1Cr11Ni2W2MoV鋼制壓氣機葉片彩虹斑點故障分析

唐恩軍 晁國濤 王軼

摘要：通過對lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機葉片清洗后發生表面彩虹斑點故障的形貌、化學成分及其分布的研究，確定了鋼制壓氣機葉片彩虹斑點故障原因，并針對性地制定了預防措施

關鍵詞：不銹鋼;葉片;腐蝕;故障分析

1 故障基本情況

某工廠在對lCrllN12W2MoV鋼制壓氣機葉片進行除滲鋁層、超聲波和熱水清洗后，發現部分葉片表面出現帶彩虹膜的“斑點”，典型故障見圖1。彩虹斑點故障在葉片葉盆、葉背及榫頭位置均有分布，彩虹斑點具有由內向外呈褐色、黃色、藍色和褐色的高溫變色特征，故障點位置中心均存在微坑現象。

2 故障模擬

根據零件修理流程，針對可能發生的異常情況進行討論，得出以下兩類可能原因：一是燒傷，可能造成燒傷的原因為設備漏電燒傷和外來飛濺物燒傷;二是腐蝕，可能造成腐蝕的原因為超聲波溶液腐蝕葉片、殘余滲鋁層在清洗液中被腐蝕、除滲鋁層后的酸洗過程發生腐蝕、熱水清洗過程中發生點蝕。

2.1 燒傷模擬試驗

采用電火花燒傷的方法進行模擬試驗，電燒傷模擬件故障點由內向外呈褐色、黃色、藍色和褐色的高溫變色特征，見圖2。

2.2 腐蝕模擬試驗

1）加熱自來水浸泡試驗

選用6件報廢葉片去除滲鋁層后在82℃的自來水中浸泡30min，有1件出現與故障件類似的現象，外觀形貌如圖3所示。

2）加熱純水浸泡試驗

以lCrllNi2W2MoV制作試樣，進行滲鋁和除滲鋁層后，置于85℃的超純水中浸泡12 0min以上，浸泡過程中自然冷卻，觀察試樣表面，均未發生變色。

3）含氯離子的熱水浸泡試驗

以lCrllNi2W2MoV制作試樣，放置于超純水中，加入0.5 g/L氯離子，加熱至85℃浸泡50min后，觀察到試樣表面均發生輕微變色，體式鏡觀察發現變色中心存在輕微腐蝕，見圖4。

以lCrllNi2W2MoV制作試樣，進行滲鋁和除滲鋁層后，置于85℃含0.5 g/L氯離子的水中浸泡50min后，觀察試樣表面均發生變色，且中心位置存在腐蝕跡象，見圖5。

在自來水中加入lg/L氯離子，選用6件報廢葉片去除滲鋁層后在75℃下浸泡30min，6件葉片中有1件出現了與故障件外觀形貌完全相同的現象。將加入lg/L氯離子的自來水溫度升到85℃，將其余5件葉片放入水中繼續浸泡，5min后開始出現大量肉眼可見的腐蝕點，隨著時間的增加腐蝕點逐步增多、增大，30min后5件葉片全部出現了與故障件外觀形貌完全相同的現象。故障點由內向外呈褐色、黃色、藍色和褐色的高溫變色特征，變色位置中心均存在微坑現象，見圖6、圖7、圖8。

以lCrllNi2W2MoV（與葉片基體相同牌號）制作新試樣，置于85℃以上的自來水中，水中加入lg/L氯離子，浸泡50mm，觀察試樣表面均發生了嚴重變色，體式鏡觀察變色中心位置存在腐蝕坑，如圖9、圖10所示。

3 試驗分析

3.1 微觀形貌分析

1）故障件微觀形貌

在電鏡下觀察，故障點中心存在微坑，微坑尺寸約0.1～0.16mm，微坑表面未見明顯的附著物，微坑周圍有明顯堆積物，見圖11。

2）燒傷模擬件微觀形貌

采用掃描電鏡對燒傷模擬件故障點進行觀察，其微觀形貌如圖12。

從圖12可以看出，燒傷模擬件坑口呈圓形，坑底平坦，坑底和坑口有重熔層。這主要是因燒傷坑材料局部受熱超過金屬熔點、局部金屬熔融形成的，因此在燒傷點不可避免地存在重熔層。同時由于金屬材料在受熱時在各方向上熱擴散速度基本相同，因此坑口形狀規則、坑底平坦。

3）腐蝕模擬件微觀形貌

采用掃描電鏡對腐蝕模擬件故障點進行觀察，其微觀形貌如圖13。

從圖13可以看出，腐蝕模擬件故障點坑口形狀不規則、坑底凹凸不平，腐蝕坑周圍有腐蝕產物附著。

3.2 化學成分分析

1）故障件故障點化學成分分析

通過對微坑坑底、坑口、坑外側、坑外側遠端彩虹膜以及正常區域等位置進行X射線能譜分析發現，與零件基體材料相比，故障點的S、0元素含量顯著升高，在從坑底向坑外側的方向上，Cr、S、0元素含量隨距離的增加逐步下降，Fe元素含量隨著距離的增加逐步升高。

坑底化學成分分析結果見表1。與基體材料相比，故障點新增加了S元素，Cr元素含量顯著升高，Fe元素含量大幅下降。

坑口化學成分分析結果見表2。與基體材料相比，坑口新增加了S元素，Cr元素含量顯著升高，Fe元素含量大幅下降。與坑底相比，Cr元素含量下降，Fe元素含量升高。

坑外側化學成分分析結果見表3。與基體材料相比，坑外側新增加了S元素，Cr元素和Fe元素含量無明顯變化。

從坑底至外側的化學成分分析結果見圖14、圖15。從圖中可以看出，從坑底至外側的方向上，Cr、S、0元素的含量隨著距離的增加逐步下降，Fe元素含量隨著距離的增加逐步升高，直至各元素含量與基體金屬相同。

2）腐蝕模擬件故障點化學成分分析

采用X射線能譜儀對加熱自來水腐蝕模擬件坑底、坑口和坑外側進行掃描分析，其結果見表4。

采用X射線能譜儀對加入氯離子的腐蝕模擬件坑底、坑口和坑外側進行掃描分析，其結果見表5、表6。

從表4、表5、表6可以看出，與基體材料相比，腐蝕模擬件故障點新增加了S元素，0元素含量顯著升高，同時在從坑底向坑外側的方向上，Cr、S、0元素含量隨著距離的增加逐步下降，Fe元素含量隨著距離的增加逐步升高。這主要是因為金屬材料lCrllNi2W2MoV為馬氏體不銹鋼，在Cl作用下發生點蝕[1]。在腐蝕過程中，由于Cr元素的化學穩定性比Fe元素高，Fe元素優先溶解為Fe2+，因此腐蝕中心與基體金屬相比，Fe元素含量顯著降低，0元素含量顯著升高，在此共同作用下導致Cr元素含量顯著升高。在形成穩定蝕孔初期，F e2+不斷從點蝕中心向四周擴散，在水溶中生成Fe（OH）2、Fe（OH）3，進一步脫水生成Fe203、Fe304，根據與點蝕中心距離的不同，生成Fe203、Fe304的比例也不同，因此在蝕點周圍形成彩虹膜[2]，隨著距離的增加Fe元素參加反應的程度降低[3]，Fe元素含量隨之升高，0元素含量隨之下降，在其作用下Cr元素含量亦下降。

3）燒傷模擬件故障點化學成分分析

采用X射線能譜儀對燒傷模擬件坑底、坑口和坑外側進行掃描分析，其結果見表7、表8。

從表7、表8可以看出，與基體材料相比，燒傷模擬件坑底0元素含量明顯升高，Cr元素含量略有升高，Fe元素含量略有降低，從坑底向坑外側的方向上各元素含量基本沒有變化。這主要是因為零件燒傷過程中，在高溫作用下，Cr、Fe元素氧化形成金屬氧化物，進而導致燒傷模擬件故障點0元素含量明顯升高，燒傷的中心點溫度高使得氧化反應程度也高，因此燒傷模擬件坑底0元素含量明顯升高;由于Cr元素在空氣中的穩定性比Fe元素高，因此燒傷點Fe元素參與氧化反應的程度更高，因此導致燒傷模擬件坑底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，導致Cr元素含量升高。在燒傷點外側，隨著距離的增加，溫度逐漸降低，因此基體金屬氧化反應的程度越來越低[4]，金屬元素含量與基體金屬相比沒有明顯變化，0元素含量逐步下降。

4 結論

lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機葉片在進行除滲鋁層、超聲波和熱水清洗后發生的彩虹膜“斑點”故障，其宏觀形貌、微觀形貌以及化學成分分布與腐蝕模擬件故障點特征高度吻合，由此判定本次葉片故障為葉片在熱水清洗過程中發生的點蝕。

1）引發lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機葉片點蝕的主要誘因為CI和溫度，葉片在較高溫度的純水中不會發生點蝕。隨著水中Cl含量的上升，腐蝕傾向增加;在含有Cl的熱水中，隨著溫度的升高腐蝕傾向及腐蝕速度明顯增加。模擬試驗證明，當水中Cl含量達到lg/L且溫度達到85℃以上時，點蝕故障重現概率基本達到100%。

2）在日常工作中應重視自來水中Cl含量的穩定性。當自來水中Cl-含量達到點蝕I臨界點并在滿足適當溫度的條件下即可引發lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機葉片點蝕。

3） lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機葉片在無保護層的情況下應避免在較高溫度的自來水中長時間浸泡。

參考文獻

[1]朱祖芳.有色金屬的耐腐蝕性及其應用[M].北京：化學工業出版社，1995.

[2]蔣志國、王輝煌.CI和H2S對不銹鋼電化學行為的協同影響[J].材料保護，2017，50（2）：74—77.

[3]劉文慧等.304L（D）雙牌號不銹鋼的點蝕行為研究[J].材料保護，2017，50（2）：83～86.

[4]肖紀美.不銹鋼的金屬學問題[M].北京：冶金工業出版社，1983.