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【簡(jiǎn)介】
李博，胡偉葉
（1.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京211100；
2.中國航天科工集團(tuán)南京晨光廠工藝研究所，江蘇南京210012）
摘要：通過體視顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及X射線能譜儀對(duì)ST13電機(jī)葉輪葉片表面進(jìn)行分析檢測(cè)，葉片表面為銅／鎳／鉻組合鍍層。分析結(jié)果表明：葉片表面的斑點(diǎn)、銹蝕、起皮等缺陷是因氯離子滲入鍍層導(dǎo)致的基體點(diǎn)蝕失效，葉片迎風(fēng)面所受到的高壓氣流、鍍層與鋼鐵基體的電位差等因素促進(jìn)了腐蝕反應(yīng)過程。葉片總的鍍層厚度不足5 μm，且作為中間層的鍍銅層厚度不足0.3μm，沒有起到應(yīng)有的結(jié)合基體、阻隔腐蝕介質(zhì)的作用。
關(guān)鍵詞：鍍層；點(diǎn)蝕；氯離子；失效分析
中圖分類號(hào)：TQ 153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4742（ 2011） 05-0010-04
0前言
某單位送檢一件電機(jī)葉輪，在葉輪累計(jì)工作80 h后，發(fā)現(xiàn)葉片的迎風(fēng)面上產(chǎn)生紅褐色附著物和異常斑點(diǎn)，要求分析其原因。
葉片所用材料為ST13冷軋鋼板，工藝流程為：鍍鎳（無厚度要求）—→鍍銅（10μm）—→鍍鎳（5μm）—→鍍鉻（0.5μm），所用工藝為電鍍。該電機(jī)葉輪的額定轉(zhuǎn)速為10000 r/min，工作最高溫度為200℃[1-2]。
1 宏觀檢驗(yàn)
使用放大鏡和體視顯微鏡對(duì)電機(jī)葉輪表面的宏觀形貌進(jìn)行觀察。圖l（a）為電機(jī)葉輪的宏觀形貌，電機(jī)葉輪所有11片葉片的迎風(fēng)面上均存在較多的紅褐色附著物，如圖l（b）中箭頭所指部位。用丙酮對(duì)葉輪葉片進(jìn)行超聲波清洗30 min后，觀察發(fā)現(xiàn)葉片表面鍍層有翹皮、剝落現(xiàn)象，如圖l（c）所示。在剝落層的底部可以觀察到黃褐色的銹斑，如圖l（d）所示。
2鍍層分析
選用德國Fisher公司生產(chǎn)的X射線測(cè)厚儀對(duì)送檢葉輪中的8片葉片迎風(fēng)面鍍層進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果，如表1所示。
為進(jìn)一步分析鍍層厚度對(duì)表面斑點(diǎn)的影響，選取其中鍍層最厚的5 #葉片和鍍層最薄的2 # 葉片進(jìn)行橫向解剖、鑲樣，磨制成金相試樣。用掃描電鏡和 X射線能譜儀對(duì)鍍層進(jìn)行線分析，同時(shí)對(duì)鍍層表面的斑點(diǎn)處進(jìn)行點(diǎn)分析。圖2，圖3分別為5 #和2 #葉片試樣鍍層的線掃描分析結(jié)果。
從線掃描分析的結(jié)果可以看出：5#葉片總鍍層厚度約為4.Oμm，2 #葉片總鍍層厚度約為1.7 μm；5#和2#葉片表面均存在銅鍍層，但銅層的厚度僅為0.05～0.29 μm。
對(duì)葉片表面的斑點(diǎn)形貌進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，斑點(diǎn)處存在小蝕坑。圖4為5#葉片表面一處斑點(diǎn)的蝕坑形貌，坑洞頂部存在完整的鍍層，坑洞內(nèi)填滿腐蝕產(chǎn)物。為確認(rèn)腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分，用X射線能譜儀對(duì)2#和5#葉片的坑洞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行成分分析，分析結(jié)果，如圖5，圖6所示。結(jié)果表明：坑洞內(nèi)物質(zhì)所含元素有O，Cl，F(xiàn)e，Ni，其中Ni應(yīng)為鍍層成分，F(xiàn)e為基體元素，而O，Cl則為外來元素。
3 失效分析與討論
（1）鍍層厚度問題
從X射線測(cè)厚儀的檢測(cè)結(jié)果可以看出：檢測(cè)的8片葉片的鍍層厚度遠(yuǎn)小于葉輪的表面處理技術(shù)要求，尤其是作為連接基體和外層鍍層的中間鍍銅層，其厚度僅為0.05～0.29 μm。2#和5#葉片鍍層的線掃描結(jié)果也與X射線測(cè)厚儀的檢測(cè)結(jié)果相吻合。
實(shí)際生產(chǎn)中通常采用銅／鎳／鉻的組合電鍍加工方法來獲得防護(hù)一裝飾性良好的鍍層。鍍銅可以使鋼的表面具有銅的優(yōu)良性能，但為防止銅層的氧化變色，又考慮到銅質(zhì)地柔軟，硬度較低，故常使用鍍銅層作為基體與其他金屬鍍層的中間層，而不是最外層。銅作為中間鍍層，主要是利用銅層孔隙少、韌性好等特點(diǎn)，不僅可以提高葉片鋼基體與表面鍍鎳層、鍍鉻層的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)也可以大大減少整個(gè)鍍層的孔隙率，從而提高最外層鍍層的耐磨性及耐蝕性。另外，銅底層也能夠保護(hù)鋼鐵基體不受酸性鍍鎳槽的腐蝕，并防止置換鍍，使銅層與其上部的鍍鎳層具有較好的結(jié)合力。而受檢的葉片鍍銅層厚度過小，顯然不足以起到中間層應(yīng)有的作用。
（2）葉片迎風(fēng)面斑點(diǎn)銹蝕問題
由于電機(jī)葉輪葉片的鍍層厚度遠(yuǎn)小于表面處理技術(shù)要求，雖然鍍銅層孔隙率小，但因厚度不達(dá)標(biāo)，無法對(duì)外來腐蝕介質(zhì)起到良好的阻隔效應(yīng)。而鍍鎳層本身存在微小孔隙，電機(jī)葉輪在工作過程中，額定轉(zhuǎn)速高達(dá)10000 r/min，高速氣流對(duì)葉片迎風(fēng)面存在巨大的沖擊力。在巨大的氣體壓強(qiáng)作用下，環(huán)境氣氛中的部分腐蝕介質(zhì)的則會(huì)沿著微小孔隙滲入鍍層和基體的結(jié)合界面。鍍層和鋼鐵基體之間存在化學(xué)電位差，在一定的腐蝕介質(zhì)作用下，會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，界面處的局部微小原電池會(huì)進(jìn)一步增加腐蝕速率。
在蝕坑處的EDAX檢測(cè)結(jié)果表明：電機(jī)葉輪葉片在坑洞處有化學(xué)產(chǎn)物生成，應(yīng)為蝕坑中的腐蝕產(chǎn)物，且存在O元素和Cl元素。Cl-可以作為鍍層和基體之間的導(dǎo)通介質(zhì)，并直接參與葉輪葉片表層的電化學(xué)腐蝕過程。Cl-具有極小的直徑尺寸，在運(yùn)動(dòng)中對(duì)金屬材料的滲透能力極強(qiáng)。雖然葉片表層有一定的銅／鎳／鉻組合鍍層，但作為中間層的鍍銅層厚度極小，且不均勻，Cl-在氣流壓強(qiáng)的作用下能夠極大地增加與葉輪葉片表面的接觸幾率，有助于其穿透金屬鍍層，并與鍍層下方的金屬基體反應(yīng)，生成可溶性金屬氯化物，并產(chǎn)生電極電位。而鍍層與鋼鐵基體界面處固有的電位差更能夠促進(jìn)這一反應(yīng)過程，進(jìn)而產(chǎn)生蝕孔。另外，在經(jīng)過點(diǎn)蝕的萌生階段后，微蝕孔內(nèi)部的“小陰極”與孔外大面積“大陽極”會(huì)形成原電池，從而大大增加了蝕坑的電化學(xué)反應(yīng)速率和擴(kuò)展速率。當(dāng)蝕坑的擴(kuò)展范圍沿著反應(yīng)介質(zhì)的重力方向進(jìn)行時(shí)，就會(huì)形成“喇叭孔”、不規(guī)則盲孔等幾何形貌，反應(yīng)生成的金屬氫氧化物即為腐蝕產(chǎn)物的主要成分。
由于組合鍍層中最貼近鋼材基體的為銅，對(duì)腐蝕過程中的蝕坑與最外層的鎳、鉻有一定阻隔作用。在一段時(shí)間內(nèi)蝕坑無法與最外層金屬大面積地產(chǎn)生反應(yīng)，這就形成了圖4中的特殊坑洞形貌，即：坑洞頂部依然有完好的鍍層。隨著葉輪工作時(shí)間的延長(zhǎng)，蝕坑內(nèi)的腐蝕反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，腐蝕產(chǎn)物逐漸將鍍層頂開，使鍍層逐漸剝落，在葉片的迎風(fēng)面出現(xiàn)較多的銹斑。而電機(jī)葉輪葉片的背風(fēng)面由于在工作中無高速氣流沖擊，空氣中的Cl-無法輕易沿著微小孔隙滲入到基體，因此，鍍層和基體之間的電化學(xué)反應(yīng)無法大面積進(jìn)行，所以葉片背風(fēng)面無銹蝕斑點(diǎn)現(xiàn)象。
4 結(jié)論
（1）送檢電機(jī)葉輪葉片鍍層厚度遠(yuǎn)小于表面處理技術(shù)要求，尤其是鍍銅層厚度不達(dá)標(biāo)。建議調(diào)整其電鍍工藝，增加作為中間層的鍍銅層的厚度。
（2）送檢電機(jī)葉輪葉片迎風(fēng)面出現(xiàn)銹蝕斑點(diǎn)的原因是由于鍍層和基體之間發(fā)生的電化學(xué)腐蝕造成的，Cl-在高壓氣流的促進(jìn)作用下滲透通過鍍層，是導(dǎo)致鍍層產(chǎn)生斑點(diǎn)的直接誘因。
參考文獻(xiàn)：
[1]胡世炎，機(jī)械失效分析手冊(cè)[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1999.
[2]朱日彰，腐蝕與防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1987.
