1Cr11Ni2W2MoV钢制压气机叶片彩虹斑点故障分析

唐恩军 晁国涛 王轶

摘要：通过对lCrllNi2W2MoV钢制压气机叶片清洗后发生表面彩虹斑点故障的形貌、化学成分及其分布的研究，确定了钢制压气机叶片彩虹斑点故障原因，并针对性地制定了预防措施

关键词：不锈钢;叶片;腐蚀;故障分析

1 故障基本情况

某工厂在对lCrllN12W2MoV钢制压气机叶片进行除渗铝层、超声波和热水清洗后，发现部分叶片表面出现带彩虹膜的“斑点”，典型故障见图1。彩虹斑点故障在叶片叶盆、叶背及榫头位置均有分布，彩虹斑点具有由内向外呈褐色、黄色、蓝色和褐色的高温变色特征，故障点位置中心均存在微坑现象。

2 故障模拟

根据零件修理流程，针对可能发生的异常情况进行讨论，得出以下两类可能原因：一是烧伤，可能造成烧伤的原因为设备漏电烧伤和外来飞溅物烧伤;二是腐蚀，可能造成腐蚀的原因为超声波溶液腐蚀叶片、残余渗铝层在清洗液中被腐蚀、除渗铝层后的酸洗过程发生腐蚀、热水清洗过程中发生点蚀。

2.1 烧伤模拟试验

采用电火花烧伤的方法进行模拟试验，电烧伤模拟件故障点由内向外呈褐色、黄色、蓝色和褐色的高温变色特征，见图2。

2.2 腐蚀模拟试验

1）加热自来水浸泡试验

选用6件报废叶片去除渗铝层后在82℃的自来水中浸泡30min，有1件出现与故障件类似的现象，外观形貌如图3所示。

2）加热纯水浸泡试验

以lCrllNi2W2MoV制作试样，进行渗铝和除渗铝层后，置于85℃的超纯水中浸泡12 0min以上，浸泡过程中自然冷却，观察试样表面，均未发生变色。

3）含氯离子的热水浸泡试验

以lCrllNi2W2MoV制作试样，放置于超纯水中，加入0.5 g/L氯离子，加热至85℃浸泡50min后，观察到试样表面均发生轻微变色，体式镜观察发现变色中心存在轻微腐蚀，见图4。

以lCrllNi2W2MoV制作试样，进行渗铝和除渗铝层后，置于85℃含0.5 g/L氯离子的水中浸泡50min后，观察试样表面均发生变色，且中心位置存在腐蚀迹象，见图5。

在自来水中加入lg/L氯离子，选用6件报废叶片去除渗铝层后在75℃下浸泡30min，6件叶片中有1件出现了与故障件外观形貌完全相同的现象。将加入lg/L氯离子的自来水温度升到85℃，将其余5件叶片放入水中继续浸泡，5min后开始出现大量肉眼可见的腐蚀点，随着时间的增加腐蚀点逐步增多、增大，30min后5件叶片全部出现了与故障件外观形貌完全相同的现象。故障点由内向外呈褐色、黄色、蓝色和褐色的高温变色特征，变色位置中心均存在微坑现象，见图6、图7、图8。

以lCrllNi2W2MoV（与叶片基体相同牌号）制作新试样，置于85℃以上的自来水中，水中加入lg/L氯离子，浸泡50mm，观察试样表面均发生了严重变色，体式镜观察变色中心位置存在腐蚀坑，如图9、图10所示。

3 试验分析

3.1 微观形貌分析

1）故障件微观形貌

在电镜下观察，故障点中心存在微坑，微坑尺寸约0.1～0.16mm，微坑表面未见明显的附着物，微坑周围有明显堆积物，见图11。

2）烧伤模拟件微观形貌

采用扫描电镜对烧伤模拟件故障点进行观察，其微观形貌如图12。

从图12可以看出，烧伤模拟件坑口呈圆形，坑底平坦，坑底和坑口有重熔层。这主要是因烧伤坑材料局部受热超过金属熔点、局部金属熔融形成的，因此在烧伤点不可避免地存在重熔层。同时由于金属材料在受热时在各方向上热扩散速度基本相同，因此坑口形状规则、坑底平坦。

3）腐蚀模拟件微观形貌

采用扫描电镜对腐蚀模拟件故障点进行观察，其微观形貌如图13。

从图13可以看出，腐蚀模拟件故障点坑口形状不规则、坑底凹凸不平，腐蚀坑周围有腐蚀产物附着。

3.2 化学成分分析

1）故障件故障点化学成分分析

通过对微坑坑底、坑口、坑外侧、坑外侧远端彩虹膜以及正常区域等位置进行X射线能谱分析发现，与零件基体材料相比，故障点的S、0元素含量显著升高，在从坑底向坑外侧的方向上，Cr、S、0元素含量随距离的增加逐步下降，Fe元素含量随着距离的增加逐步升高。

坑底化学成分分析结果见表1。与基体材料相比，故障点新增加了S元素，Cr元素含量显著升高，Fe元素含量大幅下降。

坑口化学成分分析结果见表2。與基体材料相比，坑口新增加了S元素，Cr元素含量显著升高，Fe元素含量大幅下降。与坑底相比，Cr元素含量下降，Fe元素含量升高。

坑外侧化学成分分析结果见表3。与基体材料相比，坑外侧新增加了S元素，Cr元素和Fe元素含量无明显变化。

从坑底至外侧的化学成分分析结果见图14、图15。从图中可以看出，从坑底至外侧的方向上，Cr、S、0元素的含量随着距离的增加逐步下降，Fe元素含量随着距离的增加逐步升高，直至各元素含量与基体金属相同。

2）腐蚀模拟件故障点化学成分分析

采用X射线能谱仪对加热自来水腐蚀模拟件坑底、坑口和坑外侧进行扫描分析，其结果见表4。

采用X射线能谱仪对加入氯离子的腐蚀模拟件坑底、坑口和坑外侧进行扫描分析，其结果见表5、表6。

从表4、表5、表6可以看出，与基体材料相比，腐蚀模拟件故障点新增加了S元素，0元素含量显著升高，同时在从坑底向坑外侧的方向上，Cr、S、0元素含量随着距离的增加逐步下降，Fe元素含量随着距离的增加逐步升高。这主要是因为金属材料lCrllNi2W2MoV为马氏体不锈钢，在Cl作用下发生点蚀[1]。在腐蚀过程中，由于Cr元素的化学稳定性比Fe元素高，Fe元素优先溶解为Fe2+，因此腐蚀中心与基体金属相比，Fe元素含量显著降低，0元素含量显著升高，在此共同作用下导致Cr元素含量显著升高。在形成稳定蚀孔初期，F e2+不断从点蚀中心向四周扩散，在水溶中生成Fe（OH）2、Fe（OH）3，进一步脱水生成Fe203、Fe304，根据与点蚀中心距离的不同，生成Fe203、Fe304的比例也不同，因此在蚀点周围形成彩虹膜[2]，随着距离的增加Fe元素参加反应的程度降低[3]，Fe元素含量随之升高，0元素含量随之下降，在其作用下Cr元素含量亦下降。

3）烧伤模拟件故障点化学成分分析

采用X射线能谱仪对烧伤模拟件坑底、坑口和坑外侧进行扫描分析，其结果见表7、表8。

从表7、表8可以看出，與基体材料相比，烧伤模拟件坑底0元素含量明显升高，Cr元素含量略有升高，Fe元素含量略有降低，从坑底向坑外侧的方向上各元素含量基本没有变化。这主要是因为零件烧伤过程中，在高温作用下，Cr、Fe元素氧化形成金属氧化物，进而导致烧伤模拟件故障点0元素含量明显升高，烧伤的中心点温度高使得氧化反应程度也高，因此烧伤模拟件坑底0元素含量明显升高;由于Cr元素在空气中的稳定性比Fe元素高，因此烧伤点Fe元素参与氧化反应的程度更高，因此导致烧伤模拟件坑底Fe元素含量下降，在0元素含量增加以及Fe元素含量下降的共同作用下，导致Cr元素含量升高。在烧伤点外侧，随着距离的增加，温度逐渐降低，因此基体金属氧化反应的程度越来越低[4]，金属元素含量与基体金属相比没有明显变化，0元素含量逐步下降。

4 结论

lCrllNi2W2MoV钢制压气机叶片在进行除渗铝层、超声波和热水清洗后发生的彩虹膜“斑点”故障，其宏观形貌、微观形貌以及化学成分分布与腐蚀模拟件故障点特征高度吻合，由此判定本次叶片故障为叶片在热水清洗过程中发生的点蚀。

1）引发lCrllNi2W2MoV钢制压气机叶片点蚀的主要诱因为CI和温度，叶片在较高温度的纯水中不会发生点蚀。随着水中Cl含量的上升，腐蚀倾向增加;在含有Cl的热水中，随着温度的升高腐蚀倾向及腐蚀速度明显增加。模拟试验证明，当水中Cl含量达到lg/L且温度达到85℃以上时，点蚀故障重现概率基本达到100%。

2）在日常工作中应重视自来水中Cl含量的稳定性。当自来水中Cl-含量达到点蚀I临界点并在满足适当温度的条件下即可引发lCrllNi2W2MoV钢制压气机叶片点蚀。

3） lCrllNi2W2MoV钢制压气机叶片在无保护层的情况下应避免在较高温度的自来水中长时间浸泡。

参考文献

[1]朱祖芳.有色金属的耐腐蚀性及其应用[M].北京：化学工业出版社，1995.

[2]蒋志国、王辉煌.CI和H2S对不锈钢电化学行为的协同影响[J].材料保护，2017，50（2）：74—77.

[3]刘文慧等.304L（D）双牌号不锈钢的点蚀行为研究[J].材料保护，2017，50（2）：83～86.

[4]肖纪美.不锈钢的金属学问题[M].北京：冶金工业出版社，1983.