趙連紅，劉成臣，何衛(wèi)平，王浩偉

（中國特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊門 448035）

35Cr2Ni4MoA作為一種超高強(qiáng)度中碳鋼，在航空工業(yè)生產(chǎn)制造中發(fā)揮著重要作用[1-3]。材料中含有Ni，Cr，Mo合金元素，使鋼的過冷奧氏體相當(dāng)穩(wěn)定，淬透性很好。35Cr2Ni4MoA材料主要用于制造截面較大的承受疲勞載荷的關(guān)鍵件，如重要軸類、對接接頭、螺栓及飛機(jī)起落架等[4-5]。面對飛機(jī)長期在沿海區(qū)域服役和使用過程中的高鹽霧、高濕熱等嚴(yán)酷海洋環(huán)境，采用傳統(tǒng)的鍍硬鉻表面處理的飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu)（采用35Cr2Ni4MoA材料）出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕損傷，嚴(yán)重影響飛機(jī)安全性和可靠性[6-8]。隨著碳化鎢（WC-10Co-4Cr）表面處理技術(shù)工藝逐漸成熟，運(yùn)用日益廣泛，其優(yōu)越的耐蝕性和耐磨性逐漸得到業(yè)內(nèi)認(rèn)可[9-10]。通過碳化鎢（WC-10Co-4Cr）表面處理技術(shù)來提高35Cr2Ni4MoA材料表面耐蝕性已經(jīng)成為一種有效手段[11]。文中主要研究35Cr2Ni4MoA材料兩種表面處理技術(shù)的耐腐蝕性能，對比35Cr2Ni4MoA材料采用傳統(tǒng)鍍硬鉻和碳化鎢-10Co-4C兩種表面處理的耐蝕性差異，為35Cr2Ni4MoA材料在海洋環(huán)境下應(yīng)用的防腐蝕能力提升提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)件由航空工業(yè)哈飛提供，材料為 35Cr2-Ni4MoA，形狀為圓筒狀，試驗(yàn)件分別采用碳化鎢和鍍硬鉻兩種表面處理，每類試驗(yàn)件數(shù)量為2件，其長度為270 mm，內(nèi)徑為55 mm，外徑為65 mm，試驗(yàn)件表面處理見表1。試驗(yàn)中檢測試驗(yàn)件腐蝕坑深度的設(shè)備為 KH-7700三位體式顯微鏡，其放大倍數(shù)為50～3500倍，試驗(yàn)件外形如圖1所示。

表1 試驗(yàn)件清單

1.2 試驗(yàn)環(huán)境

海洋環(huán)境中的高濕熱、高鹽霧腐蝕環(huán)境對35Cr2-Ni4MoA材料的腐蝕影響最為嚴(yán)重，試驗(yàn)重點(diǎn)研究濕熱和鹽霧環(huán)境對材料的腐蝕影響。在劉成臣提出的海洋環(huán)境試驗(yàn)環(huán)境譜[12-13]的基礎(chǔ)上裁剪紫外試驗(yàn)?zāi)K，形成35Cr2Ni4MoA材料的加速環(huán)境譜，其中每個周期的試驗(yàn)作用時間為336 h，包括168 h濕熱試驗(yàn)和168 h酸性鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)共8個周期，試驗(yàn)的加速試驗(yàn)環(huán)境譜如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方法

按照加速試驗(yàn)環(huán)境譜開展35Cr2Ni4MoA試驗(yàn)件環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為8周期。每個周期嚴(yán)格按照依次從試驗(yàn)件清洗、初始檢測、周期性加速腐蝕試驗(yàn)、周期性取樣檢測分析等程序開展環(huán)境試驗(yàn)。在加速試驗(yàn)中，按照GJB 150.9A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第9部分：濕熱試驗(yàn)》和GJB 150.11A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第11部分：鹽霧試驗(yàn)》開展?jié)駸嵩囼?yàn)和鹽霧試驗(yàn)，每個循環(huán)結(jié)束后檢測試驗(yàn)件腐蝕情況。35Cr2Ni4MoA試驗(yàn)件表面腐蝕情況（坑深度、腐蝕面積、單位面積腐蝕數(shù)量）采用KH-7700三位體式顯微鏡檢測，按照 GB/T 18590—2001變焦顯微測試法，盡量多地采集腐蝕數(shù)據(jù)，使檢測的腐蝕數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)試驗(yàn)件的表面整體腐蝕情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

35Cr2Ni4MoA試驗(yàn)件開展 8個周期的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕環(huán)境試驗(yàn)，檢測35Cr2Ni4MoA兩種試驗(yàn)件的腐蝕形貌。YLCL試驗(yàn)件（傳統(tǒng)鍍硬鉻）試驗(yàn)初期，點(diǎn)蝕零星分布在試驗(yàn)件表面，隨著試驗(yàn)時間推移；試驗(yàn)中期，點(diǎn)蝕腐蝕數(shù)量增多，點(diǎn)蝕面積增大，腐蝕增長速率快；到試驗(yàn)后期，腐蝕數(shù)量增多，腐蝕面積增大，腐蝕程度嚴(yán)重。GSHYPT試驗(yàn)件（碳化鎢 WC-10Co-4Cr）試驗(yàn)初期無明顯腐蝕；試驗(yàn)中期，試驗(yàn)件表面鍍層出現(xiàn)輕微均勻腐蝕，分布范圍少，腐蝕程度較輕；試驗(yàn)后期，試驗(yàn)件鍍層腐蝕程度相較于中期有所增加，腐蝕區(qū)域面積增加，試驗(yàn)件表面幾處出現(xiàn)點(diǎn)蝕，腐蝕程度較輕。在第1—8周期兩類試驗(yàn)件的蝕坑深度、腐蝕面積、單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量等腐蝕數(shù)據(jù)見表2、表3和表4，表中記錄的蝕坑深度、腐蝕面積、單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量的數(shù)值為試驗(yàn)檢測均值。

通過表2統(tǒng)計的蝕坑深度可知，YLCL試驗(yàn)件在環(huán)境試驗(yàn)第1周期中發(fā)生腐蝕，并且腐蝕蝕坑深度隨試驗(yàn)時間成冪函數(shù)關(guān)系[14]，腐蝕程度越來越嚴(yán)重。YLCL試驗(yàn)件經(jīng)過8個周期環(huán)境試驗(yàn)后表面腐蝕形貌和蝕坑深度如圖3所示。相較之下，GSHYPT試驗(yàn)件在環(huán)境試驗(yàn)初期未發(fā)生腐蝕，試驗(yàn)中期，試驗(yàn)件鍍層有輕微均勻腐蝕，隨著環(huán)境試驗(yàn)開展，試驗(yàn)件鍍層腐蝕面積逐漸增大，但增幅較小，從第7周期開始試驗(yàn)件表面出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕。GSHYPT試驗(yàn)件經(jīng)過8個周期環(huán)境試驗(yàn)后表面腐蝕形貌和蝕坑深度如圖 4所示。GSHYPT試驗(yàn)件的蝕坑深度僅僅相當(dāng)于 YLCL試驗(yàn)件蝕坑深度的5%。由圖5中蝕坑的發(fā)展趨勢可知，隨著試驗(yàn)的進(jìn)一步開展，兩種試驗(yàn)件的腐蝕程度差異越來越大，因此就腐蝕深度判斷，35Cr2Ni4MoA材料碳化鎢（WC-10Co-4Cr）相較于傳統(tǒng)鍍硬鉻表面處理能有效提高材料表面的耐腐蝕能力。

表2 兩種表面處理35Cr2Ni4MoA試驗(yàn)件外表面蝕坑深度 μm

表3 兩種表面處理35Cr2Ni4MoA試驗(yàn)件外表面腐蝕面積 μm2

表4 2種表面處理35Cr2Ni4MoA試驗(yàn)件外表面單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量

通過表3統(tǒng)計的腐蝕面積數(shù)據(jù)可知，YLCL試驗(yàn)件經(jīng)歷8個環(huán)境試驗(yàn)后形成的腐蝕面積較大，腐蝕面積隨時間的增加而增大，且增長幅度較快。GSHYPT試驗(yàn)件在8個環(huán)境試驗(yàn)周期里，試驗(yàn)前期鍍層發(fā)生均勻腐蝕后，并未對試驗(yàn)件基材產(chǎn)生腐蝕損傷，試驗(yàn)后期試驗(yàn)件表面發(fā)生點(diǎn)蝕，且腐蝕面積較小，腐蝕程度輕。兩種試驗(yàn)件表面腐蝕面積曲線如圖6所示。YLCL試驗(yàn)件表面腐蝕面積變化規(guī)律與唐子龍[14]在考慮蝕坑內(nèi)沉積層情況下提出的半球形孔模型的規(guī)律一致，即試驗(yàn)件表面蝕坑半徑r隨時間成直線關(guān)系。按照這個發(fā)展趨勢，隨著試驗(yàn)的進(jìn)一步開展，兩種表面處理試驗(yàn)件的腐蝕面積差值會越來越大。因此就腐蝕面積判斷，35Cr2Ni4MoA材料碳化鎢（WC-10Co-4Cr）相較于傳統(tǒng)鍍硬鉻表面處理能更有效地提高材料表面的耐腐蝕能力。

YLCL試驗(yàn)件在試驗(yàn)初期腐蝕數(shù)量較少，腐蝕點(diǎn)零星分布在試驗(yàn)件外表面，單位面積內(nèi)的腐蝕數(shù)量一般以數(shù)量2和3居多。隨著試驗(yàn)的開展，到試驗(yàn)中期，腐蝕速率增加，點(diǎn)蝕個數(shù)增加速率明顯加快，單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量一般以數(shù)量7和8居多。到試驗(yàn)后期，單位面積內(nèi)的腐蝕數(shù)量一般以數(shù)量3和4居多。相較之下，GSHYPT試驗(yàn)件在前6個周期，僅僅試驗(yàn)件鍍層發(fā)生腐蝕，且腐蝕程度較輕。在第7周期，試驗(yàn)件基材表面才發(fā)生點(diǎn)蝕，且單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量一般以數(shù)量1居多，直至試驗(yàn)結(jié)束，試驗(yàn)件單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量為2。兩種試驗(yàn)件單位面積腐蝕個數(shù)變化曲線如圖7所示，YLCL試驗(yàn)件腐蝕個數(shù)表現(xiàn)出少→多→少趨勢，但相較于 GSHYPT試驗(yàn)件，腐蝕個數(shù)整體水平明顯偏多，且腐蝕程度嚴(yán)重。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

35Cr2Ni4MoA材料兩種試驗(yàn)件開展了 8個周期的濕熱和鹽霧環(huán)境試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)件的腐蝕形貌如圖8和圖9所示。通過對腐蝕深度、腐蝕面積、單位面積腐蝕數(shù)量的檢測和分析，總體而言，兩種試驗(yàn)件都發(fā)生點(diǎn)蝕，且腐蝕程度隨時間的增加而趨于嚴(yán)重。不同之處在于采取鍍碳化鎢（WC-10Co-4Cr）表面處理的試驗(yàn)件發(fā)生腐蝕的時間晚，且腐蝕速率低，腐蝕程度輕。綜合分析，35Cr2Ni4MoA材料表面鍍碳化鎢（WC-10Co-4Cr）處理提高了材料表面質(zhì)量，鍍層致密，孔隙少，且含有防腐Co和Cr元素，大大減少了材料腐蝕概率。因此在腐蝕環(huán)境試驗(yàn)初期，35Cr2-Ni4MoA材料采用傳統(tǒng)鍍硬鉻會在外表面微孔隙部位產(chǎn)生點(diǎn)蝕，而采用碳化鎢（WC-10Co-4Cr）只在鍍層出現(xiàn)均勻腐蝕。其次，隨著試驗(yàn)的開展，對于鍍硬鉻試驗(yàn)件而言，更多腐蝕介質(zhì)進(jìn)一步通過蝕坑與材料基材反應(yīng)，使腐蝕速率不斷增加，在腐蝕部位產(chǎn)生大量腐蝕產(chǎn)物。同時在腐蝕產(chǎn)物不斷增長過程中對試驗(yàn)件腐蝕部位表面產(chǎn)生張力作用，導(dǎo)致腐蝕中心部位發(fā)生鼓包和龜裂，并產(chǎn)生微裂紋。微裂紋形成之后，腐蝕會沿著裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物以更快的速度增長，使試驗(yàn)件表面腐蝕情況更加嚴(yán)重。同時腐蝕產(chǎn)物在裂紋處累積，又促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致腐蝕速率越來越快，在這樣相互促進(jìn)作用下，試驗(yàn)件腐蝕速率加快。采用鍍碳化鎢（WC-10Co-4Cr）處理的試驗(yàn)件，由于碳化鎢（WC-10Co-4Cr）形成的表面處理層致密，試驗(yàn)前期鍍層表面發(fā)生均勻腐蝕，腐蝕程度較輕，導(dǎo)致腐蝕環(huán)境介質(zhì)與材料基材不能有效接觸產(chǎn)生快速腐蝕，同時碳化鎢（WC-10Co-4Cr）自身含有的Co和Cr元素耐蝕性強(qiáng)，能有效降低鍍層腐蝕速率。最后，鎢（WC-10Co-4Cr）腐蝕后形成的腐蝕產(chǎn)物分布在試驗(yàn)件外表層，形成的腐蝕產(chǎn)物薄膜層能阻隔內(nèi)部基材與腐蝕環(huán)境介質(zhì)的接觸和作用，從而大大地降低35Cr2Ni4MoA材料表面腐蝕速率。

綜上所述，通過蝕坑深度、腐蝕面積、單位面積內(nèi)腐蝕個數(shù)的對比研究了35Cr2Ni4MoA材料兩種表面處理防護(hù)方法的耐蝕性，碳化鎢（WC-10Co-4Cr）提高了 35Cr2Ni4MoA材料表面處理質(zhì)量，減少了35Cr2Ni4MoA材料表面處理孔隙，切斷了環(huán)境介質(zhì)與35Cr2Ni4MoA基材接觸途徑，對于35Cr2Ni4MoA材料鍍硬鉻表面處理的防腐蝕能力提升有重要作用。同時也為35Cr2Ni4MoA材料在海洋環(huán)境下的工程運(yùn)用提供了好的思路和方向。

3 結(jié)論

通過開展35Cr2Ni4MoA材料的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕環(huán)境試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

1）試驗(yàn)件采用鍍碳化鎢（WC-10Co-4Cr）與傳統(tǒng)鍍硬鉻前期腐蝕形式不同，鍍碳化鎢試樣（WC-10Co-4Cr）前期腐蝕為鍍層均勻腐蝕，隨時間腐蝕速率增幅較慢，傳統(tǒng)鍍硬鉻腐蝕為材料點(diǎn)蝕，隨時間腐蝕速率增幅較快。

2）碳化鎢（WC-10Co-4Cr）相較于傳統(tǒng)鍍硬鉻表面處理能大幅度提高35Cr2Ni4MoA材料表面耐蝕性能。

3）碳化鎢（WC-10Co-4Cr）表面處理能提高35Cr2Ni4MoA材料表面防護(hù)質(zhì)量，減少 35Cr2Ni4-MoA材料表面處理孔隙，能有效降低35Cr2Ni4MoA材料發(fā)生腐蝕的概率，為35Cr2Ni4MoA材料防腐蝕技術(shù)的提升指明方向。

4）通過對35Cr2Ni4MoA材料兩種表面防護(hù)耐蝕性的研究，為服役在海洋惡劣環(huán)境下飛機(jī) 35Cr2Ni-4MoA材料的腐蝕防護(hù)提供了依據(jù)。

[1]吳代斌, 孫永恒. 空用合金鋼鍛件的鍛造[J]. 壓機(jī)械,1988(6): 34-35.

[2]萬順興. 金屬熱處理原理與工藝[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2009.

[3]劉湘江, 駱鴻. 淬-回火溫度對高強(qiáng)度鋼30NCD16組織性能的影響[J]. 特殊鋼, 2007, 28(2): 56-57.

[4]顏鳴皋, 吳學(xué)仁, 朱知壽. 航空材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 航空制造技術(shù), 2003(12): 19-25.

[5]劉天琦. 飛機(jī)起落架用材發(fā)展[C]// 中國航空學(xué)會2007年學(xué)術(shù)年會論文集. 北京: 中國航空學(xué)會, 2007.

[6]周克塞. 熱噴涂技術(shù)代替電鍍硬鉻的研究進(jìn)展[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2004(14): 182-191.

[7]趙炯, 邱日, 柴豐濤, 等. 船舶用低合金鋼在模擬海水中的腐蝕行為研究[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報, 2014, 31(4):488-490.

[8]張丹峰, 譚曉明, 戚佳睿. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件腐蝕監(jiān)測研究[J]. 環(huán)境技術(shù), 2017, 35(4): 32-34.

[9]劉建武, 張雪瑩, 曾威, 等. 熱噴涂碳化鎢對 40Cr-NiMoA鋼耐蝕性與抗疲勞性能的影響[J]. 熱加工工藝,2015, 44(8): 125-129.

[10]DENG C M. Impingement Resistance of HVAF WC-based Coatings[J]. Journal of Thermal Spray Technology,2007(16): 604-609.

[11]周克塞, 鄧春明, 劉敏, 等. 超音速火焰噴涂 WC涂層代替電鍍硬鉻-疲勞和摩擦磨損性能[J]. 中國工程科學(xué),2009(11): 48-53.

[12]豐衛(wèi)東. 海洋環(huán)境對金屬材料的腐蝕及評價方法[J].裝備環(huán)境工程, 2005, 2(5): 86-89.

[13]劉成臣, 王浩偉, 楊曉華, 不同材料在海洋大氣環(huán)境下的加速環(huán)境譜研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2013, 7(2): 18-24.

[14]唐子龍. 孔蝕發(fā)展過程動力學(xué)分析[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報, 1998, 18(4): 241-250.