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钛标准件易产生的几种腐蚀及防护方法

发布时间:2020-12-01 06:22:56 浏览次数 :

钛标准件是一种量大面广的通用基础件,包括螺栓、螺钉、螺柱、螺母、自攻螺钉、木螺钉、垫圈、挡圈、销、铆钉、连接副和组合件及其他12大类,广泛用于通用机械、工程机械及国防工业等领域。标准件的品质和可靠性对主机的工作性能和结构安全性起着重要作用,一些重要的连接,可能因为这种失效酿成重大事故。

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某些防蚀措施也会影响零件的性能,例如,常用的电镀标准件可能出现氢脆;较厚的表面涂镀层将影响螺纹的旋合性,也有可能影响连接强度。

钛及钛合金具有高比强度、优良的耐腐蚀性、良好的耐高温性能等,在航空、航天、船舶、地面武器装备等国防工业中得到了广泛应用。钛合金标准件连接件是飞机及地面武器装备上的典型结构件,其失效破坏包括标准件自身的疲劳、连接板材紧固孔处的疲劳及腐蚀疲劳等。一般情况下钛及钛合金表面可生成一层致密的氧化膜,起到防腐蚀的作用,但是在恶劣的环境中或者氧化膜破裂以及发生缝隙腐蚀的情况下,钛合金的耐腐蚀性能将大大降低。在海洋或潮湿环境中,标准件材料都存在不可预见的腐蚀性和由此带来的故障风险,当钛合金与结构钢、铝合金等异种金属接触时,由于电偶腐蚀,常常会加速其他金属及其自身的腐蚀,造成标准件及紧固孔周围产生破裂。因此,必须采取合适的防护措施以保证其环境耐久性满足在实际应用中尤其是国防工业中的安全性要求。以下探讨钛标准件的腐蚀控制技术。

钛标准件腐蚀控制方法与思路

如前所述,钛合金就材料本身而言具有好的耐蚀性。但当钛合金做成几何件(如标准件等)或与其他金属接触或特殊的环境条件下,钛合金自身或对与之偶对的金属的腐蚀就可能发生。

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1、缝隙腐蚀及控制

缝隙腐蚀的主要因素可概括为三个方面,即材料、接触和环境,因而控制这类腐蚀的根本措施也要从这三个方面着手。首先应合理地选择材料,适当地作表面改性与表面涂覆层处理,以降低或消除接触腐蚀的接触因素。在标准件配合的设计上要尽量减少和避免异种材料的接触,必须接触的也要进行隔离处理。隔离处理时要注意保证紧密的配合,尽量避免缝隙的形成。在环境因素方面要避免潮湿、水蒸气、盐雾环境,加强通风,另外还可以通过密封胶或密封漆将标准件与工作环境隔离。

2、电偶腐蚀及控制

1)采用合理的镀层 采用电镀等方法对材料表面进行改性,使相接触的材料具有相近的电位,从而降低金属间的电偶电流,可有效地防止电偶腐蚀。

2)阳极氧化或化学转化处理钛合金阳极氧化后,膜层电阻增大,接触电阻增加,则降低了电偶效应。研究表明,钛合金TC2阳极化可以有效地降低与30CrMnSiA的电偶电流。

当钛合金与其他材料偶对时,钛合金经阳极氧化处理与无阳极化膜的钛合金相比,其电偶腐蚀速度可降低约一个数量级。

3)涂漆或涂胶 涂覆化学覆盖层最好配合涂漆或涂胶,或者二者同时使用,以将接触件绝缘、封闭,从而有效地消除由于接触而造成的电偶腐蚀。用环氧锌黄底漆、双组分密封胶防护,可以有效地防止0Cr13Ni8Mo2A1与LY12和TC4接触时的电偶腐蚀。

3、氢脆的控制

前述所知,钛合金与活性金属结合后表面会产生氢,另外在高温环境下(如在80℃以上时),也会产生氢脆。因此,在选用钛合金材料作标准件时,首先要考虑采用未添加活性金属的钛合金材料,另外尽量避免在高温环境(如80℃以上)中使用。

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4、钛合金标准件间及其与偶对金属间的腐蚀控制

4.1 钛合金标准件之间

钛合金作为标准件应用时,钛螺栓常与钛、结构钢、不锈钢和铝合金材质的螺母等配对使用。钛合金标准件之间的腐蚀控制是指钛合金螺栓与螺母及钛合金螺栓与上述其他金属材料螺母之间的腐蚀控制问题。研究表明,钛合金螺栓进行脉冲阳极化和一般阳极化处理后,与进行脉冲阳极化处理的螺母具有良好的接触相容性,可见这是一种比较好的组合,优于其与不锈钢螺母配对使用;当对螺母连接强度要求不太高、腐蚀条件苛刻性较低时,可考虑使用阳极化LY12螺母与TC16螺栓连接,这从经济上和减轻标准件质量上都是有益的。

4.2 钛合金标准件与被紧固金属之间的腐蚀控制

飞机蒙皮大量采用铝合金材料、地面装备大量使用结构钢及合金材料等,这些承载结构件用材的连接常用标准件来完成,这时标准件与紧固的承载材料之间产生接触。钛合金标准件紧固的金属材料以变形铝合金和高强度结构钢为主。为此,主要分析铝合金与结构钢作为主要承载材料时,与钛合金标准件之间的电偶腐蚀行为及控制方法。

1)与铝合金被紧固材料之间 已经有研究者对带包铝层和去包铝层阳极化LY12两种紧固金属试件的极化行为及与其偶对材料的标准电偶腐蚀试验和组合试样的中性盐雾加速腐蚀试验进了研究,结果表明,带包铝层阳极化铝合金LY12的单独对比试件的耐蚀性要优于去包铝层试件,当它们用钛合金脉冲阳极化螺栓和螺母连接时,由于脉冲阳极化钛合金和阳极化铝合金之间存在非常大的电极电位差,因而它们之间存在严重的电偶腐蚀倾向,带包铝层的试件首先出现腐蚀迹象,但是整个腐蚀周期内,带包铝层的试件耐蚀性优于去包铝层的,即包铝层可以提高阳极化膜层的耐蚀性;采用钛合金镀铝钝化螺栓,配合使用阳极化LY12螺母,从电化学角度来看,镀铝钝化膜和铝合金阳极氧化膜之间的电极电位差很小,具有非常好的电偶相容性,组合试件的盐雾加速试验检验也证实,没有明显的电偶腐蚀发生,接触相容性非常好。因此,钛合金标准件与铝合金紧固材料之间的电偶腐蚀控制可以采取这样的控制方法。

2)与结构钢被紧固材料之间 从钛合金与结构钢偶对的标准电偶腐蚀数据分析知,结构钢与钛合金标准件不能直接接触(结构钢与钛合金裸件的之间的电偶电流为6.165 μm/cm2),因此有必要对它们进行表面改性处理。对结构钢自腐蚀的耐蚀性研究表明,结构钢镀镉钝化的耐蚀性最好,其次为结构钢镀锌钝化。不论自腐蚀还是电偶腐蚀,都比结构钢裸件与钛合金标准件接触时的耐蚀性好。当钛合金标准件与结构钢裸件接触时,不同的钛合金标准件经不同的表面处理后,具有不同的电偶电流,由小到大顺序为:脉冲阳极化<一般阳极化<裸件,因而选择钛合金脉冲阳极化螺栓是相对合理的,但是从组合试件的试验结果知,二者之间的电偶效应比较大,因此,不推荐直接用脉冲阳极化螺栓连接结构钢裸件,可以采用封绝缘胶或加绝缘垫片等方法来降低或消除二者之间的电偶腐蚀。由此可知,控制钛合金标准件与结构钢之间的电偶腐蚀的最佳方案为结构钢进行镀镉钝化处理,钛合金标准件再进行镀铝钝化处理。

此外,还有很多方法可以有效降低钛合金标准件与被紧固材料的电偶腐蚀。如通过使用非导电性垫圈和套筒螺栓形成钛标准件的电绝缘,使用特殊的润滑脂和凝脂也可以绝缘钛标准件;对较易发生反应的结构材料可采用阴极保护;对于结构中的自攻螺钉、螺栓的固定部位及所有异金属材料的连接处,可加防腐蚀隔离层或采用“湿装配”方法装配,然后涂密封胶;对于电偶腐蚀敏感性高的材料,可以通过表面处理或者涂绝缘胶来降低电偶腐蚀的敏感性。如对于钛合金TC2与LY12接触时,可以通过铝合金阳极化(使平均电偶电流降低一个数量级)后与钛合金螺栓接触;对于部分碳钢材料可以通过镀镉磷化与阳极化钛合金TC2的接触方案,这样可以降低二者偶合的电偶电流。

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