C01型膜盤聯(lián)軸器是安裝在某船舶露天甲板上的。在船舶航行過程中,甲板上會濺入大量海水,經(jīng)過聯(lián)軸器兩端的風(fēng)機(jī)作用,膜盤聯(lián)軸器服役于高濃度海水鹽霧中,這對膜盤聯(lián)軸器上連接螺栓的耐蝕性提出了更高的要求。膜盤材料為TC4鈦合金,因此在考慮螺栓材料耐蝕性的同時,應(yīng)確保其與TC4鈦合金不會形成明顯的電偶腐蝕。
15-5PH(0Cr15Ni5Cu4Nb)不銹鋼具有很好的表面光滑性和尺寸穩(wěn)定性,且加工性能好,力學(xué)性能優(yōu)良,耐一般環(huán)境腐蝕[1-3]。15-5PH不銹鋼是在17-4PH不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼,其不僅廣泛應(yīng)用于航空、航天以及核電等尖端領(lǐng)域,而且在海洋工程設(shè)備中(如與各種海水接觸的高壓容器、螺旋槳、傳動軸承和船體的外殼等)的使用也日益增多,因此適合作為高濃度海水鹽霧環(huán)境中的緊固件材料[4-6]。C01型膜盤聯(lián)軸器緊固件材料為15-5PH不銹鋼,長期運(yùn)行后多次出現(xiàn)不明原因的腐蝕斷裂現(xiàn)象[7],因此需要尋找適用于高鹽霧環(huán)境中的聯(lián)軸器材料。15-5PH不銹鋼的力學(xué)性能及C01膜盤聯(lián)軸器緊固件的力學(xué)性能及要求如表1所示,可以看出,15-5PH不銹鋼的力學(xué)性能滿足C01膜盤聯(lián)軸器的力學(xué)性能要求。但15-5PH不銹鋼是否滿足聯(lián)軸器的耐蝕性要求,還需要進(jìn)一步研究。
目前,關(guān)于15-5PH不銹鋼與TC4鈦合金(C01型膜盤聯(lián)軸器常用材料)耦合使用時的腐蝕研究相對較少。筆者通過點(diǎn)蝕試驗、縫隙腐蝕試驗、應(yīng)力腐蝕試驗、疲勞腐蝕試驗、電偶腐蝕試驗和模擬腐蝕試驗等,對15-5PH不銹鋼的耐蝕性進(jìn)行了研究。以期為15-5PH不銹鋼在高鹽霧環(huán)境鈦合金膜盤聯(lián)軸器中的應(yīng)用提供參考。
1. 試驗
1.1 點(diǎn)蝕試驗
按照GB/T 17897-2016《不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗方法》開展點(diǎn)蝕試驗,具體試驗參數(shù)如下:試驗溶液為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)FeCl3溶液;試驗時間為72 h;溶液溫度為55 ℃,采用三個平行試樣,見圖1。
1.2 縫隙腐蝕試驗
按照GB/T 10127-2002《不銹鋼三氯化鐵縫隙腐蝕試驗方法》開展縫隙腐蝕試驗,具體試驗參數(shù)如下:試驗溶液為6% FeCl3溶液;試驗時間為72 h;溶液溫度為55 ℃,縫隙腐蝕示意見圖2。
1.3 應(yīng)力腐蝕試驗
按照GB/T 15970.7-2000《金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗 第7部分:慢應(yīng)變速率試驗》開展試驗,具體試驗參數(shù)如下:拉伸應(yīng)變速率為10-6/s;腐蝕介質(zhì)為模擬海水溶液(3.5%NaCl溶液);試驗溫度為室溫。試樣尺寸如圖3所示。
1.4 疲勞腐蝕試驗
按照GB/T 20120.2-2006《金屬和合金的腐蝕 腐蝕疲勞試驗 第2部分:預(yù)裂紋試樣裂紋擴(kuò)展試驗》開展試驗,試樣尺寸如圖4所示。疲勞腐蝕試驗參數(shù)如下:最大應(yīng)力360 MPa;最小應(yīng)力0 MPa;應(yīng)力頻率10 Hz;最大循環(huán)周期106次;腐蝕介質(zhì)為海水;試驗在常溫下進(jìn)行。
1.5 電偶腐蝕試驗
參考GB/T 15748-2013《船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法》開展試驗,使用多通道電偶腐蝕儀記錄電偶腐蝕電位和電流,具體試驗參數(shù)如下:腐蝕介質(zhì)為天然海水;試驗時間為15 d;試驗溫度為室溫。
2. 結(jié)果及討論
2.1 點(diǎn)蝕試驗
由圖5可見:經(jīng)過點(diǎn)蝕試驗后,15-5PH不銹鋼表面點(diǎn)蝕坑數(shù)量較多,且點(diǎn)蝕坑深度較深。點(diǎn)蝕質(zhì)量損失測量結(jié)果表明,三個平行試樣的質(zhì)量損失相近,平均質(zhì)量損失為4.571 5 g。點(diǎn)蝕深度統(tǒng)計結(jié)果表明:15-5PH不銹鋼的點(diǎn)蝕深度相對較大,見表2。點(diǎn)蝕試驗結(jié)果表明15-5PH不銹鋼具有較強(qiáng)的點(diǎn)蝕敏感性,且點(diǎn)蝕坑主要向縱深發(fā)展[8-9]。
2.2 縫隙腐蝕試驗
由圖6可見:人工縫隙處發(fā)生了優(yōu)先腐蝕,其他部位也發(fā)生了不同程度的點(diǎn)蝕??p隙腐蝕質(zhì)量損失測量結(jié)果表明:三個平行試樣的腐蝕質(zhì)量損失較為接近,平均質(zhì)量損失為2.633 g,遠(yuǎn)小于由點(diǎn)蝕試驗導(dǎo)致的腐蝕質(zhì)量損失??p隙腐蝕試驗結(jié)果表明15-5PH不銹鋼具有縫隙腐蝕敏感性,實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)這種縫隙工況[10-11]。
2.3 應(yīng)力腐蝕試驗
由圖7可見:在空白和海水環(huán)境中,15-5PH不銹鋼的應(yīng)力-位移曲線在彈性階段基本重合,表明海水環(huán)境對15-5PH不銹鋼的力學(xué)行為沒有顯著影響[12]。
由表3可見:15-5PH不銹鋼的抗拉強(qiáng)度敏感性比值、斷后伸長率敏感性比值和斷口收縮率敏感性比值均接近1,可以認(rèn)為其在海水中沒有顯著的應(yīng)力腐蝕敏感性[13]。
由圖8可見:在兩種試驗環(huán)境中,試樣斷口處都發(fā)生了較為明顯的頸縮,高倍下可見明顯的韌窩組織,試樣斷裂為典型的韌性斷裂,結(jié)合敏感性數(shù)據(jù)進(jìn)一步表明15-5PH不銹鋼在海水中沒有顯著的應(yīng)力腐蝕敏感性。
2.4 疲勞腐蝕試驗
經(jīng)過106次的疲勞腐蝕試驗,所有參與測試的試樣均未發(fā)生疲勞斷裂。
圖9是15-5PH不銹鋼在疲勞試驗過程中,有效彈性模量隨循環(huán)周期次數(shù)的變化情況,可以看出,在整個循環(huán)周期內(nèi),所有試樣的有效彈性模量都沒有明顯的波動,說明試樣的力學(xué)性能沒有受到試驗過程的影響。在給定的疲勞應(yīng)力工況下,可以認(rèn)為試樣沒有明顯的疲勞腐蝕敏感性[14-15]。
2.5 電偶腐蝕試驗
15-5PH不銹鋼與等面積TC4鈦合金耦合后,在海水中浸泡前后的形貌如圖10所示??梢钥闯?試樣浸泡在海水中的部分表面,較試驗前略暗,但沒有發(fā)生明顯的腐蝕。試樣用于固定的位置有少量的腐蝕產(chǎn)物痕跡,酸洗后可以看到腐蝕產(chǎn)物區(qū)域存在輕微的腐蝕坑[16]。
由表4可見:15-5PH不銹鋼試樣的腐蝕質(zhì)量損失較小,其年腐蝕速率小于2 μm[17]。
圖11為15-5PH不銹鋼與鈦合金的耦合電位和電流變化趨勢,可以看出電流整體較小,但電流和電位都有一定的波動性。
3. 結(jié)論
(1)15-5PH不銹鋼在三氯化鐵溶液中發(fā)生了點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕,該材料具有點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕敏感性。
(2)15-5PH不銹鋼在海水環(huán)境中沒有明顯的應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕(當(dāng)前疲勞應(yīng)力條件)敏感性。
(3)15-5PH不銹鋼在海水中與鈦合金耦合時沒有明顯的腐蝕現(xiàn)象,即沒有顯著的電偶腐蝕敏感性。
(4)15-5PH不銹鋼在海水環(huán)境中表現(xiàn)出較為明顯的縫隙腐蝕敏感性。
(5)在露天的海洋鹽霧環(huán)境中,15-5PH不銹鋼可以作為TC4鈦合金膜盤的緊固件,但要注意避免縫隙腐蝕的發(fā)生。
文章來源——材料與測試網(wǎng)