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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2019-07-22 11:04
某排氣管在飛機(jī)上裝配使用一段時(shí)間后兩端的外套螺母及平管嘴表面出現(xiàn)灰白色物質(zhì)和鍍鋅層腐蝕現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，腐蝕現(xiàn)象較為普遍，表面鍍鋅層色澤發(fā)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(fā)現(xiàn)腐蝕。檢查其他型號(hào)飛機(jī)，排氣管的外套螺母和平管嘴上同樣出現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象。依據(jù)工藝，排氣管需在機(jī)上進(jìn)行氣密試驗(yàn)：在導(dǎo)管縫隙處涂抹中性肥皂水(鉀皂，經(jīng)測(cè)試pH值為9~10)，充氣直至壓力達(dá)到規(guī)定值，氣動(dòng)系統(tǒng)在一個(gè)小時(shí)內(nèi)最大允許漏氣量不超過(guò)規(guī)定值。而排油管不進(jìn)行該氣密試驗(yàn)。
宏觀檢驗(yàn)
抽取一根腐蝕相對(duì)較嚴(yán)重的排氣管，其宏觀形貌如圖1所示。其中導(dǎo)管材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，管子擴(kuò)口兩端安裝鍍鋅外套螺母和平管嘴，其材料均為45A鋼。
圖1 腐蝕排氣管宏觀形貌
肉眼觀察可見(jiàn)，管子兩端的外套螺母及平管嘴均存在腐蝕現(xiàn)象，腐蝕產(chǎn)物呈灰白色，零件表面的鍍鋅層也較為暗淡無(wú)光澤。外套螺母上的腐蝕產(chǎn)物覆蓋面積較全，但相對(duì)嚴(yán)重的腐蝕主要集中在倒角區(qū)，如圖2所示。
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。
圖3 平管嘴腐蝕宏觀形貌
微觀檢驗(yàn)
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(xiàn)象依然存在，放入掃描電鏡(SEM)觀察腐蝕區(qū)域，可見(jiàn)明顯的腐蝕泥紋花樣，如圖4和圖5所示。
圖4 外套螺母腐蝕微觀形貌
圖5 平管嘴腐蝕微觀形貌
能譜分析
對(duì)外套螺母和平管嘴表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)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(yán)重，如圖6和圖7所示。
圖6 外套螺母能譜分析結(jié)果
圖7 平管嘴能譜分析結(jié)果
金相檢驗(yàn)
在外套螺母和平管嘴腐蝕相對(duì)嚴(yán)重區(qū)域取橫截面試樣進(jìn)行金相分析。拋光狀態(tài)下觀察可見(jiàn)，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。
圖8 外套螺母鍍鋅層形貌
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(jiàn)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(yàn)結(jié)果相吻合。對(duì)鍍鋅層腐蝕處進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示除正常元素外還含有氯元素，未發(fā)現(xiàn)鉀元素，說(shuō)明鉀元素只存在零件表面，并未滲透至鍍層內(nèi)，如圖10所示。
圖10 鍍鋅層截面形貌及腐蝕處能譜分析結(jié)果
模擬驗(yàn)證試驗(yàn)
為分析鍍鋅層腐蝕原因，開(kāi)展裝配狀態(tài)下外套螺母刷肥皂液后的情況模擬驗(yàn)證試驗(yàn)。選取6件外套螺母進(jìn)行試驗(yàn)，采用導(dǎo)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(hào)試驗(yàn)件)；一件刷涂肥皂液，放入濕熱箱中(2號(hào)試驗(yàn)件)；一件刷涂肥皂液，放置10 min后進(jìn)行清洗(3號(hào)試驗(yàn)件)。
-1號(hào)試驗(yàn)件試驗(yàn)情況-
涂抹肥皂液、放置7d(天)后觀察可見(jiàn)，1號(hào)試驗(yàn)件外套螺母表面鍍鋅層顏色變暗，如圖11所示。
圖11 1號(hào)試驗(yàn)件宏觀形貌
將外套螺母從導(dǎo)管上擰下后放入掃描電鏡內(nèi)微觀下觀察未見(jiàn)腐蝕特征，如圖12所示。
圖12 1號(hào)試驗(yàn)件微觀形貌
能譜分析結(jié)果顯示，未見(jiàn)腐蝕性元素，如圖13所示。
圖13 1號(hào)試驗(yàn)件能譜分析結(jié)果
-2號(hào)試驗(yàn)件試驗(yàn)情況-
涂抹肥皂液、放置7d后觀察可見(jiàn)，2號(hào)試驗(yàn)件外套螺母表面未發(fā)現(xiàn)有腐蝕特征。
在保留安裝狀態(tài)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(xù)放入濕熱箱中，放置20d后，將試驗(yàn)件從濕熱箱中取出，不進(jìn)行清洗。外套螺母宏觀形貌如圖14所示。
圖14 2號(hào)試驗(yàn)件宏觀形貌
可見(jiàn)表面鍍鋅層顏色變暗，且存在灰白色物質(zhì)，與失效外套螺母宏觀形貌類似。
放入掃描電鏡內(nèi)觀察，外套螺母微觀形貌如圖15所示，可見(jiàn)表面存在腐蝕產(chǎn)物。
圖15 2號(hào)試驗(yàn)件微觀形貌
對(duì)外套螺母表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，可見(jiàn)含有較高含量的鉀、氧元素，但未出現(xiàn)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。
圖16 2號(hào)試驗(yàn)件能譜分析結(jié)果
因此，選取其中一個(gè)外套螺母，用酒精進(jìn)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(duì)比如圖17所示，可見(jiàn)清洗后外套螺母表面色澤變亮，局部可見(jiàn)類似腐蝕的特征。
圖17 2號(hào)試驗(yàn)件清洗后(左)與未清洗(右)形貌對(duì)比
能譜分析結(jié)果顯示，局部含有少量的氯元素，如圖18所示，說(shuō)明外套螺母鍍鋅層表面已出現(xiàn)了局部的腐蝕傾向。
圖18 2號(hào)試驗(yàn)件清洗后能譜分析結(jié)果
-3號(hào)試驗(yàn)件試驗(yàn)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(jiàn)，外套螺母表面狀態(tài)正常，未見(jiàn)腐蝕形貌。能譜分析結(jié)果也正常，見(jiàn)圖19。
圖19 3號(hào)試驗(yàn)件能譜分析結(jié)果
庫(kù)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(kù)存狀態(tài)，零件采用油封包裝，表面未出現(xiàn)腐蝕形貌。檢查同批次未安裝的外套螺母，亦未見(jiàn)腐蝕形貌，其宏觀形貌見(jiàn)圖20，微觀形貌見(jiàn)圖21，可見(jiàn)為正常的鍍鋅層外觀，鋅層致密，能譜分析結(jié)果顯示鍍鋅層成分亦正常，見(jiàn)圖22。
圖20 同批次未安裝外套螺母宏觀形貌
圖21 同批次未安裝外套螺母微觀形貌
圖22 同批次未安裝外套螺母能譜分析結(jié)果
根據(jù)零件的腐蝕形貌和使用情況，考慮本身鍍鋅層質(zhì)量，產(chǎn)生的腐蝕可能有：大氣腐蝕、電偶腐蝕(接觸腐蝕)、電解質(zhì)腐蝕。
調(diào)查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生腐蝕的外套螺母和平管嘴均已安裝于機(jī)上，且已連接于排氣管上(與排油管安裝和使用環(huán)境一致)，而庫(kù)存件及連接于排油管上的外套螺母和平管嘴均未發(fā)生腐蝕現(xiàn)象；另外通過(guò)掃描電鏡觀察完好件可見(jiàn)，鍍鋅層致密，說(shuō)明腐蝕與大自然環(huán)境及鍍鋅層質(zhì)量無(wú)關(guān)。
金屬零件發(fā)生電化學(xué)腐蝕的基本條件是：兩種金屬或合金中的兩個(gè)不同區(qū)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(shè)計(jì)時(shí)盡可能地使相接觸的金屬或合金的電位差最小。對(duì)于不允許接觸的零件必須裝配在一起時(shí)，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(yáng)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(jī)使用多年，故可排除因環(huán)境存在電位差產(chǎn)生腐蝕的可能性。
腐蝕現(xiàn)象集中出現(xiàn)在排氣管接頭的外套螺母和平管嘴上，排氣管在氣密試驗(yàn)時(shí)需涂抹堿性的肥皂(鉀皂)液，而排油管未進(jìn)行氣密試驗(yàn)，也未發(fā)現(xiàn)有腐蝕現(xiàn)象。同時(shí)腐蝕嚴(yán)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(yàn)時(shí)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(xiàn)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(jié)果顯示，外套螺母腐蝕產(chǎn)物主要含氧、鉀、硫、氯等元素，其中鉀元素應(yīng)是肥皂的成分，硫元素應(yīng)與外套螺母鈍化槽液中含有硫酸鈉有關(guān)(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(guān)，氯離子能夠與鍍鋅層發(fā)生反應(yīng)生成氯化鋅，氯化鋅易溶于水中促進(jìn)外套螺母局部產(chǎn)生腐蝕。從外套螺母鍍鋅層橫截面檢驗(yàn)結(jié)果上看，以及零件未出現(xiàn)紅色銹斑，說(shuō)明腐蝕僅發(fā)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(xiàn)說(shuō)明RCOO-可以在堿性的環(huán)境下氧化生成
模擬驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，外套螺母在裝配狀態(tài)下涂抹肥皂液經(jīng)7d后，無(wú)論大氣環(huán)境或濕熱箱環(huán)境，均未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。提高肥皂液濃度重新涂抹，經(jīng)20d濕熱箱環(huán)境，外套螺母表面呈現(xiàn)出與機(jī)上外套螺母腐蝕現(xiàn)象類似的外觀。將外套螺母清洗后進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示在局部出現(xiàn)了少量氯、鉀元素，說(shuō)明外套螺母表面已產(chǎn)生了局部的腐蝕。因此，模擬驗(yàn)證試驗(yàn)表明，外套螺母的腐蝕與肥皂液殘留的時(shí)間和濃度有一定關(guān)系，時(shí)間越久，濃度越大，環(huán)境濕度越大，溫度越高，越容易出現(xiàn)腐蝕。
結(jié)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(yàn)涂抹肥皂液后殘留有關(guān)。
(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(shí)間和濃度呈正相關(guān)，且高熱、高濕的環(huán)境對(duì)腐蝕有促進(jìn)作用。
(3)建議在進(jìn)行氣密試驗(yàn)操作時(shí)，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(yīng)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(jí)工程師，中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司
背景
理化檢驗(yàn)
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(jiàn)明顯的腐蝕泥紋花樣，能譜分析結(jié)果顯示腐蝕產(chǎn)物中含有氯、鉀等元素，且氧化嚴(yán)重，金相檢驗(yàn)結(jié)果表明基體表面完整，說(shuō)明零件僅在鍍鋅層產(chǎn)生了腐蝕。
，而酸根離子對(duì)鍍鋅層有腐蝕傾向，且濃度越大，越容易促進(jìn)腐蝕；同時(shí)鋅與潮濕空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)生成ZnO和Zn(OH)2，當(dāng)生成腐蝕產(chǎn)物后，進(jìn)一步吸附空氣或者溶液中的Cl-，加速腐蝕鍍鋅層，生成復(fù)雜的腐蝕產(chǎn)物。上述化學(xué)反應(yīng)方程式如下
來(lái)源：理化檢驗(yàn)
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