航空发动机典型基材防护体系加速腐蚀试验研究

刘治国，查小晖，王莉，李心舒，李宇涛

（1.海军航空大学 青岛校区，青岛 266041； 2.中国航发湖南动力机械研究所，株洲 412002；3. 91001部队，北京 100000； 4. 92925部队，长治 046000）

引言

环境适应性是包括发动机在内的所有航空装备的一种极其重要的质量特性，它直接关系到发动机的使用效能、生存期和安全性。发动机基体金属材料受环境因素作用发生腐蚀损伤会直接导致其环境适应性下降。随着发动机使用年限的增加，基体结构材料受环境作用会逐渐发生腐蚀并逐年加重[1-3]，尤其是发动机服役在高温高湿环境下，大气环境腐蚀最终成为影响航空发动机环境适应性的突出问题。航空发动机日历寿命大都超过20年，首翻周期一般是5～10年，若以真实服役环境对发动机结构材料的服役环境适应性进行研究，从时间、费用、人力以及技术上都难以工程化实现。目前对航空发动机典型结构/材料的环境适应性研究主要通过两种方式开展：一种方式主要采用相关军用标准，如GJB 150等开展基础级的考核试验；二是通过模拟服役环境的加速腐蚀试验方法开展考核试验[4-10]，该试验方法通过服役环境谱编制、金属材料等腐蚀损伤当量折算关系进而编制加速腐蚀试验环境谱的技术体系来实现，即通过实验室加速腐蚀环境等量再现航空发动机在服役环境中的腐蚀损伤模式、类型与程度，该方法可在航空发动机研制阶段对其后续服役环境适应性进行试验考核与评估，并依据试验结果对装备的选材、结构设计、腐蚀防护涂层等进行筛选、改进与优化。

根据某型航空发动机环境适应性研究需要，本文依托文献[4-6]中方法，结合该型发动机服役环境数据与当量关系理论，编制了模拟其服役环境的实验室仿真加速腐蚀试验环境谱，依托该加速谱开展拟用的多种基材及不同防护体系试件加速腐蚀试验并检测各个试件各个腐蚀周期下典型腐蚀损伤区域的宏观、微观损伤程度，依据检测结果进行同一基材、不同防护体系试件的耐蚀性比对与筛选，为该型发动机服役环境适应性选材设计与工程应用提供试验验证支撑与分析基础。

1 仿真加速腐蚀试验环境谱

为真实探究、获取航空发动机基材及其防护体系于真实服役条件下环境适应性水平，本文依据文献[5,6]中环境谱设计方法，设计、编制得到模拟航空发动机典型服役环境的仿真加速腐蚀试验环境谱（如图1），依据该谱开展发动机基材试件（同一基材分为不同表面处理工艺与防护体系，具体见下文）的实验室加速腐蚀试验。环境谱的组成与文献[5,6]中相同，主要由湿热环境构成，为再现并加快试件的腐蚀速率，环境谱中溶液成分为浓度为重量百分比为5 %（wt.%）的NaCl溶液中加入稀H2SO4，使溶液的pH=4.0±0.2。腐蚀的方式主要为腐蚀溶液周期浸润与高温湿环境烘烤。仿真加速腐蚀试验环境谱的具体作用强度规律为：干湿交变255次，其中每次溶液浸泡4.6 min、烘烤12.3 min。在该加速谱的作用规律下，每加速腐蚀试验时间71.82 h（1个加速腐蚀周期），大约3天，相当于航空发动机基材服役环境下作用1年的腐蚀损伤量。

2 基材试件及其防护体系

根据该型航空发动机基材选用材料，试件基材分别为铝合金、合金钢、钛合金、镁合金四种类型，具体型号及其防护体系见表1所示，为保证试验结果具有统计意义，每种标号试件共5个，则总计80个试件。部分典型基材试件原始形貌见图2所示。

图1 仿真加速点蚀试验环境谱

表1 基材试件及其表面处理工艺与防护体系

3 仿真加速腐蚀试验

依据仿真加速点蚀试验环境谱，采用ZJF-45G周期浸润试验箱开展上述四类试件的实验室加速腐蚀试验。为防止多种不同基体材料试件在试验过程中相互接触而发生意外电化学腐蚀，试件垂直放置在PVC材料制作的绝缘搁架的卡槽内，试验设备及试件放置如图3所示。

图2 部分试件原始形貌

图3 设备及试验件摆放照片

加速腐蚀试验过程参照HB 5455-90标准进行过程控制，依据首翻期寿命指标，该仿真加速腐蚀试验进行了8个周期，相当于8个日历年限的加速腐蚀试验。每个周期后，逐一取出试件，按照先清洗、再晾干、其后检测的程序，采用科视达KH-7700三维显微镜进行基材试件典型腐蚀损伤区域宏观腐蚀形貌与微观腐蚀损伤尺寸检测，检测设备及试件腐蚀损伤检测图像如图4中所示。检测完成后，将试件再逐一放置于周期浸润试验箱内，开展后续周期试验。

4 试验结果分析

对每个腐蚀周期后基材试件的表面腐蚀损伤状态进行检测、记录，并对上述信息进行定性梳理统计，由此即可得到各种基材试件在不同表面处理工艺与防护措施下的腐蚀损伤演变规律，各类基材试件部分腐蚀周期下腐蚀损伤信息如表2所示。

图4 KH-7700三维腐蚀损伤检测显微镜及点蚀损伤检测图像

表2 部分基材试件腐蚀损伤演变信息

典型基材试件加速腐蚀后典型腐蚀损伤形貌如图5所示。依据试验结果，对四类基材各个试件的腐蚀损伤程度进行比对分析，筛选同类基材中耐蚀性优良的表面处理工艺与防护体系，见表3所示，从中可见，对镁合金、合金钢以及钛合金材料，所给的防护体系中，可以筛选出耐蚀性较为优良的防护体系，而对铝合金材料，三种防护体系与表面处理工艺，在本文的加速腐蚀环境下，均不理想。

图5 部分试件试验后形貌

表3 基材试件耐蚀性筛选情况分析

5 结论

根据某型航空发动机环境适应性研究需要，本文采用模拟服役环境的实验室仿真加速腐蚀试验方法，对拟用的四类基材及不同表面处理工艺与防护体系的共80个试件，开展了8个周期的加速腐蚀试验，依据各个试件各个腐蚀周期下腐蚀损伤检测结果与演变规律分析结果，对同一基材、不同表面处理工艺与防护体系试件的耐蚀性比对与筛选，分别筛选出镁合金、合金钢、钛合金三类基材中5种环境适应性优良的表面防护体系，而铝合金基材所给的防护体系耐蚀性均不理想。