10-钝化处理在液体火箭发动机阀门中的应用-程亚威

钝化处理在液体火箭发动机阀门中的应用

程亚威，李小明，张万欣，谢宁

（西安航天动力研究所，西安 710100）

摘要：在某液体火箭发动机的单向阀中，采用铍青铜材料制造的阀芯锈蚀问题成为影响产品性能

和质量的突出问题，通过对表面采用钝化、光亮两种处理方法的阀芯进行专门的抗腐蚀筛选试验，最终确定钝化处理工艺能满足使用要求。

关键词：火箭发动机；单向阀；锈蚀；钝化

Application of Passivatingtreatment to Liquid Rocket Engine Valves

Cheng Yawei Li Xiaoming Zhang Wanxin Xie Ning

(AASPT, XiAn, 710100,China)

Abstract: In a liquid rocket engine using check valve, the corrosion problem of the valve plug made by beryllium bronze is an outstanding issues to affect the product performance and quality. The paper presents two treating methods-passivatingtreatment, brightening-to solve the corrosion problem, and confirms the passivatingtreatment can meet the operation requirements by a screening test.

Keywords: liquid rocket engine; check valve; corrosion; passivatingtreatment

1．前言

铍青铜因其良好的耐磨、耐蚀、高强度、高硬度，在某液体火箭发动机的阀门中大量使用，尤其在有相对运动的摩擦副如阀芯、导向套、衬套等零件上广泛采用。但在实际生产中个别批次零件表面出现发绿、变黑、长毛等锈蚀现象，严重影响产品质量。

单向阀的阀芯（图1）是典型的故障零件，该阀芯采用铍青铜（QBe2 YS/T334-1995）材料。在首批交付中，阀芯表面未出现锈蚀现象，工作性能满足要求，但在随后一批交付中，阀芯在机加完成后待检时零件表面出现黑斑、发绿、长毛的锈蚀现象。对零件表面抛光去除腐蚀痕迹，然而表面状态维持不了一周又出现锈蚀。考虑到产品装配到交付发动机使用，贮存周期长，且阀芯导向面与相配合零件的径向间隙小，如果导向面表面有腐蚀物生成，可能导致阀芯卡死，使单向阀失效，为保证产品质量，必需彻底解决零件表面锈蚀问题，提高阀芯在产品长期存放时的可靠性。

为此进行专项试验，选择对零件表面进行钝化、光亮处理，通过对处理后的零件进行抗腐蚀筛选试验，确定零件最终采用的表面处理方法。

图1 单向阀阀芯

2．表面处理方法及筛选试验

2．1 锈蚀原因

铜的标准电极电位是＋0.34V，本身属耐蚀的钝态，铜及其合金在干燥大气中较稳定，理论上表面稳定是不易发生腐蚀的，因此在设计之初未对阀芯表面提出保护处理要求，首批交付时阀芯表面正常。在第二批阀芯出现锈蚀后了解到，其它曾经使用过该材料的零件在实际使用中也出现过表面

失去光泽、生成绿色或黑色化合物等影响表面质量现象，造成这种现象主要是在潮湿空气或海水浸泡的环境下产生，第二批阀芯生产完待检时正逢天气湿热且待检时间长，而存放在温度和湿度可调节的库房中的第一批阀芯仍正常。分析还认为表面锈蚀除了外界环境因素影响外还与材料自身化学成分有关，因两批阀芯所用材料不同批，具体化学成分略有差别（表1），这种差别对材料的抗拉强度等机械性能没有影响，但可能会对抗腐蚀能力有一定影响。

2． 2 表面处理方法

为使易腐蚀金属零件表面状态稳定，一般在零件加工好后对表面采用专门处理技术，改变金属表面状态，使零件表面状态稳定，提高耐腐蚀性能。对于铜合金经常采用光亮和钝化两种处理技术。

光亮处理是在零件表面生成微小的腐蚀层，使零件表层达到化学整平，提高表面粗糙度，使零件表面变得有光泽。

钝化处理则复杂的多，它是在一定条件下，金属与介质相互接触的界面上发生的一种变化。钝化处理有电化学钝化和化学钝化两种方法，电化学钝化是在阳极极化时，金属的电位发生变化而在电极表面上形成金属氧化物或盐类，这些物质紧密地覆盖在金属表面上成为钝化膜而导致金属钝化，化学钝化则是用氧化剂直接对金属的作用而在表面形成氧化膜。对铍青铜采用铬酐与硫酸的混合液对零件表面进行处理[1]。

铬酐又称三氧化铬（CrO3），是一种重要的铬化合物，属强氧化剂，工业上主要采用硫酸法制备，用无水重铬酸钠与硫酸按（1）式在反应釜内混合后生成。

Na2Cr2O7＋2H2SO4 → 2CrO3＋2NaHSO4＋H2O （1）

铍青铜零件的钝化过程机理如下：

零件表面在铬酐与硫酸的混合液中溶解，主要发生（2）和（3）的反应，其中以（2）为主，（2）式中CrO4来自Cr2O7和H2O反应的产物：

3Cu+2CrO4+16H－＝3Cu2＋＋2Cr3＋＋8H2O （2）

Cu＋H2SO4＝Cu2＋＋SO42－＋H2↑（3）

由于无水重铬酸钠的含量较高，对铜的腐蚀作用较强，随着溶解的进一步发生，铜表面层溶液中的H＋浓度逐渐减少，而OH－浓度相应增高，PH值不断上升，溶液中的Cr＋3和Cu2＋与OH－还可以继续作用生成氧化物或碱式铬酸盐，具体有按（4）反应出的Cr2O3、按（5）反应出的Cr(OH)CrO4、按（6）反应出的Cu2(OH)2CrO4、按（7）反应出的Cu(CrO2)2：

2Cr＋3＋6OH－＝Cr2O3＋3H2O （4）

Cr＋3＋OH－＋CrO4－2＝Cr(OH)CrO4（5）

2Cu＋＋2OH－＋CrO4－2＝Cu2(OH)2CrO4（6）

Cu＋2＋2Cr＋3＋8OH－＝Cu(CrO2)2＋4H2O （7）

生成的氧化物或碱式铬酸盐在零件表面结晶形成钝化膜，其中重铬酸钠是成膜的主要成分[4]。

2．3筛选试验

因光亮处理和钝化处理理论上均能使铍青铜零件表面状态稳定，提高耐蚀性，但最终选定哪种处理方法需通过筛选试验确定。

试验第一阶段：任选9个阀芯，将阀芯表面抛光使其表面无铜锈，然后按以下方法分别处理。

第一组光亮处理。将表面抛光后的3个阀芯在氢氧化钠水溶液中浸泡以松动氧化膜，然后在盐酸水溶液中预腐蚀，最后在硫酸和硝酸混合液中进行光亮处理。

第二组化学钝化处理。将表面抛光后的3个阀芯在稀硫酸溶液中弱腐蚀，然后在铬酐（90g/L）和硫酸（30g/L）混合液中于室温下浸渍。

第三组将表面抛光后的3个阀芯于室温下放置，用于与其它两组试件进行对比。

对表面处理后的9个阀芯在室温下放置10天，10天后观察三组试验件：第一组光亮处理后的阀芯表面局部均有不同程度的变色，并有少量深色小斑点，但整体表面呈酸洗后色泽；第二组钝化处理后的阀芯表面呈钝化后的彩虹色，个别处有小斑点；第三组表面仅抛光的3个阀芯表面有多处腐蚀小