分享：15-5PH不銹鋼緊固件在高海水鹽霧環(huán)境中的應(yīng)用

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(huì)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(duì)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(shí),應(yīng)確保其與TC4鈦合金不會(huì)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(dòng)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(zhǎng)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(shí)的腐蝕研究相對(duì)較少。筆者通過點(diǎn)蝕試驗(yàn)、縫隙腐蝕試驗(yàn)、應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、疲勞腐蝕試驗(yàn)、電偶腐蝕試驗(yàn)和模擬腐蝕試驗(yàn)等,對(duì)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(yàn)

1.1   點(diǎn)蝕試驗(yàn)

按照GB/T 17897-2016《不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)方法》開展點(diǎn)蝕試驗(yàn),具體試驗(yàn)參數(shù)如下：試驗(yàn)溶液為6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同）FeCl3溶液；試驗(yàn)時(shí)間為72 h；溶液溫度為55 ℃,采用三個(gè)平行試樣,見圖1。 

圖  1  點(diǎn)蝕試樣宏觀形貌

Figure  1.  Macrographs of samples after pitting corrosion

1.2   縫隙腐蝕試驗(yàn)

按照GB/T 10127-2002《不銹鋼三氯化鐵縫隙腐蝕試驗(yàn)方法》開展縫隙腐蝕試驗(yàn),具體試驗(yàn)參數(shù)如下：試驗(yàn)溶液為6% FeCl3溶液；試驗(yàn)時(shí)間為72 h；溶液溫度為55 ℃,縫隙腐蝕示意見圖2。 

圖  2  縫隙腐蝕試驗(yàn)示意

Figure  2.  Schematic diagram of crevice corrosion

1.3   應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

按照GB/T 15970.7-2000《金屬和合金的腐蝕　應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)　第7部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)》開展試驗(yàn),具體試驗(yàn)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(yàn)溫度為室溫。試樣尺寸如圖3所示。 

圖  3  慢應(yīng)變速率拉伸試樣尺寸

Figure  3.  Dimensions of slow strain rate tensile specimens

1.4   疲勞腐蝕試驗(yàn)

按照GB/T 20120.2-2006《金屬和合金的腐蝕　腐蝕疲勞試驗(yàn)　第2部分：預(yù)裂紋試樣裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)》開展試驗(yàn),試樣尺寸如圖4所示。疲勞腐蝕試驗(yàn)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(yàn)在常溫下進(jìn)行。 

圖  4  疲勞腐蝕拉伸試樣尺寸

Figure  4.  Dimensions of tensile specimens for fatigue corrosion

1.5   電偶腐蝕試驗(yàn)

參考GB/T 15748-2013《船用金屬材料電偶腐蝕試驗(yàn)方法》開展試驗(yàn),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(yàn)參數(shù)如下：腐蝕介質(zhì)為天然海水；試驗(yàn)時(shí)間為15 d；試驗(yàn)溫度為室溫。 

2.   結(jié)果及討論

2.1   點(diǎn)蝕試驗(yàn)

由圖5可見：經(jīng)過點(diǎn)蝕試驗(yàn)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(cè)量結(jié)果表明,三個(gè)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(jì)結(jié)果表明：15-5PH不銹鋼的點(diǎn)蝕深度相對(duì)較大,見表2。點(diǎn)蝕試驗(yàn)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]。 

圖  5  15-5PH不銹鋼經(jīng)過點(diǎn)蝕試驗(yàn)后的表面宏觀形貌

Figure  5.  Macro surface morphology of 15-5PH stainless steel after pitting test before (a) and after (b) acid pickling

2.2   縫隙腐蝕試驗(yàn)

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。縫隙腐蝕質(zhì)量損失測(cè)量結(jié)果表明：三個(gè)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(yàn)導(dǎo)致的腐蝕質(zhì)量損失?？p隙腐蝕試驗(yàn)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]。 

圖  6  15-5PH不銹鋼縫隙腐蝕試驗(yàn)后的形貌

Figure  6.  Morphology of 15-5PH stainless steel after crevice corrosion test before (a) and after (b) acid pickling

2.3   應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

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(duì)15-5PH不銹鋼的力學(xué)行為沒有顯著影響[12]。 

圖  7  15-5PH不銹鋼的慢拉伸應(yīng)力-位移曲線

Figure  7.  Stress-displacement curves of 15-5PH stainless steel with slow strain tension

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(zhǎng)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(yàn)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。 

圖  8  15-5PH不銹鋼在不同環(huán)境中經(jīng)慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)后的斷口微觀形貌

Figure  8.  Microstructure of 15-5PH stainless steel after slow strain tension in blank (a, b) and sea water (c, d) enrironment

2.4   疲勞腐蝕試驗(yàn)

經(jīng)過106次的疲勞腐蝕試驗(yàn),所有參與測(cè)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(yàn)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(gè)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(dòng),說明試樣的力學(xué)性能沒有受到試驗(yàn)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]。 

圖  9  15-5PH疲勞試樣的有效彈性模量變化

Figure  9.  Change of effective elastic modulus of 15-5PH stainless steel fatigue specimens

2.5   電偶腐蝕試驗(yàn)

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(yàn)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]。 

圖  10  15-5PH不銹鋼經(jīng)15 d電偶腐蝕試驗(yàn)前后的表面宏觀形貌

Figure  10.  Galvanic corrosion morphology of 15-5PH stainless steel before (a) and after (b) galvanic corrosion for 15 d

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(shì),可以看出電流整體較小,但電流和電位都有一定的波動(dòng)性。 

圖  11  15-5PH不銹鋼與鈦合金耦合電流和電位

Figure  11.  Coupling potential (a) and current (b) between 15-5PH stainless steel and titanium alloy

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(shí)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(cè)試網(wǎng)