发动机磁性检屑器异常表面分析

魏 磊，孙智君，刘 朝

(中航工业西安航空发动机(集团) 有限公司，西安 710021)

0 引言

航空发动机滑油系统的工作状况不仅影响发动机的工作性能和寿命，而且由于滑油系统故障导致飞行事故也屡见不鲜，滑油系统故障监测可迅速确定故障部位及故障严重程度，有利于减少投入，缩短飞机的停飞时间，提高飞机的出勤率［1］。磁性检屑器就是用来监测进入滑油系统中的各类磁性屑末，进而监测出系统中齿轮、轴承和其它部件的磨损或故障，反映出零件的破坏形式，从而有效防止发动机机械故障发生［2］。磁性检屑器常用铝合金或奥氏体不锈钢等抗磁材料制作，其中铝合金件为提高耐蚀性需经阳极化处理，但阳极化膜在腐蚀性较强的环境中，仍然可能产生腐蚀，使得铝材器件使用寿命大幅降低，甚至使用很短时间就完全失效［3-6］。铝合金磁性检屑器腐蚀产物进入滑油系统，一方面污染滑油，可引起其它零件腐蚀;另外硬度较高的腐蚀产物颗粒还可引起其他零件的损伤，易于诱发轴承、齿轮等零件的破坏，直接危害到飞行安全。

某型航空发动机新机交付后在库房中放置半年时间，装机检查时，发现辅助齿轮箱下磁性检屑器表面异常，主要表现在以下几个方面:1)检屑器表面呈现黑色和白色;2)检屑器孔口及内部液体中有大量白色沉淀物质;3)在辅助齿箱回油泵进口处沟槽收集到少量滑油，其中也有大量白色沉淀物质。其中磁性检屑器基体材料为LY11 铝合金，辅助齿轮箱装4050 滑油。

鉴于磁性检屑器的表面异常现象，对表面异常的磁性检屑器进行了形貌和成分分析，并进行了表面异常现象产生原因的调查和模拟试验，分析磁性检屑器表面异常性质及形成原因。

1 试验过程与结果

1.1 宏观观察

磁性检屑器异常表面的宏观形貌如图1 所示，磁性检屑器正常部位的颜色为蓝紫色，而磁性检屑器局部表面呈白色和黑色，部分区域露出基体材料，在检屑器孔口及内部液体中有大量白色沉淀物质。

由磁性检屑器所在部位的齿箱不同部位抽取滑油进行观察，如图2 所示。可见发动机齿箱内不同部位滑油存在明显差异:在辅助齿箱回油泵进口处沟槽收集到的少量滑油有明显的分层现象，且内部存在白色沉淀物(图2a);在辅助齿箱前盖下部和高速齿箱磁检处收集到的滑油清亮，无分层及沉淀现象(图2b、图2c)。

图1 磁性检屑器的宏观形貌Fig.1 Macro appearance of the magnetic chip detector

图2 发动机滑油形貌Fig.2 Morphology of slide oil in the engine

1.2 磁性检屑器异常表面微观观察

采用FEI-Quanta400 型扫描电镜对检屑器异常表面进行微观观察，其表面呈现明显的黑白相间区域，部分表面有白色结晶物粘结，对各区域形貌分别进行观察。露出基体的银白色区域为阶梯组织或凹坑组织特征［7］，放大后呈现蜂窝状表面形貌(图3a、图3b);而局部黑色区域表面呈现泥纹特征，有腐蚀产物覆盖，部分表面有白色结晶状腐蚀产物粘结(图3c、图3d)。

磁性检屑器表面形貌观察结果表明，磁性检屑器表面异常属于腐蚀损伤，白色结晶处为腐蚀产物粘结，黑色表面为腐蚀表面，白色基体为腐蚀产物剥落形成。

1.3 磁性检屑器表面能谱分析

对磁性检屑器异常表面进行能谱分析，能谱分析的区域见图4，区域A 为黑白相间的成分分析区域，区域B 为黑色成分分析区域。成分分析结果见表1。

能谱分析结果表明，磁性检屑器异常区域除了基体LY11 铝合金成分外，异常表面含有较高的Na、O、Mg 等3 种元素，Mg 除部分来源于LY11磁性检屑器外，其余可能来源于辅助齿轮箱(铸镁件)，O 主要来源于腐蚀介质，因此，造成磁性检屑器腐蚀的介质含有Na 元素。

1.4 磁性检屑器白色结晶物化学分析

由磁性检屑器孔口处收集少量的白色结晶物，呈固态颗粒状，通过化学滴定法定性分析白色结晶物，结果表明:白色结晶体中含有Na、Al、Mg和OH－，不含有Cl－，由阴、阳离子判断，说明磁性检屑器腐蚀产物可能为Na、Al 元素形成的盐类物质，以及Al、Mg 元素形成的固态颗粒状不溶于水的碱性物质Al(OH)3、Mg(OH)2的混合物质。

表1 磁性检屑器表面能谱分析结果(质量分数/%)Table 1 Energy spectrum analysis results of the surface of magnetic chip detector (mass fraction/%)

1.5 滑油分析

前述了发动机齿箱内不同部位收集的滑油存在外观形貌的差异，对此就齿箱内不同部位处收集的滑油进行分析。

1)滑油pH 值测定。

对于发动机齿箱内不同部位滑油的pH 值进行测定。测定结果表明，辅助齿箱前盖下部、高速齿箱磁检处收集的滑油进行pH 试纸检测时，pH值试纸不发生浸润，且无pH 值的显示。而在辅助齿箱回油泵进口处(即发生腐蚀的磁检部位)的滑油浸润了pH 试纸，pH 值为8，表明此处收集的滑油中含有水份，且呈现碱性。

2)滑油光谱分析。

首先对滑油进行光谱分析，其结果见表2。

图4 异常表面能谱分析区域Fig.4 Energy spectrum analysis result of the abnormal surface

表2 不同部位处滑油光谱分析结果Table 2 Energy spectrum analysis results of different parts of the engine mg·L －1

通过对发动机齿箱内不同部位滑油的光谱分析结果，以及依据白色结晶物内含有的元素可知，在辅助齿箱回油泵进口处收集的滑油中Na 的含量很高，而且其宏观形态具有明显的分层现象，内部存在白色沉淀物，而在辅助齿箱前盖下部和高速齿箱磁检处收集的滑油中未发现Na，且滑油宏观形态清亮，无分层及沉淀现象。结合1.4 节中反应物及滑油pH 呈碱性判断，进入滑油系统的腐蚀介质可能为元素Na 形成的盐类物质或者Na的碱性物质，它们是造成辅助齿箱回油泵进口处滑油产生分层的主要原因。

3)辅助齿箱回油泵进口处滑油内沉淀物分析。

通过化学滴定法对辅助齿箱回油泵进口处滑油内沉淀物进行定性分析，结果表明白色结晶体中含有Na、Al、Mg 等3 种元素以及CO32－ 和OH－，由阴、阳离子判断，进一步说明滑油内沉淀物与磁性检屑器上的腐蚀产物性质相同，均为Na和Al 形成的盐类物质，及Al 和Mg 形成的碱性物质Al(OH)3、Mg(OH)2等组成的混合物。

2 模拟验证试验

为了进一步查找磁性检屑器异常表面产生的原因，对该零件装配前后经历的工序进行了调查。调查发现发动机试车完成后，放掉滑油，依据“金属材料和零件用水基清洗剂技术条件(HB 5226—1982)”，用APC－Ⅰ型金属零件用水基清洗剂配成为3%的水溶液清洗发动机零件。该清洗剂为碱性，pH 值为8～11.5。为了验证该清洗剂可否造成磁性检屑器表面腐蚀，开展了2 个阶段试验:

1)第1 阶段试验。对APC－Ⅰ型金属零件用水基清洗剂的化学成分进行分析。采用化学滴定法检测该清洗剂，检测结果表明该清洗剂中含有NaOH、Na2CO3等物质，总的碱性按照NaOH 当量计算约为17.5%。这说明该种清洗剂所含物质与磁性检屑器腐蚀产物构成相似。

此外，采用APC－Ⅰ型金属零件用水基清洗剂与滑油进行混合后，静置一段时间后，滑油也产生了分层现象。

2)第2 阶段试验。根据第1 阶段的试验结果，参考实际工况，设计了加速腐蚀试验。用APC－Ⅰ型清洗剂配制成30%浓度的水溶液，加热至沸腾状态下保持，将LY11 铝合金试片以半浸入液体的方式悬挂，部分试片暴露于液面以上加速试验，在沸腾的清洗剂中先后保持3 h 和6 h，以加速试验方式考察其对LY11 铝合金的腐蚀情况。

热腐蚀试验前后铝合金试片形貌见图5。结果表明，铝合金试片在腐蚀一段时间后，未浸入溶液的部分表面出现大量白色结晶物。然后用水冲洗去除掉试片上的白色结晶物后，观察试片表面发现铝合金试片表面上出现了腐蚀迹象。

图5 模拟试验对比Fig.5 Contrastive morphology in the simulation test

对铝合金试片在其热腐蚀前，以及热腐蚀后去除表面结晶物后，进行称重，其结果见表3。

表3 腐蚀前后重量变化Table 3 Change of the weight before and after corrosion g

试验结果表明，试片经过热腐蚀试验后出现氧化增重，说明试片表面生成了铝酸盐或Al(OH)3，引起增重。当腐蚀达到足够厚度时剥落才会形成减重。因此，试样表面结晶物主要为钠盐，当有腐蚀产物剥落后才会形成Na、Al 的盐类及碱性物质Al(OH)3的混合物。

模拟试验结果表明，APC－Ⅰ型金属零件用水基清洗剂为碱性，对于铝合金具有腐蚀性，可生成与磁性检屑器白色结晶物相似的腐蚀产物。据此推断，APC－Ⅰ型金属零件用水基清洗剂具有导致磁性检屑器腐蚀的可能。

3 分析与讨论

磁性检屑器异常表面分析结果表明磁性检屑器表面颜色变化为腐蚀所致，其腐蚀产物为Na、Al 形成的盐类物质，以及Al、Mg 形成的碱性物质Al(OH)3、Mg(OH)2的混合物质。可见造成磁性检屑器腐蚀的物质应属于碱性物质。当金属材料与电解质溶液相互接触时，在固/液相界面上将发生自由电子参加的氧化还原反应，导致接触面处金属转变为金属离子而溶解或生成氢氧化物和氧化物等稳定化合物，该过程为电化学腐蚀［8］。结合腐蚀产物构成看，磁性检屑器应属于电化学腐蚀，腐蚀表面的阶梯组织或凹坑组织特征也表明电化学腐蚀的存在。从磁性检屑器与相关件的接触情况看，其与铸镁壳体、橡胶件和滑油接触，橡胶和滑油绝缘，因此，磁性检屑器的电化学腐蚀既有异种金属接触的作用，也有腐蚀介质在其中分布不均的浓度差异因素的作用。

根据发动机经历工序调查，磁性检屑器唯一接触到腐蚀介质的工序就是APC－Ⅰ型清洗剂清洗零件。模拟验证试验结果表明，APC－Ⅰ型清洗剂含有NaOH、Na2CO3等碱性物质，为碱性水溶液，对LY11 合金有腐蚀作用，而且产生了白色结晶物，腐蚀产物与磁性检屑器腐蚀产物相似。因此，造成磁性检屑器发生腐蚀的介质来源于APC－Ⅰ型金属零件用水基清洗剂。

实际磁性检屑器有深约5 μm 的阳极化膜层，具有一定的防腐蚀能力，但磁性检屑器需要多次装拆，装拆时氧化膜易划伤并露出基体，导致其腐蚀能力下降，一旦接触到APC－Ⅰ型金属零件用水基清洗剂，即会造成腐蚀。

4 预防措施

1)注意磁性检屑器装拆时的操作，尽量避免划伤。

2)在用APC－Ⅰ型水基清洗剂对发动机齿箱内部清洗时，应检查齿箱保护盖是否盖好，避免APC－Ⅰ型水基清洗剂进入到磁性检屑器部位。

3)使用APC－Ⅰ型水基清洗剂对发动机齿箱内部清洗后，应及时用大量水清洗，避免APC－Ⅰ型水基清洗剂残留在齿箱内部。

5 结论

1)磁性检屑器表面异常属于腐蚀所致，白色结晶物为腐蚀产物，主要为Na、Al 形成的盐类及Al(OH)3、Mg(OH)2的混合物。

2)辅助齿箱回油泵进口处收集到的滑油含有碱性水溶液，是导致磁性检屑器腐蚀的主要原因。

3)模拟试验表明，APC－Ⅰ型水基清洗剂对于铝合金具有腐蚀性，反应生成物与磁性检屑器白色结晶物相似。

4)造成磁性检屑器腐蚀介质来源于零件清洗用APC－Ⅰ型水基清洗剂。

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