唐恩軍 晁國濤 王軼

摘要：通過對lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機葉片清洗后發(fā)生表面彩虹斑點故障的形貌、化學(xué)成分及其分布的研究，確定了鋼制壓氣機葉片彩虹斑點故障原因，并針對性地制定了預(yù)防措施

關(guān)鍵詞：不銹鋼;葉片;腐蝕;故障分析

1 故障基本情況

某工廠在對lCrllN12W2MoV鋼制壓氣機葉片進行除滲鋁層、超聲波和熱水清洗后，發(fā)現(xiàn)部分葉片表面出現(xiàn)帶彩虹膜的“斑點”，典型故障見圖1。彩虹斑點故障在葉片葉盆、葉背及榫頭位置均有分布，彩虹斑點具有由內(nèi)向外呈褐色、黃色、藍色和褐色的高溫變色特征，故障點位置中心均存在微坑現(xiàn)象。

2 故障模擬

根據(jù)零件修理流程，針對可能發(fā)生的異常情況進行討論，得出以下兩類可能原因：一是燒傷，可能造成燒傷的原因為設(shè)備漏電燒傷和外來飛濺物燒傷;二是腐蝕，可能造成腐蝕的原因為超聲波溶液腐蝕葉片、殘余滲鋁層在清洗液中被腐蝕、除滲鋁層后的酸洗過程發(fā)生腐蝕、熱水清洗過程中發(fā)生點蝕。

2.1 燒傷模擬試驗

采用電火花燒傷的方法進行模擬試驗，電燒傷模擬件故障點由內(nèi)向外呈褐色、黃色、藍色和褐色的高溫變色特征，見圖2。

2.2 腐蝕模擬試驗

1）加熱自來水浸泡試驗

選用6件報廢葉片去除滲鋁層后在82℃的自來水中浸泡30min，有1件出現(xiàn)與故障件類似的現(xiàn)象，外觀形貌如圖3所示。

2）加熱純水浸泡試驗

以lCrllNi2W2MoV制作試樣，進行滲鋁和除滲鋁層后，置于85℃的超純水中浸泡12 0min以上，浸泡過程中自然冷卻，觀察試樣表面，均未發(fā)生變色。

3）含氯離子的熱水浸泡試驗

以lCrllNi2W2MoV制作試樣，放置于超純水中，加入0.5 g/L氯離子，加熱至85℃浸泡50min后，觀察到試樣表面均發(fā)生輕微變色，體式鏡觀察發(fā)現(xiàn)變色中心存在輕微腐蝕，見圖4。

以lCrllNi2W2MoV制作試樣，進行滲鋁和除滲鋁層后，置于85℃含0.5 g/L氯離子的水中浸泡50min后，觀察試樣表面均發(fā)生變色，且中心位置存在腐蝕跡象，見圖5。

在自來水中加入lg/L氯離子，選用6件報廢葉片去除滲鋁層后在75℃下浸泡30min，6件葉片中有1件出現(xiàn)了與故障件外觀形貌完全相同的現(xiàn)象。將加入lg/L氯離子的自來水溫度升到85℃，將其余5件葉片放入水中繼續(xù)浸泡，5min后開始出現(xiàn)大量肉眼可見的腐蝕點，隨著時間的增加腐蝕點逐步增多、增大，30min后5件葉片全部出現(xiàn)了與故障件外觀形貌完全相同的現(xiàn)象。故障點由內(nèi)向外呈褐色、黃色、藍色和褐色的高溫變色特征，變色位置中心均存在微坑現(xiàn)象，見圖6、圖7、圖8。

以lCrllNi2W2MoV（與葉片基體相同牌號）制作新試樣，置于85℃以上的自來水中，水中加入lg/L氯離子，浸泡50mm，觀察試樣表面均發(fā)生了嚴(yán)重變色，體式鏡觀察變色中心位置存在腐蝕坑，如圖9、圖10所示。

3 試驗分析

3.1 微觀形貌分析

1）故障件微觀形貌

在電鏡下觀察，故障點中心存在微坑，微坑尺寸約0.1～0.16mm，微坑表面未見明顯的附著物，微坑周圍有明顯堆積物，見圖11。

2）燒傷模擬件微觀形貌

采用掃描電鏡對燒傷模擬件故障點進行觀察，其微觀形貌如圖12。

從圖12可以看出，燒傷模擬件坑口呈圓形，坑底平坦，坑底和坑口有重熔層。這主要是因燒傷坑材料局部受熱超過金屬熔點、局部金屬熔融形成的，因此在燒傷點不可避免地存在重熔層。同時由于金屬材料在受熱時在各方向上熱擴散速度基本相同，因此坑口形狀規(guī)則、坑底平坦。

3）腐蝕模擬件微觀形貌

采用掃描電鏡對腐蝕模擬件故障點進行觀察，其微觀形貌如圖13。

從圖13可以看出，腐蝕模擬件故障點坑口形狀不規(guī)則、坑底凹凸不平，腐蝕坑周圍有腐蝕產(chǎn)物附著。

3.2 化學(xué)成分分析

1）故障件故障點化學(xué)成分分析

通過對微坑坑底、坑口、坑外側(cè)、坑外側(cè)遠端彩虹膜以及正常區(qū)域等位置進行X射線能譜分析發(fā)現(xiàn)，與零件基體材料相比，故障點的S、0元素含量顯著升高，在從坑底向坑外側(cè)的方向上，Cr、S、0元素含量隨距離的增加逐步下降，F(xiàn)e元素含量隨著距離的增加逐步升高。

坑底化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。與基體材料相比，故障點新增加了S元素，Cr元素含量顯著升高，F(xiàn)e元素含量大幅下降。

坑口化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。與基體材料相比，坑口新增加了S元素，Cr元素含量顯著升高，F(xiàn)e元素含量大幅下降。與坑底相比，Cr元素含量下降，F(xiàn)e元素含量升高。

坑外側(cè)化學(xué)成分分析結(jié)果見表3。與基體材料相比，坑外側(cè)新增加了S元素，Cr元素和Fe元素含量無明顯變化。

從坑底至外側(cè)的化學(xué)成分分析結(jié)果見圖14、圖15。從圖中可以看出，從坑底至外側(cè)的方向上，Cr、S、0元素的含量隨著距離的增加逐步下降，F(xiàn)e元素含量隨著距離的增加逐步升高，直至各元素含量與基體金屬相同。

2）腐蝕模擬件故障點化學(xué)成分分析

采用X射線能譜儀對加熱自來水腐蝕模擬件坑底、坑口和坑外側(cè)進行掃描分析，其結(jié)果見表4。

采用X射線能譜儀對加入氯離子的腐蝕模擬件坑底、坑口和坑外側(cè)進行掃描分析，其結(jié)果見表5、表6。

從表4、表5、表6可以看出，與基體材料相比，腐蝕模擬件故障點新增加了S元素，0元素含量顯著升高，同時在從坑底向坑外側(cè)的方向上，Cr、S、0元素含量隨著距離的增加逐步下降，F(xiàn)e元素含量隨著距離的增加逐步升高。這主要是因為金屬材料lCrllNi2W2MoV為馬氏體不銹鋼，在Cl作用下發(fā)生點蝕[1]。在腐蝕過程中，由于Cr元素的化學(xué)穩(wěn)定性比Fe元素高，F(xiàn)e元素優(yōu)先溶解為Fe2+，因此腐蝕中心與基體金屬相比，F(xiàn)e元素含量顯著降低，0元素含量顯著升高，在此共同作用下導(dǎo)致Cr元素含量顯著升高。在形成穩(wěn)定蝕孔初期，F(xiàn) e2+不斷從點蝕中心向四周擴散，在水溶中生成Fe（OH）2、Fe（OH）3，進一步脫水生成Fe203、Fe304，根據(jù)與點蝕中心距離的不同，生成Fe203、Fe304的比例也不同，因此在蝕點周圍形成彩虹膜[2]，隨著距離的增加Fe元素參加反應(yīng)的程度降低[3]，F(xiàn)e元素含量隨之升高，0元素含量隨之下降，在其作用下Cr元素含量亦下降。

3）燒傷模擬件故障點化學(xué)成分分析

采用X射線能譜儀對燒傷模擬件坑底、坑口和坑外側(cè)進行掃描分析，其結(jié)果見表7、表8。

從表7、表8可以看出，與基體材料相比，燒傷模擬件坑底0元素含量明顯升高，Cr元素含量略有升高，F(xiàn)e元素含量略有降低，從坑底向坑外側(cè)的方向上各元素含量基本沒有變化。這主要是因為零件燒傷過程中，在高溫作用下，Cr、Fe元素氧化形成金屬氧化物，進而導(dǎo)致燒傷模擬件故障點0元素含量明顯升高，燒傷的中心點溫度高使得氧化反應(yīng)程度也高，因此燒傷模擬件坑底0元素含量明顯升高;由于Cr元素在空氣中的穩(wěn)定性比Fe元素高，因此燒傷點Fe元素參與氧化反應(yīng)的程度更高，因此導(dǎo)致燒傷模擬件坑底Fe元素含量下降，在0元素含量增加以及Fe元素含量下降的共同作用下，導(dǎo)致Cr元素含量升高。在燒傷點外側(cè)，隨著距離的增加，溫度逐漸降低，因此基體金屬氧化反應(yīng)的程度越來越低[4]，金屬元素含量與基體金屬相比沒有明顯變化，0元素含量逐步下降。

4 結(jié)論

lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機葉片在進行除滲鋁層、超聲波和熱水清洗后發(fā)生的彩虹膜“斑點”故障，其宏觀形貌、微觀形貌以及化學(xué)成分分布與腐蝕模擬件故障點特征高度吻合，由此判定本次葉片故障為葉片在熱水清洗過程中發(fā)生的點蝕。

1）引發(fā)lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機葉片點蝕的主要誘因為CI和溫度，葉片在較高溫度的純水中不會發(fā)生點蝕。隨著水中Cl含量的上升，腐蝕傾向增加;在含有Cl的熱水中，隨著溫度的升高腐蝕傾向及腐蝕速度明顯增加。模擬試驗證明，當(dāng)水中Cl含量達到lg/L且溫度達到85℃以上時，點蝕故障重現(xiàn)概率基本達到100%。

2）在日常工作中應(yīng)重視自來水中Cl含量的穩(wěn)定性。當(dāng)自來水中Cl-含量達到點蝕I臨界點并在滿足適當(dāng)溫度的條件下即可引發(fā)lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機葉片點蝕。

3） lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機葉片在無保護層的情況下應(yīng)避免在較高溫度的自來水中長時間浸泡。

參考文獻

[1]朱祖芳.有色金屬的耐腐蝕性及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

[2]蔣志國、王輝煌.CI和H2S對不銹鋼電化學(xué)行為的協(xié)同影響[J].材料保護，2017，50（2）：74—77.

[3]劉文慧等.304L（D）雙牌號不銹鋼的點蝕行為研究[J].材料保護，2017，50（2）：83～86.

[4]肖紀(jì)美.不銹鋼的金屬學(xué)問題[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1983.