美海军鱼雷铝合金燃料舱壳体腐蚀与防护进展

梁志君1, 刘 津2, 吴始栋3, 单志雄2, 李春雨2



美海军鱼雷铝合金燃料舱壳体腐蚀与防护进展

梁志君, 刘 津, 吴始栋, 单志雄, 李春雨

(1. 海军装备部驻东风仪表厂军代表室, 陕西西安, 710065; 2. 中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西 西安, 710075; 3. 洛阳船舶材料研究所, 河南洛阳, 471039)

针对美海军鱼雷铝合金壳体在海水与燃料混合环境中产生的腐蚀问题, 分析了腐蚀机理, 并分别采用阳极氧化与缓蚀剂方法进行防护。对受到腐蚀的壳体, 采用先进的激光熔覆修复方法, 克服了熔焊产生的变形和热影响区大的缺陷, 既不损伤金属基体性能, 也提高了修复质量。

鱼雷; 铝合金; 燃料舱壳体; 腐蚀防护; 修复

0 引言

鱼雷是潜艇和水面舰艇使用的重要攻击武器, 由于其价格昂贵, 因此, 对鱼雷壳体维护的意义十分重大。美国海军相当重视鱼雷壳体维护工作, 采用阳极氧化处理和涂料保护相结合, 在海水、海水-燃料混合物中加入缓蚀剂以减少乃至消除腐蚀, 达到很好的效果; 对腐蚀和磨蚀的表面, 采用先进激光熔覆修复方法, 可以使鱼雷恢复原来尺寸和性能, 较熔焊焊补成本明显降低。本文着重介绍美海军对铝合金燃料舱壳体的防护和修复工作的现状及取得的经济效益。

1 铝合金燃料舱壳体腐蚀机理

1.1 腐蚀现象

美海军鱼雷壳体通常采用7XXX系列铝合金材料, 其中燃料舱壳体采用7175-T74铝合金材料, 通常采用阳极氧化的方法进行防腐处理。在部队演习中发现, 许多经过阳极氧化处理的燃料舱壳体仅在6次演习后就发生了严重的局部腐蚀现象。

为了查明壳体腐蚀原因, 采用失重法和电化学方法对7XXX系列铝合金材料在海水与奥托燃料混合液共同作用下的腐蚀情况进行试验。

将7175-T74铝合金试样(化学成分见表1)分别浸泡在海水以及海水与奥托燃料混合液中, 腐蚀介质温度分别为24℃和60℃, 试验时间30天。通过失重法测试其腐蚀速率, 试验数据见表2。

表1 7175-T74铝合金锻件化学成分(%)

表2 不同腐蚀介质中的腐蚀速率

从表2可以看出, 测得的7175-T74铝合金试样在2种温度的海水中腐蚀速率为中等速率, 在海水与奥托燃料混合液中的腐蚀现象非常严重: 在24℃条件下, 混合液中的腐蚀速率是海水中的5倍左右; 在60℃条件下则是相应速率的2个数量级, 试样的80%受到腐蚀。

试验过程中发现, 经过浸泡的液体(腐蚀介质)其PH值发生了变化, 变化情况见表3(海水原始PH值为8.2)。

表3 浸泡的腐蚀介质

在部队训练过程中, 虽然试验后对操雷燃料舱进行了清洗, 但燃料舱内仍不可避免地残留少量海水。在重新加入燃料后, 残留的少量海水被大量奥托燃料包围, 海水与奥托燃料反应, 产生了腐蚀环境, 这样, 燃料舱壳体表面阳极氧化层在海水和奥托燃料的混合物中就会不断被腐蚀。

通过试验得出7XXX系列铝合金燃料舱壳体腐蚀机理如下。

1) 经过实航的操雷燃料舱壳体内, 清洗后仍残留少量海水;

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2 铝合金燃料舱壳体防护方法

目前美海军采取的防护方法有2种: 阳极氧化处理与涂层涂料保护相结合的方法和添加缓蚀剂的方法。

2.1 阳极氧化与涂层涂料相结合的方法

美国专利介绍了在铝合金壳体表面制备阳极氧化膜和涂层涂料的方法: 将壳体进行清洗和脱脂及喷砂处理, 使其表面粗糙度达到10.16～17.78 μm, 然后将壳体浸泡在硫酸中, 并施加电流密度为6.98 A/cm的电流, 在壳体表面形成厚度为63.5 μm的阳极氧化膜。接着, 将壳体浸泡在15%的重铬酸钠溶液中大约5 min进行封闭处理, 然后清洗和风干。将壳体加热到147.4 ℃, 用静电将粉状环氧B级树脂喷涂到壳体表面, 产生厚度达119.38 μm 的均匀环氧涂层, 并固化15 min。

通过实航试验表明, 该方法在铝合金壳体表面建立了保护涂层, 该涂层与铝合金基体有很强的附着力, 并具有良好的耐磨性与抗冲击能力。

2.2 添加缓蚀剂的方法

美国专利介绍了在潜艇鱼雷发射管内的海水中加入预定量的缓蚀片剂, 该片剂由NiCl、NaHCO和柠檬酸组成, 这样可以在铝合金壳体表面形成具有缓蚀作用的阳离子膜, 从而使铝合金壳体得到保护。

常规潜艇鱼雷发射管容积大约为4.86 m, 鱼雷体积一般为4.05 m, 此时鱼雷发射管可装载大约0.81 m的海水, 其质量约为261.4 kg, 要求缓蚀剂质量百分浓度为10。由于质量百分浓度为10的缓蚀剂需要0.261 4 g的NiCl, 达到质量百分浓度为10则需要261.4 g的NiCl。考虑到不同型号鱼雷体积会有不同, 所以每片缓蚀剂采用300 g NiCl。将NiCl、NaHCO和柠檬酸按照3:2:1比例混合在一起, 压制成单片。

3 铝合金壳体修复方法——激光熔覆

鱼雷壳体一般采用铝合金材料, 在受到海水腐蚀和一般磨损引起损伤时, 修复受损部位需要大量费用。目前, 通常采用焊接方法修复铝合金壳体(6061-T6和7175-T74), 这种方法的缺点是, 对于非可焊的7175铝合金会产生液体裂缝, 在热影响区产生“软点”, 造成的变形会影响精密加工等问题。而先进的激光熔覆方法具有变形小、对修复后材料性能影响小、基体金属能够产生冶金结合等优点, 而其所需热量仅为常规焊接方法的1/3, 从而克服了熔焊的问题。

美国宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室(Applied Research Laboratory of the Pennsylvania State University, ARL/PSU)高能部已经成功利用激光熔覆技术修复了许多材料, 诸如Inconel、不锈钢、软钢、钛、青铜和其他金属。美国水下作战中心Keyport分部和ARL/PSU高能部合作开发了水下武器部件用激光熔覆技术的ManTech项目。其目的是在实验室验证激光熔覆技术修复铝合金金属损伤的可行性, 以满足修补水下武器部件结构的需要。通过制造技术项目, 在实验室环境中经过小型制备和选择优化参数, 取得了修复部件的经验。水下作战中心Keyport分部开始利用内部投资设备和制造技术项目中武器的资助,配置了生产激光熔覆系统。

至今, 美海军已经用这种方法修理鱼雷壳体、鱼雷发动机缸体、潜艇垂直发射系统导弹发射管以及许多正在研究的航空结构件, 均取得了良好的收益。

4 结束语

MK 48鱼雷7175铝合金燃料舱的腐蚀在海水与燃料混合物条件下比单一海水和单一燃料条件下要严重, 主要原因是, 奥托燃料与海水反应产生, 随后产生, 并进一步还原成NH络合物, 导致壳体腐蚀加速。因此必须研究铝合金燃料舱壳体的保护方法。对于已经腐蚀的壳体, 采用激光熔覆修复方法则是十分经济有效的。

本文介绍了美海军采用的阳极氧化和添加缓蚀剂的壳体防护方法, 以及激光熔覆壳体修复方法, 旨在通过借鉴美海军在鱼雷铝合金壳体腐蚀与防护方面的成功经验, 以提升国内在鱼雷壳体腐蚀防护方面的水平。

[1] Arlen M. Aluminum Alloy Conditioning to Improve the Corrosion Resistance of Torpedo Fuel Tanks[P]. USA: Navy 09-062, 2009.

[2] Cook R. Multimetal Corrosion Control for Otto Fuel Tanks and Engines[P]. USA: NAVY 09-062, 2009.

[3] McIntyre J F, Dow T S. Corrosion Behavior of AA-7175-T74 Exposed to Arficial Seawater and OTTO Fuel[R]. USA: Naval Surface Warfare Center Materials Division Electrochemistry Branch, 1998.

[4] 岳灿甫, 吴始栋. 激光熔覆及其在水中兵器修复上的应用[J]. 鱼雷技术, 2007, 15(1): 1-5. Yue Can-fu, Wu Shi-dong. Laser Cladding and Its Applications to Repairing Underwater Weapons[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(1): 1-5.

(责任编辑: 陈 曦)

Corrosion Protection of Aluminum Alloy Shell of Torpedo Fuel Tank in US Navy

LIANG Zhi-jun, LIU Jin, WU Shi-dong, SHAN Zhi-xiong, LI Chun-yu

(1. Military Representative Office, Naval Armament Department Stationed in Xi′an Dongfeng Instrument Factory, Xi’an 710065, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 3. Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471039, China)

The combined corrosion mechanism of the aluminum alloy shell in both fuel and seawater is introduced for torpedo fuel tank in US Navy. The anodic oxidation method and corrosion inhibitor are used for corrosion protection. For the corrosive shell, the advanced laser cladding renovation method is used to prevent deformation and big heat affected zone caused by fusion welding. The laser cladding renovation method can improve the quality of repair without weakening the performance of metallic matrix.

torpedo; aluminum alloy; fuel tank shell; corrosion protection; renovation

TJ630.3; TG174.42

A

1673-1948(2012)06-0411-03

2012-05-24;

2012-06-15.

梁志君(1972-), 男, 工程师, 主要研究方向为鱼雷总体、制导技术、质量可靠性研究.