GH901高温合金在典型海洋大气环境中的腐蚀行为

王琳，郁大照，于向财，胡家林

GH901高温合金在典型海洋大气环境中的腐蚀行为

王琳，郁大照，于向财，胡家林

（海军航空大学 航空基础学院，山东 烟台 264001）

研究南沙岛礁典型海洋大气环境对GH901高温合金腐蚀行为的影响。在南沙美济礁典型环境中开展GH901高温合金大气暴露试验，利用金相显微镜分析GH901高温合金在我国南沙美济礁典型环境中的腐蚀特征，定期测试该材料的拉伸强度，分析样品的外观和微观形貌。自然暴露1 a，GH901高温合金拉伸试样基体表面尚未发生明显的腐蚀现象，在575 ℃高温力学测试条件下的抗拉强度、断后伸长略有波动，其高温力学性能并未在短期自然暴露中随试验时间的延长而明显变化。GH901高温合金拉伸试样在岛礁大气环境短期暴露下具有良好的耐蚀性，在575 ℃温度条件下具有良好的力学性能稳定性。

GH901高温合金；大气腐蚀；南沙岛礁大气环境

南海地区严酷的自然环境对金属材料的使用带来了严峻的挑战。目前对于金属腐蚀的研究常采用自然环境试验的方法，它可以直观地反映金属材料使用的实际情况，因而在研究大气腐蚀中得到了广泛的应用[1-9]。学者们对金属材料在自然环境试验腐蚀进行了大量的研究。Subramanian等[10]对热带海洋大气环境中3004系列铝和铜的电化腐蚀行为进行了研究。骆晨等[11]对第三代铝锂合金2297-T87在6个自然环境试验站户外暴露后的腐蚀质量损失、腐蚀速率、腐蚀深度、拉伸性能进行了分析，综合评价了各地区大气腐蚀性。朱玉琴等[12]从宏微观腐蚀形貌、静态力学性能、断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率方面研究了TC18钛合金在海洋大气环境下暴露6 a的腐蚀行为。赵全成等[13]研究了湿热海洋、干热沙漠2种典型大气环境对7A85铝合金腐蚀行为的影响。唐庆云等[14]研究了可伐合金4J29在热带岛礁环境下的腐蚀行为，发现腐蚀机理主要是合金中的金属元素发生电化学反应，并生成了金属氧化物，较高的温度和湿度会显著加快腐蚀速度。回丽等[15]采用疲劳试验机、扫描电子显微镜对TC21钛合金在2种腐蚀环境以及室温空气环境下的疲劳进行了研究。方晓祖等[16]通过海南万宁试验站7 a的环境试验，积累了7A52铝合金1～7 a的海洋大气环境暴露试验数据，总结了7A52铝合金海洋大气环境试验腐蚀规律，拟合了海洋大气腐蚀质量损失曲线，开展了室内加速试验和相关性分析工作。

本文的研究对象为GH901高温合金，是以Fe-43Ni-12Cr为基，加入钛、铝及钼等强化元素的奥氏体型失效硬化合金，并含有微量的硼和较低的碳，以亚稳的γ'[Ni3(Ti,Al)]相弥散强化。微量的铝可抑制γ'相向η-Ni3Ti相的转化，合金在650 ℃以下具有较高的屈服强度和耐持久强度，760 ℃以下抗氧化性良好，长期使用组织稳定。该合金是早期发展较成熟的合金，广泛用于制造在650 ℃以下工作的航空及地面燃气涡轮发动机的转动盘形件（涡轮盘、氩气机盘、轴颈等）、静结构、涡轮外环紧固件等零部件。目前有学者报道了关于GH901高温合金性能的研究工作[17-21]，但并未涉及在海洋大气环境中的腐蚀行为。由于装备发展提出了全天候、多地域的服役要求，研究GH901高温合金在我国典型自然大气环境下的腐蚀性能变得非常迫切。本文以GH901高温合金为研究对象，通过在具有南沙岛礁大气环境特征的美济礁开展自然环境试验，研究了该合金在典型海洋大气环境中的腐蚀行为（大气腐蚀性能），研究结果可为该合金在航空航天装备中的工程应用提供一定的参考价值。

1 试验

1.1 试样

GH901高温合金试样材料的化学组分见表1。试验用GH901高温合金试样的热处理工艺为：固溶(1 090±10) ℃，保温2～3 h，水冷或油冷；时效处理(775±5) ℃，保温4 h；空冷700～720 ℃，保温24 h；空冷。

表1 GH901高温合金化学组分（质量指数）

Tab.1 Chemical composition of GH901 superalloy (mass fraction) %

GH901高温合金拉伸试样共3组，每组2件，标称规格为1=180 mm、0=40 mm、0=7 mm，检测拉伸样表面及力学性能，检测周期为3、6、12个月。在实验室环境条件下（温度为20 ℃，相对湿度为70%），检查拉伸试样的标距部位是否出现明显划痕、裂纹等问题。测试并记录每一拉伸试样初始的标距长度0、标距段直径0以及试样总长度1等尺寸，见表2。

1.2 环境条件

为分析南沙岛礁环境条件对GH901高温合金腐蚀及其力学性能的影响，选取的自然环境试验场所为美济礁试验站。美济礁试验站的气候为热带海洋性季风气候，根据该试验站的气象记录，得到该岛礁的温湿度、降雨量和氯离子沉积速率的变化趋势，分别如图1—3所示。

表2 GH901高温合金试样初始尺寸

Tab.2 Initial size of GH901 superalloy specimen

1.3 试验方法

本文采用的自然环境试验方法参照GJB8893.2—2017《军用装备自然环境试验方法第2部分：户外大气自然环境试验》执行。在美济礁暴露场投放试验样品，户外暴露试验总周期为1 a。定期检测和记录GH901高温合金试验样品的外观腐蚀情况和力学性能变化。美济礁暴露场试验环境见图4，试验样品的投放照片见图5。

图1 温湿度变化趋势

图2 降雨量变化趋势

图3 氯离子沉积速率变化趋势

试样的性能评定方法如下：

1）外观检查。采用目测或10×放大镜，观测不同自然环境试验周期后GH901高温合金的表面腐蚀形貌和腐蚀程度等。

图4 美济礁试验站暴露场

图5 试验样品投放

2）力学性能测试。每个试验周期后，采用MTS Landmark 370疲劳试验机，参考GB/T 228.2—2015《金属材料拉伸试验 第2部分：高温试验方法》对试验后的GH901高温合金试样进行高温力学性能测试，测试温度为575 ℃，应变速率为0.003 min‒1。测试并记录GH901高温合金试样的抗拉强度和断后伸长率，测试过程如图6所示。

图6 拉伸试验过程

2 试验结果及分析

2.1 表观性能

在试验1、3、6、9、12个月后，分别对试样的外观进行检查，并对外观变化进行拍照记录，合金试样的外观变化情况如图7所示。

图7 合金试样的外观变化

从外观检测结果可以看出，随着自然暴露试验时间的增加，GH901高温合金试样表面仅有少量灰层和杂质等附着，擦拭掉表面的附着物后，未发现其合金基体表面有明显腐蚀现象。一方面，自然环境试验时间相对较短，虽然南海岛礁的温湿度、降水和氯离子沉降等环境因素较为恶劣，但1 a的暴露试验时间尚未对GH901高温合金表面造成明显的腐蚀影响；另一方面，表明GH901高温合金本身在较短时间的自然环境试验中具有良好的耐蚀性。

2.2 力学性能

在每个试验周期后对试样的抗拉强度、断后伸长率进行测试分析，温度为575 ℃，试验应力比=0.1，试验波形为方波，试验峰值保载时间为30 s，应变速率为0.003 min‒1，试验应力水平分别为700、800 MPa。GH901高温合金试样的疲劳断裂见图8，力学性能检测结果见表3。

从测试数据可以看出，不同暴露时间后的试样在575 ℃高温力学测试条件下的抗拉强度、断后伸长率略有波动，随试验时间的延长，其高温力学性能整体变化不明显。造成高温测试条件下的测试数据波动的主要原因是不同周期试验样品的个体差异。利用扫描电子显微镜（SEM）对样品的断口进行分析，微观形貌如图9和图10所示。

图8 疲劳断裂的试样

表3 力学性能检测结果

Tab.3 Test results of mechanical properties

图10 575 ℃-800 MPa下样品的断口形貌

样品的低周疲劳断口均是由裂纹萌生、裂纹扩展和裂纹失稳扩展直至瞬时断裂这3个阶段构成。在图9和图10中，样品疲劳断口的宏观形貌均较为粗糙，裂纹均萌生于样品的表面处或次表面的疏松处，在所有试验条件下，裂纹扩展区的微观形貌均为准解理扩展形貌，在裂纹的瞬断区均呈现韧窝断裂形貌。

3 结论

1）GH901高温合金拉伸试件在美济礁户外暴露1 a后，未发现明显的腐蚀现象，表明该合金短期内（1 a）在南海岛礁海洋大气环境中具有良好的耐蚀性。

2）户外暴露试件在575 ℃条件下的力学性能（抗拉强度、断后伸长率）变化不明显，表明短期内（1 a）南海岛礁海洋大气环境尚未对GH901高温合金的高温力学性能造成显著影响。

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Corrosion Behavior of GH901 Superalloy in Typical Marine Atmospheric Environment

WANG Lin, YU Da-zhao, YU Xiang-cai, HU Jia-lin

(School of Basic Sciences for Aviation, Naval Aviation University, Shandong Yantai 264001, China)

The work aims to studythe effect of typical marine atmospheric environment in Nansha Islands on corrosion behavior of GH901 superalloy. The atmospheric exposure test of GH901 superalloy was carried out in a typical environment of Mischief Reef in Nansha and the corrosion characteristics of GH901 superalloy were analyzed by metallographic microscope. The tensile strength of the material was tested periodically and the appearance and morphology of the specimen were analyzed. After one year of atmospheric exposure, there was no obvious corrosion on the matrix surface of GH901 superalloy tensile specimen. The tensile strength and elongation at break fluctuated slightly under the condition of high temperature mechanical test at 575 ℃, but the mechanical properties at high temperature did not change obviously with the extension of test time in short-term natural exposure. GH901 superalloy tensile specimen has good corrosion resistance and good mechanical property stability at 575 ℃ after short-term island atmospheric exposure.

GH901 superalloy; atmospheric corrosion; atmospheric environment of Nansha Islands

TG172

A

1672-9242(2023)01-0052-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.008

2021–11–09；

2021-11-09；

2022–02–18

2022-02-18

王琳（1980—），男，硕士，讲师，主要研究方向为飞机的腐蚀防护与控制。

WANG Lin (1980-), Male, Master, Lecturer, Research focus: corrosion protection and control of aircraft.

王琳, 郁大照, 于向财, 等. GH901高温合金在典型海洋大气环境中的腐蚀行为[J]. 装备环境工程, 2023, 20(1): 052-058.

WANG Lin, YU Da-zhao, YU Xiang-cai, et al.Corrosion Behavior of GH901 Superalloy in Typical Marine Atmospheric Environment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 052-058.

责任编辑：刘世忠