝕微觀形貌

 

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圖5 平管嘴腐蝕微觀形貌

 

能譜分析

對外套螺母和平管嘴表面的腐蝕產物進行能譜分析,結果顯示除正常的鍍鋅元素鋅、鉻、硫(鍍鋅鈍化槽液中含有重鉻酸鈉和硫酸鈉)外,還含有氯、鉀等元素,且氧化嚴重,如圖6和圖7所示。

 

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圖6 外套螺母能譜分析結果

 

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圖7 平管嘴能譜分析結果

 

金相檢驗

在外套螺母和平管嘴腐蝕相對嚴重區域取橫截面試樣進行金相分析。拋光狀態下觀察可見,鍍鋅層局部存在腐蝕坑,但并未穿透鍍鋅層至基體,如圖8和圖9所示。

 

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圖8 外套螺母鍍鋅層形貌

 

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圖9 平管嘴鍍鋅層形貌

 

將外套螺母的金相試樣放入掃描電鏡中觀察鍍鋅層截面形貌,可見鍍鋅層上有大小不一的腐蝕坑,且未延伸至基體,與金相檢驗結果相吻合。對鍍鋅層腐蝕處進行能譜分析,結果顯示除正常元素外還含有氯元素,未發現鉀元素,說明鉀元素只存在零件表面,并未滲透至鍍層內,如圖10所示。

 

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圖10 鍍鋅層截面形貌及腐蝕處能譜分析結果

 

模擬驗證試驗

為分析鍍鋅層腐蝕原因,開展裝配狀態下外套螺母刷肥皂液后的情況模擬驗證試驗。選取6件外套螺母進行試驗,采用導管連接兩兩匹配安裝擰緊,其中:一件刷涂肥皂液,放置于室溫房間中(1號試驗件);一件刷涂肥皂液,放入濕熱箱中(2號試驗件);一件刷涂肥皂液,放置10 min后進行清洗(3號試驗件)。

 

-1號試驗件試驗情況-

涂抹肥皂液、放置7d(天)后觀察可見,1號試驗件外套螺母表面鍍鋅層顏色變暗,如圖11所示。

 

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圖11 1號試驗件宏觀形貌

 

將外套螺母從導管上擰下后放入掃描電鏡內微觀下觀察未見腐蝕特征,如圖12所示。

 

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圖12 1號試驗件微觀形貌

 

能譜分析結果顯示,未見腐蝕性元素,如圖13所示。

 

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圖13 1號試驗件能譜分析結果

 

-2號試驗件試驗情況-

涂抹肥皂液、放置7d后觀察可見,2號試驗件外套螺母表面未發現有腐蝕特征。

 

在保留安裝狀態的情況下,用39.6g肥皂+60mL水配置的溶液(提高肥皂濃度)重新涂抹在外套螺母表面,繼續放入濕熱箱中,放置20d后,將試驗件從濕熱箱中取出,不進行清洗。外套螺母宏觀形貌如圖14所示。

 

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圖14 2號試驗件宏觀形貌

 

可見表面鍍鋅層顏色變暗,且存在灰白色物質,與失效外套螺母宏觀形貌類似。

 

放入掃描電鏡內觀察,外套螺母微觀形貌如圖15所示,可見表面存在腐蝕產物。

 

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圖15 2號試驗件微觀形貌

 

對外套螺母表面腐蝕產物進行能譜分析,可見含有較高含量的鉀、氧元素,但未出現氯元素,可能是由于外套螺母表面成分被肥皂液凝固后覆蓋所致,如圖16所示。

 

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圖16 2號試驗件能譜分析結果

 

因此,選取其中一個外套螺母,用酒精進行超聲波清洗,去除表面肥皂液覆蓋層。外套螺母清洗前后的宏觀形貌對比如圖17所示,可見清洗后外套螺母表面色澤變亮,局部可見類似腐蝕的特征。

 

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圖17 2號試驗件清洗后(左)與未清洗(右)形貌對比

 

能譜分析結果顯示,局部含有少量的氯元素,如圖18所示,說明外套螺母鍍鋅層表面已出現了局部的腐蝕傾向。

 

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圖18 2號試驗件清洗后能譜分析結果

 

-3號試驗件試驗情況-

在外套螺母上刷涂肥皂液,放置10min后清洗,再放置15d后觀察可見,外套螺母表面狀態正常,未見腐蝕形貌。能譜分析結果也正常,見圖19。

 

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圖19 3號試驗件能譜分析結果

 

庫存及同批次未安裝螺母情況檢查

檢查外套螺母及平管嘴的庫存狀態,零件采用油封包裝,表面未出現腐蝕形貌。檢查同批次未安裝的外套螺母,亦未見腐蝕形貌,其宏觀形貌見圖20,微觀形貌見圖21,可見為正常的鍍鋅層外觀,鋅層致密,能譜分析結果顯示鍍鋅層成分亦正常,見圖22。

 

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圖20 同批次未安裝外套螺母宏觀形貌

 

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圖21 同批次未安裝外套螺母微觀形貌

 

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圖22 同批次未安裝外套螺母能譜分析結果

 

綜合分析

 

該鍍鋅鈍化45A鋼外套螺母及平管嘴腐蝕部位宏觀呈灰白色,微觀可見明顯的腐蝕泥紋花樣,能譜分析結果顯示腐蝕產物中含有氯、鉀等元素,且氧化嚴重,金相檢驗結果表明基體表面完整,說明零件僅在鍍鋅層產生了腐蝕。

 

根據零件的腐蝕形貌和使用情況,考慮本身鍍鋅層質量,產生的腐蝕可能有:大氣腐蝕、電偶腐蝕(接觸腐蝕)、電解質腐蝕。

 

調查發現,發生腐蝕的外套螺母和平管嘴均已安裝于機上,且已連接于排氣管上(與排油管安裝和使用環境一致),而庫存件及連接于排油管上的外套螺母和平管嘴均未發生腐蝕現象;另外通過掃描電鏡觀察完好件可見,鍍鋅層致密,說明腐蝕與大自然環境及鍍鋅層質量無關。

 

金屬零件發生電化學腐蝕的基本條件是:兩種金屬或合金中的兩個不同區域甚至兩相之間的電極電位不同。防止電偶腐蝕的最根本方法是在設計時盡可能地使相接觸的金屬或合金的電位差最小。對于不允許接觸的零件必須裝配在一起時,通常采用濕裝配或表面處理(如鋼緊固件鍍鋅、鍍鎘后可與陽極化的鋁合金零件接觸)。該腐蝕失效零件為鍍鋅件,為成熟工藝且裝機使用多年,故可排除因環境存在電位差產生腐蝕的可能性。

 

腐蝕現象集中出現在排氣管接頭的外套螺母和平管嘴上,排氣管在氣密試驗時需涂抹堿性的肥皂(鉀皂)液,而排油管未進行氣密試驗,也未發現有腐蝕現象。同時腐蝕嚴重的部位集中在外套螺母倒角和與平管嘴接觸的縫隙處,氣密試驗時涂抹的肥皂液容易在這些部位殘留。因此,外套螺母和平管嘴出現表面腐蝕的最可能原因是涂抹肥皂液后未清洗所致。

 

能譜分析結果顯示,外套螺母腐蝕產物主要含氧、鉀、硫、氯等元素,其中鉀元素應是肥皂的成分,硫元素應與外套螺母鈍化槽液中含有硫酸鈉有關(未安裝的螺母正常鍍鋅層表面亦含有少量硫元素),而外套螺母的腐蝕與氯離子有關,氯離子能夠與鍍鋅層發生反應生成氯化鋅,氯化鋅易溶于水中促進外套螺母局部產生腐蝕。從外套螺母鍍鋅層橫截面檢驗結果上看,以及零件未出現紅色銹斑,說明腐蝕僅發生在鍍鋅層上,尚未延伸至零件基體。

 

肥皂含有脂肪酸鉀,即RCOOK,已有文獻說明RCOO-可以在堿性的環境下氧化生成鍍鋅鈍化45A鋼外套螺母及平管嘴腐蝕失效分析,而酸根離子對鍍鋅層有腐蝕傾向,且濃度越大,越容易促進腐蝕;同時鋅與潮濕空氣中的O2發生反應生成ZnO和Zn(OH)2,當生成腐蝕產物后,進一步吸附空氣或者溶液中的Cl-,加速腐蝕鍍鋅層,生成復雜的腐蝕產物。上述化學反應方程式如下

鍍鋅鈍化45A鋼外套螺母及平管嘴腐蝕失效分析

模擬驗證試驗發現,外套螺母在裝配狀態下涂抹肥皂液經7d后,無論大氣環境或濕熱箱環境,均未發現腐蝕現象。提高肥皂液濃度重新涂抹,經20d濕熱箱環境,外套螺母表面呈現出與機上外套螺母腐蝕現象類似的外觀。將外套螺母清洗后進行能譜分析,結果顯示在局部出現了少量氯、鉀元素,說明外套螺母表面已產生了局部的腐蝕。因此,模擬驗證試驗表明,外套螺母的腐蝕與肥皂液殘留的時間和濃度有一定關系,時間越久,濃度越大,環境濕度越大,溫度越高,越容易出現腐蝕。

 

結論及建議

 

(1)該鍍鋅鈍化45A鋼外套螺母和平管嘴表面鍍鋅層腐蝕與氣密試驗涂抹肥皂液后殘留有關。

(2)外套螺母和平管嘴表面鍍鋅層腐蝕程度與肥皂液殘留的時間和濃度呈正相關,且高熱、高濕的環境對腐蝕有促進作用。

(3)建議在進行氣密試驗操作時,不要將肥皂液接觸其他表面,在確定泄漏部位后,用蘸水的清潔揩布將肥皂液擦掉;并應在保證能夠確定泄漏部位的前提下盡量降低肥皂液的濃度。

作者:何軍,高級工程師,中航工業成都飛機工業(集團)有限責任公司

 

 

 

 

 

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來源:理化檢驗

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