美海軍魚雷鋁合金燃料艙殼體腐蝕與防護進展

梁志君1, 劉 津2, 吳始棟3, 單志雄2, 李春雨2

?

美海軍魚雷鋁合金燃料艙殼體腐蝕與防護進展

梁志君, 劉 津, 吳始棟, 單志雄, 李春雨

(1. 海軍裝備部駐東風儀表廠軍代表室, 陜西西安, 710065; 2. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西 西安, 710075; 3. 洛陽船舶材料研究所, 河南洛陽, 471039)

針對美海軍魚雷鋁合金殼體在海水與燃料混合環境中產生的腐蝕問題, 分析了腐蝕機理, 并分別采用陽極氧化與緩蝕劑方法進行防護。對受到腐蝕的殼體, 采用先進的激光熔覆修復方法, 克服了熔焊產生的變形和熱影響區大的缺陷, 既不損傷金屬基體性能, 也提高了修復質量。

魚雷; 鋁合金; 燃料艙殼體; 腐蝕防護; 修復

0 引言

魚雷是潛艇和水面艦艇使用的重要攻擊武器, 由于其價格昂貴, 因此, 對魚雷殼體維護的意義十分重大。美國海軍相當重視魚雷殼體維護工作, 采用陽極氧化處理和涂料保護相結合, 在海水、海水-燃料混合物中加入緩蝕劑以減少乃至消除腐蝕, 達到很好的效果; 對腐蝕和磨蝕的表面, 采用先進激光熔覆修復方法, 可以使魚雷恢復原來尺寸和性能, 較熔焊焊補成本明顯降低。本文著重介紹美海軍對鋁合金燃料艙殼體的防護和修復工作的現狀及取得的經濟效益。

1 鋁合金燃料艙殼體腐蝕機理

1.1 腐蝕現象

美海軍魚雷殼體通常采用7XXX系列鋁合金材料, 其中燃料艙殼體采用7175-T74鋁合金材料, 通常采用陽極氧化的方法進行防腐處理。在部隊演習中發現, 許多經過陽極氧化處理的燃料艙殼體僅在6次演習后就發生了嚴重的局部腐蝕現象。

為了查明殼體腐蝕原因, 采用失重法和電化學方法對7XXX系列鋁合金材料在海水與奧托燃料混合液共同作用下的腐蝕情況進行試驗。

將7175-T74鋁合金試樣(化學成分見表1)分別浸泡在海水以及海水與奧托燃料混合液中, 腐蝕介質溫度分別為24℃和60℃, 試驗時間30天。通過失重法測試其腐蝕速率, 試驗數據見表2。

表1 7175-T74鋁合金鍛件化學成分(%)

表2 不同腐蝕介質中的腐蝕速率

從表2可以看出, 測得的7175-T74鋁合金試樣在2種溫度的海水中腐蝕速率為中等速率, 在海水與奧托燃料混合液中的腐蝕現象非常嚴重: 在24℃條件下, 混合液中的腐蝕速率是海水中的5倍左右; 在60℃條件下則是相應速率的2個數量級, 試樣的80%受到腐蝕。

試驗過程中發現, 經過浸泡的液體(腐蝕介質)其PH值發生了變化, 變化情況見表3(海水原始PH值為8.2)。

表3 浸泡的腐蝕介質

在部隊訓練過程中, 雖然試驗后對操雷燃料艙進行了清洗, 但燃料艙內仍不可避免地殘留少量海水。在重新加入燃料后, 殘留的少量海水被大量奧托燃料包圍, 海水與奧托燃料反應, 產生了腐蝕環境, 這樣, 燃料艙殼體表面陽極氧化層在海水和奧托燃料的混合物中就會不斷被腐蝕。

通過試驗得出7XXX系列鋁合金燃料艙殼體腐蝕機理如下。

1) 經過實航的操雷燃料艙殼體內, 清洗后仍殘留少量海水;

由于水蚤心跳速度較快，學生在計數水蚤心率時經常出現少數或者多數。且大多數學校數碼顯微鏡臺數較少，僅供教師使用。筆者通過購置迷你自制家用攝像頭，將攝像鏡頭安裝在顯微鏡目鏡上，且與學校IPad同步使用完成自制簡易攝像顯微鏡的安裝。這樣不僅可幫助學生在IPad上清晰觀察到水蚤心臟跳動，還可將視頻錄制下來，幫助學生課后進一步確定水蚤心跳次數。

2 鋁合金燃料艙殼體防護方法

目前美海軍采取的防護方法有2種: 陽極氧化處理與涂層涂料保護相結合的方法和添加緩蝕劑的方法。

2.1 陽極氧化與涂層涂料相結合的方法

美國專利介紹了在鋁合金殼體表面制備陽極氧化膜和涂層涂料的方法: 將殼體進行清洗和脫脂及噴砂處理, 使其表面粗糙度達到10.16～17.78 μm, 然后將殼體浸泡在硫酸中, 并施加電流密度為6.98 A/cm的電流, 在殼體表面形成厚度為63.5 μm的陽極氧化膜。接著, 將殼體浸泡在15%的重鉻酸鈉溶液中大約5 min進行封閉處理, 然后清洗和風干。將殼體加熱到147.4 ℃, 用靜電將粉狀環氧B級樹脂噴涂到殼體表面, 產生厚度達119.38 μm 的均勻環氧涂層, 并固化15 min。

通過實航試驗表明, 該方法在鋁合金殼體表面建立了保護涂層, 該涂層與鋁合金基體有很強的附著力, 并具有良好的耐磨性與抗沖擊能力。

2.2 添加緩蝕劑的方法

美國專利介紹了在潛艇魚雷發射管內的海水中加入預定量的緩蝕片劑, 該片劑由NiCl、NaHCO和檸檬酸組成, 這樣可以在鋁合金殼體表面形成具有緩蝕作用的陽離子膜, 從而使鋁合金殼體得到保護。

常規潛艇魚雷發射管容積大約為4.86 m, 魚雷體積一般為4.05 m, 此時魚雷發射管可裝載大約0.81 m的海水, 其質量約為261.4 kg, 要求緩蝕劑質量百分濃度為10。由于質量百分濃度為10的緩蝕劑需要0.261 4 g的NiCl, 達到質量百分濃度為10則需要261.4 g的NiCl。考慮到不同型號魚雷體積會有不同, 所以每片緩蝕劑采用300 g NiCl。將NiCl、NaHCO和檸檬酸按照3:2:1比例混合在一起, 壓制成單片。

3 鋁合金殼體修復方法——激光熔覆

魚雷殼體一般采用鋁合金材料, 在受到海水腐蝕和一般磨損引起損傷時, 修復受損部位需要大量費用。目前, 通常采用焊接方法修復鋁合金殼體(6061-T6和7175-T74), 這種方法的缺點是, 對于非可焊的7175鋁合金會產生液體裂縫, 在熱影響區產生“軟點”, 造成的變形會影響精密加工等問題。而先進的激光熔覆方法具有變形小、對修復后材料性能影響小、基體金屬能夠產生冶金結合等優點, 而其所需熱量僅為常規焊接方法的1/3, 從而克服了熔焊的問題。

美國賓夕法尼亞州立大學應用研究實驗室(Applied Research Laboratory of the Pennsylvania State University, ARL/PSU)高能部已經成功利用激光熔覆技術修復了許多材料, 諸如Inconel、不銹鋼、軟鋼、鈦、青銅和其他金屬。美國水下作戰中心Keyport分部和ARL/PSU高能部合作開發了水下武器部件用激光熔覆技術的ManTech項目。其目的是在實驗室驗證激光熔覆技術修復鋁合金金屬損傷的可行性, 以滿足修補水下武器部件結構的需要。通過制造技術項目, 在實驗室環境中經過小型制備和選擇優化參數, 取得了修復部件的經驗。水下作戰中心Keyport分部開始利用內部投資設備和制造技術項目中武器的資助,配置了生產激光熔覆系統。

至今, 美海軍已經用這種方法修理魚雷殼體、魚雷發動機缸體、潛艇垂直發射系統導彈發射管以及許多正在研究的航空結構件, 均取得了良好的收益。

4 結束語

MK 48魚雷7175鋁合金燃料艙的腐蝕在海水與燃料混合物條件下比單一海水和單一燃料條件下要嚴重, 主要原因是, 奧托燃料與海水反應產生, 隨后產生, 并進一步還原成NH絡合物, 導致殼體腐蝕加速。因此必須研究鋁合金燃料艙殼體的保護方法。對于已經腐蝕的殼體, 采用激光熔覆修復方法則是十分經濟有效的。

本文介紹了美海軍采用的陽極氧化和添加緩蝕劑的殼體防護方法, 以及激光熔覆殼體修復方法, 旨在通過借鑒美海軍在魚雷鋁合金殼體腐蝕與防護方面的成功經驗, 以提升國內在魚雷殼體腐蝕防護方面的水平。

[1] Arlen M. Aluminum Alloy Conditioning to Improve the Corrosion Resistance of Torpedo Fuel Tanks[P]. USA: Navy 09-062, 2009.

[2] Cook R. Multimetal Corrosion Control for Otto Fuel Tanks and Engines[P]. USA: NAVY 09-062, 2009.

[3] McIntyre J F, Dow T S. Corrosion Behavior of AA-7175-T74 Exposed to Arficial Seawater and OTTO Fuel[R]. USA: Naval Surface Warfare Center Materials Division Electrochemistry Branch, 1998.

[4] 岳燦甫, 吳始棟. 激光熔覆及其在水中兵器修復上的應用[J]. 魚雷技術, 2007, 15(1): 1-5. Yue Can-fu, Wu Shi-dong. Laser Cladding and Its Applications to Repairing Underwater Weapons[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(1): 1-5.

(責任編輯: 陳 曦)

Corrosion Protection of Aluminum Alloy Shell of Torpedo Fuel Tank in US Navy

LIANG Zhi-jun, LIU Jin, WU Shi-dong, SHAN Zhi-xiong, LI Chun-yu

(1. Military Representative Office, Naval Armament Department Stationed in Xi′an Dongfeng Instrument Factory, Xi’an 710065, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 3. Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471039, China)

The combined corrosion mechanism of the aluminum alloy shell in both fuel and seawater is introduced for torpedo fuel tank in US Navy. The anodic oxidation method and corrosion inhibitor are used for corrosion protection. For the corrosive shell, the advanced laser cladding renovation method is used to prevent deformation and big heat affected zone caused by fusion welding. The laser cladding renovation method can improve the quality of repair without weakening the performance of metallic matrix.

torpedo; aluminum alloy; fuel tank shell; corrosion protection; renovation

TJ630.3; TG174.42

A

1673-1948(2012)06-0411-03

2012-05-24;

2012-06-15.

梁志君(1972-), 男, 工程師, 主要研究方向為魚雷總體、制導技術、質量可靠性研究.