发动机气缸体泄漏原因分析

刘德林，胡成江，李 岗，陶春虎，何玉怀，刘 洲

(1.中航工业北京航空材料研究院 航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；2.中航工业成都飞机工业(集团) 有限公司，成都 610092；3.山西平阳重工机械有限责任公司，山西 侯马 043003)

0 引言

1Cr18Ni9Ti 钢属于Cr-Ni 型奥氏体不锈钢，在常温和低温下有良好的塑性、韧性、焊接性、抗蚀性及无磁性，因而广泛应用于石油化工、冶金机械、航空航海等领域［1］。在应用中，应力腐蚀开裂(SCC)是Cr-Ni 型奥氏体不锈钢的常见失效形式，SCC 约占石化企业设备失效事例总数的50%［2］，不锈钢 约占常 见材料SCC 事故的55%［3］。因此，控制Cr-Ni 型奥氏体不锈钢的SCC 是不锈钢和腐蚀领域里十分关注的问题。由于1Cr18Ni9Ti 对Cl－环境介质下的应力腐蚀非常敏感，国内的航空材料体系已将1Cr18Ni9Ti 列为限用材料。然而，某些行业早期产品加上一些形状复杂的产品仍有大量使用1Cr18Ni9Ti 材料，未充分考虑材料的环境适应性问题，故在某种特定环境下仍较易发生应力腐蚀失效。因此，对于1Cr18Ni9Ti 不锈钢零件的应力腐蚀问题，必须掌握其应力腐蚀的特点，结合其生产工艺、使用环境等进行深入分析，才能找到失效的真正原因，并采取相应的措施，保证其安全使用。

发动机气缸体在南海试验时发生泄漏故障，共3 件气缸体发生此类故障。气缸体材料为1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢，为锻坯机加成型。机加前进行2 次550 ℃/2～3 h 的退火处理，机加后再进行1 次550 ℃/2～3 h 的退火处理。本研究对气缸体气道表面形貌、裂纹形态及裂纹断口进行了宏微观观察、能谱成分分析，对气缸体的金相组织及硬度进行了检查。在以上试验结果的基础上，确定了气缸体的裂纹性质为应力腐蚀开裂。针对开裂原因，提出了改进措施。

1 试验结果

1.1 宏观检查

气缸体由气道和水道组成，气道为燃气通道，水道与外界环境连通，使用时海水进入水道，从而对气道起到冷却作用。将气缸体气道沿轴向切开，切割面上可见较多裂纹(图1)，裂纹从气道表面起始，个别裂纹贯穿至水道表面(图1 中箭头所指)，将该裂纹人工打开，断口形貌见图2，断面由裂纹区和人工打断区组成，原始裂纹区呈红棕色，为明显的腐蚀特征，人工打断区呈亮灰色。

图1 裂纹宏观形貌Fig.1 Macro appearance of cracks

1.2 微观观察及能谱分析

1.2.1 气缸体气道表面

采用JSM-5600LV 型扫描电镜对气缸体气道表面进行微观观察，发现均覆盖较厚的一层腐蚀产物，局部可见腐蚀坑，腐蚀产物呈典型的“泥纹花样”形貌(图3)。

对气道表面的腐蚀产物进行能谱成分分析，结果见表1，腐蚀产物含Cl、S、Na、K 等外来元素。

图2 断口宏观形貌Fig.2 Macro appearance of fracture surface

图3 气道表面微观形貌Fig.3 Micro appearance of surface of gas channel

1.2.2 气缸体裂纹断口

气缸体裂纹断口裂纹区内侧(靠近气道)覆盖较厚的一层腐蚀产物(图4a)，由内侧至外侧，腐蚀产物逐渐减少。断面腐蚀较轻的区域均可见类解理断裂特征，类解理面上可见滑移线(图4b)。人工打断区呈韧窝形貌(图5)。

对断口不同部位的腐蚀产物进行能谱成分分析，结果见表2。可见，由断口内侧至外侧，Cl、S元素含量逐渐减少。

1.3 裂纹截面形貌及显微组织观察

在气缸体上截取裂纹截面试样，磨抛腐蚀后用OLYMPUS PME3 型金相显微镜进行观察。气道表面可见腐蚀坑，裂纹分叉明显，呈穿晶扩展(图6)。

表1 气道表面的腐蚀产物成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of corrosion products on surface of gas channel (mass fraction/%)

图4 裂纹区微观形貌Fig.4 Micro appearance of crack zone

图5 人工打断区的韧窝形貌Fig.5 Dimples of artificial fracture surface

表2 断口的腐蚀产物能谱分析结果(质量分数/%)Table 2 Chemical composition of corrosion products of fracture surface (mass fraction/%)

气缸体的显微组织存在黑色条纹状铁素体(图7)。具有两相组织的金相试样，采用复合试剂溶液浸蚀时，由于腐蚀作用强烈，以致铁素体被腐蚀掉，而成一黑色凹坑，其扫描电镜下的形貌如图8 中箭头所指。

图6 裂纹截面形貌Fig.6 Sectional appearance of crack

图7 气缸体的显微组织Fig.7 Microstructure of block

2 分析与讨论

2.1 裂纹的性质和形成原因

发动机气缸体气道表面均存在腐蚀凹坑，且覆盖较厚的一层腐蚀产物;裂纹从气道表面起始，向水道方向扩展，裂纹末端呈明显的分叉特征;由气道至水道，裂纹面上的腐蚀产物逐渐减少，腐蚀性元素Cl、S 含量逐渐减少;裂纹主要呈穿晶扩展，表现为类解理特征，奥氏体不锈钢在Cl-介质中主要是穿晶断裂。由以上特征可知，两气缸体的裂纹性质相同，均为应力腐蚀开裂。

图8 气缸体金相组织的SEM 形貌Fig.8 SEM microstructure of block

零件发生应力腐蚀开裂需具备3 个条件［4-5］:1)必须存在拉应力。拉应力愈大，则断裂所需的时间愈短。断裂所需应力，一般都低于材料的屈服强度。2)材料具有应力腐蚀敏感性。3)存在特定的腐蚀介质。只有某些金属-介质的组合，才会发生应力腐蚀开裂。由于气缸体在试验过程中从气道至水道存在一定的温度梯度，试验完毕在零件内部必然存在一定的残余应力，具备发生应力腐蚀开裂的第一个条件。

金相检查结果表明，气缸体材料内部存在较多的条状铁素体。在18-8 型奥氏体不锈钢中出现铁素体有其不利的一面，即因为铁素体与奥氏体的电位不同，所以它的腐蚀倾向较大［6］。另外，从气缸体的热处理工艺来看，气缸体在550 ℃进行了3 次退火处理，该温度处于1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢晶间腐蚀的敏感温度区间(500～800℃)，目前，对于航空用1Cr18Ni9Ti 零件，推荐采用的退火温度为400～450 ℃;因此，气缸体材料内部存在较多的铁素体以及在晶界腐蚀敏感温度区间进行退火处理，使得其具有较强的应力腐蚀倾向，因而具备发生应力腐蚀开裂的第二个条件。对于奥氏体不锈钢材料，在敏化温度范围热处理后或长期在该温度下服役，材料具有晶间腐蚀敏感性，但应力腐蚀裂纹通常呈穿晶扩展，断口表现为类解理特征，这可能与存在应力这一因素有关，具体机理有待进一步研究。

不同金属材料都有特定的应力腐蚀敏感介质［7］，1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢对特定的活性介质Cl-非常敏感。由能谱成分分析结果可知，气缸体气道表面的Cl 含量最高达到2.61%，因此，具备发生应力腐蚀开裂的第三个条件。发动机气缸体裂纹之所以起源于气道表面，其原因在于，当发动机工作不稳定以及在熄火后，海水均会进入气道，由于气道表面温度较高，当海水蒸发后，Cl-在沉积在气道表面，且难以清理掉，导致Cl-浓度高，而水道表面的Cl-浓度则很低;因此，气缸体裂纹起源于气道表面。

综上所述，发动机气缸体的裂纹性质为应力腐蚀开裂。由于气道表面残留高浓度的Cl-以及材料具有较高的应力腐蚀敏感性，使得气缸体在残余应力作用下发生应力腐蚀开裂。

2.2 改进措施

要解决发动机气缸体的应力腐蚀问题，有以下3 点办法:

1)在气道、水道表面增加表面防护涂层，隔绝应力腐蚀敏感介质Cl-与1Cr18Ni9Ti 的接触。但考虑到结构复杂因素，在孔内制备涂层工艺很难实现，即使能够实现也很难保证涂层的防护质量。

2)加强清洗。及时清洗气缸体表面的Cl-，尽量减少Cl-的残留。

3)建议对材质状态、腐蚀介质对气缸体应力腐蚀的影响规律进行进一步研究，必要时建议更换材料。这主要是因为，1Cr18Ni9Ti 属奥氏体不锈钢，工艺性好，性能稳定，但该材料对Cl-离子存在下的应力腐蚀非常敏感。在国外，1Cr18Ni9Ti 的产量很低，已由00Cr18Ni10 及0Cr18Ni10 所代替。国内的航空材料体系已将1Cr18Ni9Ti 列为限用材料。俄罗斯同类发动机气缸体采用1Cr18Ni9Ti 这种材料，这是由于俄罗斯的环境温度低，海水中的Cl-浓度也远远低于国内的南海环境。因此，在俄罗斯国内发生应力腐蚀的概率相对低得多。而且，该气缸体在中国北方试验时气缸体未出现过应力腐蚀的现象也说明了这一点。另外，俄罗斯通过热处理调整，使1Cr18Ni9Ti 不锈钢的强度比标准值降低了100 MPa 左右，以降低应力腐蚀敏感性。在某型飞机研制时，国外飞机上的许多材料被替代，其中最主要的是对南海环境敏感的结构钢、不锈钢和铝合金，由此说明设计选材时需充分考虑材料的环境适应性问题［8］。若更换材料，建议采用高温合金制造发动机气缸体，高温合金的强度及耐温性能均高于1Cr18Ni9Ti，且具有良好的耐蚀性，故只需在选材时考虑机加性能和焊接性能即可。若不更换材料，建议尽量减少铁素体的含量，并将退火温度改为400～450 ℃，以降低材料强度提高材料的抗应力腐蚀性能。

3 结论

1)气缸体的裂纹性质为应力腐蚀开裂。

2)由于气道表面残留高浓度的Cl-以及材料具有较高的应力腐蚀敏感性，使得气缸体在残余应力作用下发生应力腐蚀开裂。

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