由寶財(cái)，滕佰秋，邢丕臣，王志宏

（沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

1 引言

艦船用燃?xì)廨啓C(jī)主要由航空發(fā)動(dòng)機(jī)派生，因此，充分利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高端技術(shù)，具有良好的繼承性；大量借鑒航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷取得的研究成果，進(jìn)行系列化發(fā)展，大大縮短了艦船用燃?xì)廨啓C(jī)的研制周期，并減少了其研制費(fèi)用。此外，航改燃?xì)廨啓C(jī)還具有功率大、尺寸小、質(zhì)量輕、污染小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、采用箱裝體結(jié)構(gòu)可快速更換等優(yōu)點(diǎn)。因此，航改燃?xì)廨啓C(jī)已成為艦船的主要?jiǎng)恿ρb置。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件已相當(dāng)苛刻，尤其是熱端部件的使用狀態(tài)已接近材料的極限，而航改燃?xì)廨啓C(jī)又處在鹽霧濃度很高的海洋工作環(huán)境，且壽命周期比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的更長(zhǎng)，可靠性要求更高，其零部件的腐蝕形式成為影響航改燃?xì)廨啓C(jī)壽命和可靠性的關(guān)鍵因素。建立合理有效的防護(hù)體系，是航改燃?xì)廨啓C(jī)海洋環(huán)境適應(yīng)化改裝的有力手段和有效保障。

本文從選材和涂層系統(tǒng)2個(gè)層面介紹了腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)。

2 航改燃?xì)廨啓C(jī)在海洋環(huán)境下的腐蝕形式與機(jī)理分析

長(zhǎng)期在海上運(yùn)行的航改燃?xì)廨啓C(jī)受到的腐蝕主要存在2種形式：低溫?zé)岣g和高溫?zé)岣g。

低溫?zé)岣g主要是由鹽分引起的電化學(xué)腐蝕，與大氣直接接觸的零部件（如壓氣機(jī)葉片、燃燒室、渦輪葉片及附件機(jī)匣等），在停放期間會(huì)不同程度地附著1層含鹽堿的潮濕薄膜。由于金屬表面電化學(xué)性質(zhì)的不均勻性，這層潮濕薄膜就起著電解質(zhì)作用而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，即濕熱腐蝕。

高溫?zé)岣g也稱(chēng)為硫蝕。航改燃?xì)廨啓C(jī)由于在海洋環(huán)境中工作，其燃油中含有硫雜質(zhì)，在燃燒時(shí)生成SO2、SO3氣體，與來(lái)自海洋空氣的NaCl反應(yīng)生成硫酸鈉，即

由于硫酸鈉的熔點(diǎn)較低（約885℃），當(dāng)它與其它鹽類(lèi)或金屬氧化物反應(yīng)或混合時(shí)，其熔點(diǎn)還會(huì)進(jìn)一步降低，在航改燃?xì)廨啓C(jī)零件表面生成1層Na2SO4溶鹽膜。盡管Na2SO4是鹽膜的主要成分，但純Na2SO4腐蝕性并不很強(qiáng)，如其中混有少量NaCl，其腐蝕性會(huì)大大增強(qiáng)。在開(kāi)始的短時(shí)間內(nèi)，腐蝕速率較低，硫開(kāi)始擴(kuò)散，此后由于硫酸鈉中的硫穿透氧化膜擴(kuò)散到合金中形成硫化物，而氧化物溶解到鹽中并在氧化膜中產(chǎn)生很大的生長(zhǎng)應(yīng)力而破壞氧化膜，使之變得疏松多孔，同時(shí)也使鹽的成分變化，使其腐蝕性更強(qiáng)，加速了航改燃?xì)廨啓C(jī)零件腐蝕，增強(qiáng)了事故隱患。

航改燃?xì)廨啓C(jī)在海洋環(huán)境下的防護(hù)是1個(gè)系統(tǒng)工程，合理的選材和完備的涂層系統(tǒng)是其中最關(guān)鍵的2個(gè)環(huán)節(jié)。合理的選材是整個(gè)防護(hù)體系的第1個(gè)環(huán)節(jié)?；w材料尤其是相關(guān)零件的基體材料必須具有足夠的抗腐蝕性，燃?xì)廨啓C(jī)如果基體材料耐腐蝕性不好，一旦涂層出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)出現(xiàn)腐蝕而且發(fā)展得非?？?，直接影響航改燃?xì)廨啓C(jī)的壽命和可靠性。完備的涂層系統(tǒng)是航改燃?xì)廨啓C(jī)防護(hù)體系的第2個(gè)環(huán)節(jié)。國(guó)外航改燃?xì)廨啓C(jī)除設(shè)計(jì)方面選用一些抗腐蝕性較好的新材料外，在涂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，依據(jù)不同的使用環(huán)境選擇不同的涂層，效果顯著。電鍍層應(yīng)用很少，絕大部分零件采用涂層，并已形成商品化和系列化。涂層易于施工，成本低，對(duì)金屬零件性能損害小，而且具有耐溫、耐蝕、耐沖刷、耐發(fā)動(dòng)機(jī)介質(zhì)等綜合性能。因此,涂層系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、隔圈等部位的防護(hù)上，這是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)選材及防腐分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)大量地采用了耐腐蝕性能良好的不銹鋼、鈦合金、高溫合金等材料，具備一定的防腐蝕能力。但是由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)與艦船用航改燃?xì)廨啓C(jī)的配裝對(duì)象不同，設(shè)計(jì)理念和要求有很大差別，因而，航空發(fā)動(dòng)機(jī)上仍采用了較大比例的耐蝕性較差的材料，如鎂合金、鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼、以及具有特殊用途的鐵基高溫合金。

鎂是1種非?；顫姷慕饘?，電位比為－2.7左右，在自然狀態(tài)下能置換水中的氫，而發(fā)生腐蝕；而在海洋氣候條件下，其耐蝕性更差。即使采取涂層等防護(hù)措施，一旦涂層破損或失效，則鎂合金基體就很快被腐蝕。在美國(guó)海軍標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定海軍裝備嚴(yán)禁使用鎂合金。

結(jié)構(gòu)鋼和一些低鉻馬氏體不銹鋼由于具有較好的力學(xué)性能且成本低廉，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上被大量采用，大多應(yīng)用在溫度較低的部位上。在海洋環(huán)境下零件會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，抗鹽霧腐蝕性能較差。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件中，如何進(jìn)行GH907合金零部件和渦輪葉片的的防腐設(shè)計(jì)是重點(diǎn)和難點(diǎn)。低膨脹鐵基高溫合金GH907不含抗蝕性元素Cr，而且Al含量低，Nb含量高，決定了合金在鹽霧環(huán)境下耐腐蝕性能較差。由于GH907合金對(duì)于間隙控制作用非常重要，無(wú)法用替代材料，因而，只能采取適當(dāng)?shù)姆栏繉舆M(jìn)行防護(hù)。

在海洋環(huán)境下，渦輪葉片是燃?xì)廨啓C(jī)上工作條件最苛刻的部件，為熱腐蝕最易發(fā)生的部位。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用高溫合金主要有DZ40M、DZ125、DZ417G、K417G。其中DZ40M（鈷基合金）具有良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，DZ125、DZ417G、K417G合金的抗熱腐蝕性能相對(duì)較差。DZ125合金在900℃、10 h的涂鹽（25%NaCl+75%Na2SO4）試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖中可見(jiàn)，涂鹽僅10 h后，DZ125合金即發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，表面堆積滿(mǎn)了綠色的腐蝕產(chǎn)物。

4 航改燃?xì)廨啓C(jī)的防腐蝕設(shè)計(jì)選材

通過(guò)上述分析可知，航改燃?xì)廨啓C(jī)不能完全沿用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料，必須針對(duì)耐腐蝕性差的材料進(jìn)行新防腐蝕設(shè)計(jì)。

4.1 鋁、鎂合金零部件防腐蝕設(shè)計(jì)

鎂合金由于耐腐蝕性非常差，無(wú)法在海洋環(huán)境下應(yīng)用，故對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中附件機(jī)匣等鎂合金零部件，采用密度較接近的鋁合金代替。雖然在海洋環(huán)境下，鋁合金易發(fā)生點(diǎn)蝕和晶間腐蝕，但由于軸承襯套和附件機(jī)匣殼體均為靜子件，與腐蝕介質(zhì)接觸較少，采用合理的防護(hù)涂層系統(tǒng)后，耐腐蝕性能大為提高。鋁合金涂層防護(hù)系統(tǒng)見(jiàn)表1。這些涂層及工藝在國(guó)內(nèi)都較為成熟，并且磁漆種類(lèi)也較多，可以滿(mǎn)足艦船用航改燃?xì)廨啓C(jī)的使用要求。

4.2 鋼鐵零部件的防腐蝕設(shè)計(jì)

奧氏體和一些高鉻馬氏體不銹鋼具有良好的抗鹽霧腐蝕能力，不需要采取防護(hù)措施即可直接用于艦船用航改燃?xì)廨啓C(jī)。出于成本和工藝等其它因素的考慮，航改燃?xì)廨啓C(jī)也需要采用一些結(jié)構(gòu)鋼和高碳低鉻的馬氏體不銹鋼及鑄鐵零件。但是。這些材料抗鹽霧腐蝕性能較差，需要根據(jù)零部件的不同使用情況選擇不同的防護(hù)措施，如流道件和接觸鹽霧較多的零部件（如進(jìn)氣機(jī)匣、壓氣機(jī)機(jī)匣等）采用在600℃以下具有較好抗鹽霧腐蝕性能的WZL系列無(wú)機(jī)鹽中溫鋁涂層防護(hù)；其它零件可采用傳統(tǒng)的防護(hù)工藝，如滲碳、滲氮、鍍鎳、鈍化、涂漆等。典性的涂層防護(hù)系統(tǒng)見(jiàn)表2。

表1 鋁合金零、部件的涂層系統(tǒng)

表2 典型的鋼鐵零部件涂層防護(hù)系統(tǒng)

4.3 鈦合金零部件的防腐蝕設(shè)計(jì)

航改燃?xì)廨啓C(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)中應(yīng)用最廣泛的材料是鈦合金。雖然鈦合金在海洋環(huán)境下工作時(shí)，材料上沉積有鹽粒，會(huì)在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生熱鹽應(yīng)力腐蝕，但目前應(yīng)用最多的鈦合金是α+β鈦合金，在應(yīng)力極限下使用，不會(huì)產(chǎn)生熱鹽應(yīng)力腐蝕，具有較高的抗鹽霧腐蝕能力，不需要采取防護(hù)措施。

4.4 高溫合金零部件的防腐蝕設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)所選用的高溫合金主要有優(yōu)質(zhì)GH2132、GH4169、GH600、GH141、GH159、GH605、K188、K605、GH188、MGH754、GH907等，除GH907合金外均為含鉻量較高的鎳基、鈷基或鐵基高溫合金，具有較高的抗腐蝕性能，因此這些高溫合金零件不需采取其它防護(hù)措施。

壓氣機(jī)后機(jī)匣、高壓渦輪機(jī)匣等一些間隙控制的靜子件常選用GH907合金。該材料為650℃以下使用的Ni-Co-Fe基低膨脹高溫合金，而且Al含量低，Nb含量高，在鹽霧環(huán)境下抗腐蝕性能非常差。GH907合金48 h鹽霧試驗(yàn)照片如圖2所示。從圖中可知，GH907合金零部件的防腐涂層設(shè)計(jì)非常重要，是高溫合金防護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

根據(jù)零件的具體結(jié)構(gòu)和使用條件，分別選用了TW-7水基耐高溫涂料、SKNC-65納米自修復(fù)涂層、磷酸鹽系耐高溫腐蝕涂料、鍍Cr+GT500A有機(jī)復(fù)合涂層，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)涂層進(jìn)行了評(píng)估，試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表3）表明，4種涂層均可以滿(mǎn)足艦船用燃?xì)廨啓C(jī)的防腐要求。

4.5 渦輪葉片的防腐蝕設(shè)計(jì)

綜上所述，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料DZ125、DZ417G、K417G等合金，達(dá)不到航改燃?xì)廨啓C(jī)的防腐蝕性能要求。因此，航改燃?xì)廨啓C(jī)采用DSM11新型抗腐蝕合金和DZ38G、K438高鉻鎳基抗熱腐蝕高溫合金作為葉片材料；同時(shí)，施加適當(dāng)防護(hù)涂層，進(jìn)一步增加其耐腐蝕性能。

目前，適用于渦輪葉片的防護(hù)涂層主要有2種：1種是沉積合金涂層，即所謂的靈敏涂層（Smart Coatings），是MCrAlY基的多元復(fù)合結(jié)構(gòu)，涂層內(nèi)部富Cr，表層富Al，在高溫下可形成穩(wěn)定的Al2O3保護(hù)膜，起到抗高溫氧化作用，在較低溫度(700～900℃)下可形成更強(qiáng)的抗熱腐蝕Cr2O3保護(hù)膜，達(dá)到抗熱腐蝕的目的；另1種是沉積陶瓷涂層，典型是熱障涂層TBC，是由抗氧化腐蝕的金屬粘結(jié)底涂層和隔熱的陶瓷表面涂層構(gòu)成的復(fù)合功能涂層。熱障涂層作為阻隔高溫燃?xì)夂透g介質(zhì)直接作用的物理屏障，不僅有效地降低了基體合金的實(shí)際工作溫度，而且可以抑制腐蝕介質(zhì)（熔鹽）發(fā)生界面電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)，比合金涂層具有更強(qiáng)的抗腐蝕能力。即使在使用過(guò)程中表面陶瓷層開(kāi)裂或剝落，其下面的MCrAlY金屬底涂層仍然可以繼續(xù)提供抗氧化/腐蝕防護(hù)，使結(jié)構(gòu)材料受到雙重防護(hù)。

渦輪葉片的詳細(xì)防腐設(shè)計(jì)方案如下。

（1）燃?xì)獍l(fā)生器渦輪導(dǎo)向葉片多為空心葉片，沿用航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料DZ40M合金，內(nèi)腔滲AlTi等鋁化物滲層，外型面采用MCrAlY底層加ZrO2熱障涂層，既起到隔熱作用，又增強(qiáng)耐腐蝕性；

（2）燃?xì)獍l(fā)生器渦輪工作葉片采用DSM11新型抗腐蝕合金，是耐熱腐蝕性能優(yōu)良的定向凝固鎳基鑄造高溫合金。外型面噴涂NiCoCrAlYSi抗腐蝕防護(hù)涂層，內(nèi)腔滲CoAl等鋁化物進(jìn)行防護(hù)；

（3）航改燃?xì)廨啓C(jī)低壓渦輪葉片可采用DZ38G合金，是國(guó)內(nèi)較成熟的合金，且耐腐蝕性在國(guó)外航改燃?xì)廨啓C(jī)得到驗(yàn)證，同時(shí)噴涂NiCoCrAlYSi抗腐蝕防護(hù)涂層可進(jìn)一步增強(qiáng)抗腐蝕能力；

（4）K438合金也是國(guó)內(nèi)成熟且在國(guó)外航改燃?xì)廨啓C(jī)大量應(yīng)用的耐腐蝕合金，多用于制造動(dòng)力渦輪導(dǎo)向葉片，應(yīng)用于艦船用航改燃?xì)廨啓C(jī)上，可采取滲CoAl等鋁化物滲層進(jìn)行防護(hù)。

表3 GH907合金涂層試驗(yàn)評(píng)估結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)選材達(dá)不到海洋工作環(huán)境下的防腐要求，艦船航改燃?xì)廨啓C(jī)不能沿用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的選材體系。

本文介紹的航改燃?xì)廨啓C(jī)防腐選材體系選材合理、依據(jù)充分、技術(shù)成熟，可以滿(mǎn)足航改燃?xì)廨啓C(jī)在海洋環(huán)境下使用的要求。

[1] 趙德孜.航機(jī)船用改裝中的防腐及選材[C].航改燃?xì)廨啓C(jī)文集,2002.

[2] 李金桂.腐蝕控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.