海上飞机发动机叶片的腐蚀失效与防护层 论文导读：发动机叶片的腐蚀十分严重表面施加耐腐蚀防护层只 是其中一个环节关键词：海上型飞机，发动机叶片，腐蚀失效， 防护层 前言 腐蚀是飞机发动机压气机和涡轮转子及静子叶 片主要的表面失效形式表面腐蚀的发生会使叶片的形状尺寸产生 变化，如出现蚀点、蚀沟、掉块等，从而降低发动机性能和使用寿 命海上飞机因为长期在盐雾腐蚀介质下飞行和停放，发动机叶片 的腐蚀十分严重，尤其是一些设计使用环境为北方内陆地区的老旧 机种这些机种在研制和生产时都没有考虑和采用沿海地区使用的 各项防腐措施因此在北方内陆地区使用时几乎不存在腐蚀，但在 南方沿海使用时，压气机叶片和涡轮叶片腐蚀、断裂导致发动机损 坏就成为多发性故障，一些腐蚀严重的机种在返厂翻修时甚至出现 压气机叶片几乎需要全部更换的情况对于涡轮叶片，由于目前还 没有普遍采用先进的表面技术进行表面防护，在海盐、硫和高温的 综合作用下发生热腐蚀，造成叶片表面金属氧化加速、氧化皮成片 脱落甚至叶片断裂，也成为近些年来海航发动机主体结构的多发性 故障和危险性故障之一 1 海洋大气环境因素对发动机叶片腐 蚀的影响 相较于陆基飞机，海上飞机发动机叶片的腐蚀失效具 有多发性和严重性，这和海上飞机发动机的工作及停放环境为海洋 大气紧密相关。
对于压气机叶片，因为长时间处于空气湿度大、温 度高、盐雾重的环境里，海洋大气中的含盐粒子沉积在压气机叶片 表面，产生吸湿潮解作用，使金属表面液膜的电导增大，加上氯离 子本身具有很强的侵蚀性，因而加剧压气机叶片的电化学腐蚀同 时一些工业发达的沿海地区，大气中还含有 SO2、Cl2、CO2、CO 和氮氧化物等污染物这些污染物的存在进一步加剧金属的电化学 腐蚀，其中以 SO2 的影响为最大而 NH4+、NO2 含量高则容易使 铝合金叶片产生剥蚀 用耐热合金制成的涡轮叶片不会发生电 化学腐蚀，但在发动机工作时会产生热腐蚀以及高温氧化海洋大 气环境对涡轮叶片腐蚀的影响主要表现在热腐蚀上，即高温下 NaCl 等海盐粒子与含硫的气态介质作用，生成熔盐，附着在叶片表面， 破坏叶片表面氧化层，使内层金属的氧化速度加快实验证明，工 作气氛中盐份里的钠能提高氧化物离子的活度，生成挥发性氯化氢， 加速叶片表面氧化层的破裂 2 发动机叶片在海洋大气环境中 的耐蚀性及腐蚀失效形式 压气机叶片的常用制造材料有铝合金、 不锈钢和钛合金，其中钛合金耐海洋腐蚀性最好硬铝 （LY2，AlCuMg 系合金）和锻铝 （LD2、LD6、LD7、LD7-1，AlMgSiCu 系合金）在海洋大气中的耐蚀性相对较差，容易发生点蚀、晶间腐蚀、剥蚀等。
不锈钢叶片容易形成点蚀和晶间腐蚀此外，由于工 作叶片在发动机工作时要承受很大的拉应力和振动应力，会产生应 力腐蚀和腐蚀疲劳用耐热合金制成的涡轮叶片一般不会发生电化 学腐蚀，但在工作时会发生热腐蚀 2.1 点蚀 点蚀具有很大 的破坏性和隐患性，它使叶片更容易发生晶间腐蚀、剥蚀、应力腐 蚀和腐蚀疲劳，点蚀会成为这些局部腐蚀的起源铝合金和不锈钢 在海洋大气中都会发生点蚀两种材料表面都有保护膜或钝化膜， 当钝化膜表面存在裂缝、擦伤、夹杂等缺陷时，就很容易形成点蚀 当叶片表面液膜中的氯离子含量增大时，点蚀速率也会加大 几种铝合金在海洋大气中的点蚀倾向稍有不同实验表明，防锈铝、 锻铝在海洋大气中的抗点蚀能力好于硬铝不锈钢产生点蚀的具体 形态除了蚀孔还有坑蚀、麻点、蚀沟等等 2.2 晶间腐蚀 晶 间腐蚀一般从表面开始，沿着晶界向内部发展直至成为溃疡性腐蚀， 最后使整个构件的金属强度几乎全部丧失，对结构的安全危害很大 晶间腐蚀的产生必须具备两个条件：一是晶界物质的物理化学状态 与晶粒不同，另一个是特定的环境因素如潮湿大气、电解质溶液等 不锈钢和铝合金叶片在海洋大气中都会发生晶间腐蚀如 18-8 钢在 晶界析出沉淀相（Cr23C6），使晶界附近为贫铬区；硬铝合金沿晶 界析出 CuCI2 造成贫铜区，使晶界和晶粒成为腐蚀微电池的阳极和 阴极，海洋大气的潮湿和含盐特性加剧了微电池的腐蚀过程。
2.3 剥蚀 剥蚀是形变铝合金的一种特殊腐蚀类型硬铝和防锈铝 对剥蚀都很敏感，这是因为这两种合金在海洋大气中都有较大的晶 间腐蚀倾向在材料经过形变制成叶片时，叶片表层具有了平行表 面的层状晶粒组织如果发生晶间腐蚀，形成的不溶性腐蚀产物比 产生它们所消耗的金属占据更大的体积，形成张应力，就会导致尚 未腐蚀的金属开裂或剥落 2.4 应力腐蚀 应力腐蚀是由拉伸 应力和腐蚀共同作用引起的破坏应力腐蚀的产生必须同时具备三 个条件，即特定环境、足够大的拉伸应力、特定的合金成分和组织 铝合金、不锈钢在海洋环境中都有较大的应力腐蚀敏感性 发 动机叶片上作用的拉伸应力来源可能为：①机加工时产生的残余应 力；②工作时作用的拉应力；③由于腐蚀产物的体积效应而造成的 不均匀应力科技论文 改善材质、设法降低或消除应力、表 面施加保护涂层使叶片与环境隔离，或使用对环境不敏感的金属作 为镀层，采用这些措施可以有效防止应力腐蚀断裂 2.5 腐蚀疲 劳 腐蚀疲劳是腐蚀与循环应力联合作用产生的循环应力的形 式较多，对发动机转子叶片来说，循环应力以交变的张应力和压应 力（振动应力）最为普遍腐蚀疲劳可以使叶片在很低的应力条件 下发生破断，因此对发动机工作叶片的危害极大，尤其是铝合金和不锈钢转子叶片。
介质因素是影响腐蚀疲劳的因素之一研究 表明：随卤族离子浓度增加，介质溶液腐蚀性增加，腐蚀疲劳裂纹 的形成和扩展也加速所以在海洋大气环境中，叶片材料尤其是低 温的压气机的疲劳极限都会有不同程度的下降 采用阴极保护 或施加合适的覆盖层，改善金属表面性能如表面引入压应力都可以 改善金属的腐蚀疲劳性能2.6 热腐蚀和高温氧化 热腐蚀是金属 表面由于氧化以及与硫化物或其它污染物（氯化物等）反应的复合 效应形成 Na2SO4 熔盐，沉积在叶片表面，使金属表面正常的保护 性氧化物熔解、离散和破坏，造成高温下叶片的氧化加速引起发 动机涡轮叶片热腐蚀的因素是发动机含硫的气态工作成分和海盐粒 子目前，随着飞机在海洋环境下飞行时间轮入口温度的增加，涡 轮叶片热腐蚀的问题也更加突出，因此采取热腐蚀防护措施也尤其 必要 3 压气机叶片的防护涂层 叶片的腐蚀控制是一个系 统工作，包含材料和结构设计、机加工、表面防腐处理、发动机使 用维修等多个方面内容表面施加耐腐蚀防护层只是其中一个环节 在腐蚀介质和使用停放环境相对不变的条件下，这也是最有效的措 施之一防护层的防腐机理有电化学防护和障碍性防护两种电化 学防护包括牺牲阳极保护和外加电流阴极保护，相对而言，牺牲阳 极保护比阴极保护的适用性更好一些。
障碍性防护是采用物理、化 学或电化学的方法，在叶片表面沉积、涂覆单层或多层防护层，或 使叶片表面的化学成分、组织结构发生改变，生成结构致密的保护 层，隔绝基体与盐雾介质的接触在具体应用中，以采用二者合一 的复合防护层为最佳，如钢叶片的防腐而铝由于在海洋环境中的 腐蚀电位较低，一般可以用作钢铁的牺牲阳极，但铝合金本身的腐 蚀防护以障碍性防护为主 3.1 铝合金叶片的表面防护 目前 铝合金表面障碍性防护涂层有很多种类，按成分划分有多孔氧化铝 膜、致密陶瓷层、表面改性合金薄膜、聚合物膜、溶胶凝 胶膜等多种，所应用的表面处理技术包括化学转化、电化学转化以 及一些新的方法应用最普遍的是化学氧化或阳极氧化后涂漆 在铝合金表面生成蜂窝状结构的多孔氧化膜的方法是化学转化和阳 极氧化多孔膜层经填充后可使氧化膜体积膨胀，致使膜孔缩小封 闭，达到提高耐蚀性的目的化学转化是金属表层原子通过化学反 应，与溶液介质中的阴离子或原子结合，在铝合金表面生成与铝基 材附着良好的耐蚀薄膜铝合金的化学氧化工艺按溶液性质分为碱 性氧化和酸性氧化国外广泛应用的 Aloding 氧化或 Alocron 氧化 都属于酸性氧化，其耐蚀性优于一般化学氧化膜。
阳极氧化是用铝 合金作阳极，用铅、碳、不锈钢作阴极，在草酸、硫酸、铬酸等溶 液中电解，生成以无水Al2O3 为主要成分的膜层铝合金的阳极氧化工艺种类很多，目前应用最广泛的是硫酸阳极氧 化此外，在上述工艺基础之上发展起了特种阳极氧化方法如硬质 阳极氧化、瓷质阳极氧化，可以极大提高氧化膜的耐蚀性和耐磨性 科技论文 和多孔氧化膜相比，在铝合金表面生成陶瓷膜的防 护系统的耐蚀性要更好，工艺方法有等离子喷涂加激光重熔、离子 束辅助沉积、化学气相沉积、溅射沉积、微弧氧化（原位生成）等 这些工艺多涉及真空和高温，技术投入很大，目前基本上都处于实 验室研究阶段，得到的膜层结构致密，与基体的结合牢固，耐蚀性 很好，可极大提高铝合金在海洋环境中的耐蚀性，但是这些防护膜 都存在微缺陷（如裂纹、气孔等），目前还不能从工艺上彻底解决 同时因为涂层很薄，生成速度过低，距离大批量生产应用还有一段 距离 3.2 不锈钢叶片的防护层 用于不锈钢表面防腐的涂层 有表面转化膜、合金涂层、陶瓷涂层、金属非金属复合涂 层等 表面转化膜包括表面磷化膜和表面氧化膜，工艺简单， 应用很普遍但两种转化膜的使用温度都有限制（磷化膜低于 150℃，氧化膜温度低于 200℃），因此不适宜发动机叶片的防腐。
合金涂层有 ZnAI 合金防护、AIMg 合金涂层、NiCr 合金涂层以及 AI、NiCr 复合涂层等ZnAI 合金防护、AIMg 合金涂层是 利用 AI、Mg 等元素的化学腐蚀电位比钢铁低，从而形成牺牲阳极 保护而 NiCr 合金涂层可以提高钢表面的电极电位另外目前研究 和应用较多的还有 Ti－TiN、TiMo 合金涂层多次重复实 验的结果表明：低 Mo 的 TiMo 合金涂层在氯离子含量大的 海洋环境中抗蚀能力非常强，比 Ti－TiN 复合涂层好，完全适应海 上工作的需要，并且耐冲刷能力强，可应用在压气机整流器的叶片 上 陶瓷涂层有氧化铝－氧化钛、氧化铬以及搪瓷等，涂层具 有结构致密、防护效果好、表面硬度高、耐冲刷等优点但成本较 高，生产工艺还不是十分完善，距离实际应用目前也有一段距离 金属非金属复合涂层是金属涂层覆盖在钢叶片表面作为牺 牲型阳极，非金属涂层在金属涂层上面，起到隔离作用科技论文 这种体系克服了金属涂层存在微孔的缺点，增强了涂层的耐蚀性 在解决了疏松、抗冲刷能力差等问题后发展起来的各种涂层，已经 在国内外一些发动机上采用，并取得较好的防腐效果如广泛应用 于压气机静子叶片上的 Serdash;Cr、AlSi、AlTi、AlNi、AlP t 共渗层，耐热温度较单纯渗铝层高，但渗层容易与基体产生元素互 扩。
为此在渗铝前先镀铂或铑但铂和铝在某温度范围内易生成脆 性化合物，目前已用钯替代铂严重腐蚀条件下或 1100℃以上时双 元渗层也会受到限制，于是发展了 MCrAlY(M 为 Ni、Co、或 NiCo)合金防护层，其制备方法有真空等离子喷涂、电子束物理气相沉积 （EBPVD）等公认最好的方法是 EBPVD 法使 用证明这是目前用于高温部件的最耐用防护层 在 MCrAlY 合 金防护层的基础上发展了性能最好的陶瓷热障涂层，其底层为 MCrAlY 粘接层，表层为 ZrO2 陶瓷层陶瓷层可显著提高涡轮的工 作温度，并且涂层有较高的表面光洁度，具有较好的抗热循环氧化 性和优异的抗高温燃气冲蚀性及抗热震性能，即使在 1650℃高温下 长期使用，其热稳定性和化学稳定性都很好，使用寿命也更长目 前这一工艺的实际应用已推广到了涡轮静子和转子叶片上陶瓷热 障涂层主要问题是热应力引起涂层提早剥落在涂层材料中加稀土 或其它材料、采用多层和连续梯度结构、优化涂层工艺是改善涂层 质量的方法其中连续梯度涂层能实现基体与陶瓷层成分、性能的 。