鹽霧環境下部段對接緊固件耐腐蝕性研究

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(1.北京宇航系統工程研究所，北京 100076；2.航天材料及工藝研究所，北京 100076；3.首都航天機械公司，北京 100076;4.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462)

0 引言

在海洋鹽霧大氣環境中,結構直接暴露在大氣環境中，可能會遭遇高溫、高濕及雨淋等環境條件。高強度連接結構或者承載結構存在應力腐蝕的風險。以往工程研制中主要關注電氣設備的防水防潮[1-3]，由于環境特點，有必要針對高強度承載結構處緊固件開展結構腐蝕防護有效性驗證試驗。本文主要針對部段對接用緊固件的腐蝕試驗情況進行分析，腐蝕試驗分為浸泡試驗和暴露試驗兩部分，以驗證在不同防水措施下的不同材料/表面處理的緊固件耐腐蝕性能。

1 試驗件狀態

試驗件按不同類別狀態(各類材料/各類螺紋直徑/各類表面處理/各類熱處理/有無醇酸清漆)排列組合進行腐蝕試驗，試驗件裝配狀態見圖1，試驗件各類別細分狀態梳理如下：

1)螺栓狀態：

①材料：30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)、Ti-6Al-4V、GH4169、30CrMnSiNi2A這4類螺栓/螺母開展。其中30CrMnSiA為車制工藝螺栓材料，ML30CrMnSiA為鐓制工藝螺栓材料。

②螺紋直徑：30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)分為M8緊固件、M10緊固件，30CrMnSiNi2A分為M10緊固件、M24緊固件，其余材料均為M10緊固件。

③表面處理：30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)的M8螺栓采用鍍鋅并鉻酸鈍化，M10螺栓采用鍍鎘并鉻酸鈍化或 flZnAl12鋅鋁達克羅；Ti-6Al-4V表面處理包括“涂MoS2+十六醇”、“噴涂鋁+十六醇”、“離子鍍鋁+十六醇”。GH4169采用化學鈍化，30CrMnSiNi2A采用鋅鉻涂層或flZnAl12達克羅。

④熱處理：30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)為σb=1200±100Mpa或HRC：32～38。Ti-6Al-4V為σb≥1100Mpa。GH4169為1300≤σb≤1300Mpa，30CrMnSiNi2A為HRC(洛氏硬度)：42～47。

2)螺母狀態：采用直徑及材料相同的標準件。

3)防水密封墊：螺栓、螺母和夾持件間放置防水墊圈，材料為鋁合金材料，該材料具有較高的可塑性、耐蝕性、導電性，適合作為密封墊圈。需要說明的是，所有試驗件狀態均施加了防水密封圈作為基本的防水措施。

4)夾持件：模擬端框采用鋁制材料，并增加表面陽極化。

5)防水涂層：醇酸清漆(未加稀料，采用100%醇酸清漆，顏色略顯淡黃色)，螺栓、螺母的表面安裝前刷涂醇酸清漆，刷涂后靜置24小時后進行裝配。形成組合體且施加力矩后，組合體整體再次刷涂醇酸清漆。

6)緊固件力矩：為提高試驗的載荷覆蓋性，試驗件安裝力矩略大于實際施加力矩，具體為：M8螺栓力矩為20N·m，M10螺栓力矩為35N·m，M24螺栓力矩為230N·m。

2 腐蝕試驗條件

2.1 試驗條件

腐蝕試驗包括真實環境浸泡試驗和發射場真實環境暴露試驗。其中浸泡試驗又包括真實雨水和真實冷凝水兩種狀態，暴露試驗分為冬季和夏季真實環境暴露試驗。其中冷凝水狀態為考慮推進劑加注后，物體表面溫度低于環境露點溫度時，物體外壁將出現的結露現象。

2.1.1 真實環境浸泡試驗條件

1)浸泡溶劑為發射場實際環境條件下的雨水/冷凝水；

2)試驗時保持恒溫35±3℃；

3)試驗件要求完全浸泡在溶劑中；

4)浸泡時間分為5個節點；

5)每天更換雨水/冷凝水溶劑。

2.1.2 真實環境暴露試驗條件

1)暴露時間段分為冬季和夏季試驗；

2)試驗件直接放置在發射場最真實的平臺位置處；

3)試驗件直接暴露在真實的大氣環境中；

4)暴露時間分為3個節點。

圖1 雨水浸泡橫載試驗示意圖Fig.1 Schematic figure of soaking-in-rain test

2.2 試驗水樣成分

試驗水樣共分3批采集，冷凝水、雨水水樣試驗前后分析結果可歸納為：氯離子、硫酸根離子，它們是溶劑中起主要腐蝕作用的離子。氯離子、硫酸根離子濃度與溶劑pH沒有正相關性。試驗前后pH值沒有明顯變化，氯離子和硫酸根離子的濃度有變化，沒有明顯規律，但沒有出現數量級的差異。以某批試驗雨水數據為例，分析結果如表1所示。

表1 水樣成分分析結果Tab.1 Analysis result of rain constituents

2.3 緊固件拉斷力測試

以M10緊固件為例，螺栓、螺母成組拉斷，測試力-位移曲線，拉斷力測試采用10t拉力機，拉斷試驗件工裝見圖2。

圖2 M10緊固件拉斷試驗件工裝Fig.2 M10 fasteners stretching test craft equipment

3 腐蝕試驗結果

以M10的30CrMnSiA浸泡試驗為例，試驗實物照片見圖3。拉斷力測試結果見圖4，并以試驗前試驗件拉斷力的±8%作為區間。不同浸泡時段的試驗件均大于標準拉斷力(63.8kN)，且在±8%的分析區間之內。

(a)無表處，無醇酸清漆

(b)鍍鎘并鉻酸鈍化，無無醇酸清漆

(c)鍍鎘并鉻酸鈍化，并涂無醇酸清漆圖3 30CrMnSiA M10緊固件浸泡試驗后Fig.3 30CrMnSiA M10 after fasteners soaking test

圖4 30CrMnSiA浸泡試驗前后拉斷力對比Fig.4 30CrMnSiA fasteners stretching loads before and after soaking test

在試驗過程中曾發生由于試驗工裝剛度不足，而造成M10鈦合金Ti-6Al-4V緊固件拉斷力偏低的異常現象，具體分析見第4節。工裝更換后，試驗數據恢復正常。

通過開展高強結構緊固件腐蝕試驗，獲取了30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)、GH4169、30CrMnSi-Ni2A和Ti-6Al-4V材料的高強結構緊固件在雨水中浸泡168h和在暴露20d的試驗數據，驗證了不同表面處理措施的抗腐蝕效果，驗證了防護膠對產品的保護效果(所有試驗件均施加了鋁制密封圈作為基本防水措施)。

1)不同表面處理狀態的30CrMnSiA(ML30Cr-MnSiA)、GH4169、30CrMnSiNi2A和Ti-6Al-4V材料的高強結構定力矩緊固件在雨水中浸泡168h和在暴露20d后拉斷力結果均符合許用標準，且試驗前后的拉斷力對比無明顯變化。鋁制密封圈可以有效阻隔鹽霧、雨水、冷凝水對螺栓/螺母承力結構的影響。

2) 30CrMnSiA、ML30CrMnSiA和30CrMn-SiN2A材料本體在雨水環境和大氣環境下的腐蝕傾向性明顯，鍍鋅/鍍鎘并鉻酸鈍化和flZnAl12(鋅鋁達克羅)表面處理可在一定程度上提升緊固件耐蝕性，但仍不能避免點蝕發生，表面涂醇酸清漆處理可以很好地保護緊固件本體。

3) GH4169和Ti-6Al-4V材料本體在海南雨水環境和海南大氣環境下具有較強的耐蝕性。

4 鈦合金拉斷力異常情況分析

腐蝕試驗中曾發生兩種暴露試驗后鈦合金螺釘拉斷力偏低的現象，數值為49.2kN, 51.3kN≤71.65kN(標準規定值)，拉斷曲線見圖5。該現象在工裝更換為強度、剛度較好的工裝后，鈦合金拉斷力恢復正常。

30CrMnSiA相對鈦合金Ti-6Al-4V從拉斷曲線分析，存在明顯的塑性變形區域，在舊工裝存在局部附加彎矩的情況下，能夠通過變形協調更好地緩解應力集中現場。同時，通過有限元分析，在同為舊工裝狀態下，30CrMnSiA螺栓相對鈦合金Ti-6Al-4V螺栓，截面附加彎矩極值更小(為鈦合金的0.85倍)，應變明顯更大，且更加均勻(最大應變為鈦合金的2倍)，應力超過1000Mpa的區域更小，如圖6、圖7所示。新舊工裝具體參數見表2。

表2 工裝及緊固件材料性能參數Tab.2 The material parameters of fasteners and craft equipment

(a)兩件30CrMnSiA拉力-位移曲線(拉斷力均值71kN)

(a)螺栓應力圖

(b) 螺栓應變圖

(a)螺栓應力圖

(b) 螺栓應變圖

該現象結合其他試驗進行分析，100個M10鈦合金Ti-6Al-4V整體對接端框彎矩試驗和局部端框30CrMnSiA單釘軸拉試驗加載示意見圖8。在100個鈦合金Ti-6Al-4V整體端框彎矩試驗中，以及在局部端框30CrMnSiA單釘軸拉試驗中，螺釘拉斷時刻對應的端框軸拉力比例，均在1.35附近，也印證了鈦合金Ti-6Al-4V相對30CrMnSiA對局部彎矩更加敏感的特性。

(a)整體端框彎矩試驗(Ti-6Al-4V)

(b)局部端框軸拉試驗(30CrMnSiA)圖8 端框載荷試驗Fig.8 Frame structure load test

5 結論

通過真實環境浸泡試驗和暴露試驗表明：30CrMnSiA、ML30CrMnSiA和30CrMnSiN2A材料本體在鹽霧環境下的腐蝕傾向性明顯，GH4169和Ti-6Al-4V材料本體在鹽霧環境下有較強的耐蝕性；螺栓/螺母承力結構中施加鋁 1035-O密封圈的試驗狀態下，4類螺栓在腐蝕試驗后承載力均滿足標準規定值，驗證了總裝防水措施的有效性，涂覆醇酸清漆可以進一步避免表面點蝕現象的出現。由于工裝剛度較差且存在局部附加彎矩，試驗中出現了鈦合金Ti-6Al-4V拉斷力偏低現象，對比相同工裝下理論軸拉力相近的30CrMnSiA螺栓的試驗結果，得出了鈦合金Ti-6Al-4V由于材料無明顯屈服延伸段，即材料強度高但缺乏韌性，對局部附加彎矩更加敏感的結論。