航空发动机腐蚀

航空发动机腐蚀

腐蚀是飞机发动机压气机和涡轮转子及静子叶片主要的表面失效形式。表面腐蚀的发生会使叶片的形状尺寸产生变化, 如出现蚀点、蚀沟、掉块等, 从而降低发动机性能和使用寿命。海航飞机因为长期在盐雾腐蚀介质下飞行和停放, 发动机叶片的腐蚀十分严重, 己成为影响发动机性能、寿命、成本和安全的主要问题之一。

海上飞机发动机叶片的腐蚀失效具有多发性和严重性, 这和海上飞机发动机的工作及停放环境为海洋大气紧密相关。对于压气机叶片, 因为长时间处于空气湿度大、温度高、盐雾重的环境里, 海洋大气中的含盐粒子沉积在压气机叶片表面, 产生吸湿潮解作用, 使金属表面液膜的电导增大, 加上氯离子本身具有很强的侵蚀性, 因而加剧压气机叶片的电化学腐蚀。同时一些工业发达的沿海地区, 大气中还含有SO2、Cl2、CO2、CO 和氮氧化物等污染物。这些污染物的存在进一步加剧金属的电化学腐蚀, 其中以SO2 的影响为最大。而NH4+、NO2 含量高则容易使铝合金叶片产生剥蚀。用耐热合金制成的涡轮叶片不会发生电化学腐蚀, 但在发动机工作时会产生热腐蚀以及高温氧化。海洋大气环境对涡轮叶片腐蚀的影响主要表现在热腐蚀上, 即高温下NaCl 等海盐粒子与含硫的气态介质作用, 生成熔盐, 附着在叶片表面, 破坏叶片表面氧化层, 使内层金属的氧化速度加快。

发动机叶片在海洋大气环境中的腐蚀特点：

2.1 点蚀

点蚀具有很大的破坏性和隐患性, 它使叶片更容易发生晶间腐蚀、剥蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳, 点蚀会成为这些局部腐蚀的起源。铝合金和不锈钢在海洋大气中都会发生点蚀。

2.2 晶间腐蚀

晶间腐蚀一般从表面开始, 沿着晶界向内部发展直至成为溃疡性腐蚀, 最后使整个构件的金属强度几乎全部丧失, 对结构的安全危害很大。不锈钢和铝合金叶片在海洋大气中都会发生晶间腐蚀。

2.3 剥蚀

剥蚀是形变铝合金的一种特殊腐蚀类型。硬铝和防锈铝对剥蚀都很敏感, 这是因为这两种合金在海洋大气中都有较大的晶间腐蚀倾向。

2.4 应力腐蚀

应力腐蚀是由拉伸应力和腐蚀共同作用引起的破坏铝合金、不锈钢在海洋环境中都有较大的应力腐蚀敏感性。

2.5 腐蚀疲劳

腐蚀疲劳可以使叶片在很低的应力条件下发生破断, 因此对发动机工作叶片的危害极大, 尤其是铝合金和不锈钢转子叶片。

2.6 热腐蚀和高温氧化

热腐蚀是金属表面由于氧化以及与硫化物或其它污染物( 氯化物等) 反应的复合效应形成Na2SO4 熔盐, 沉积在叶片表面, 使金属表面正常的保护性氧化物熔解、离散和破坏, 造成高温下叶片的氧化加速。引起发动机涡轮叶片热腐蚀的因素是发动机含硫的气态工作成分和海盐粒子。

要从根本上解决航空发动机的腐蚀问题, 关键在于应以海军特殊的使用环境为依据, 设计、制造海军专用的发动机。但实际上, 海军由于存在着机种多、机群小的特点, 单独制造某型发动机并不可行,故在可预计的时间内, 空海军通用的航空发动机依旧是不可避免的现实。

海军用飞机发动机的腐蚀措施：

3.1 铝合金叶片的表面防护

目前铝合金表面障碍性防护涂层有很多种类, 应用最普遍的是化学氧化或阳极氧化后涂漆。化学氧化是金属表层原子通过化学反应, 与溶液介质中的阴离子或原子结合, 在铝合金表面生成与铝基材附着良好的耐蚀薄膜。阳极氧化是用铝合金作阳极, 用铅、碳、不锈钢作阴极, 在草酸、硫酸、铬酸等溶液中电解, 生成以无水γ—Al2O3 为主要成分的膜层。在铝合金表面生成陶瓷膜的防护系统的耐蚀性更好。

3.2 不锈钢叶片的防护层

表面转化膜包括表面磷化膜和表面氧化膜, 工艺简单, 应用很普遍。但两种转化膜的使用温度都有限制( 磷化膜低于150℃, 氧化膜温度低于200℃) , 因此不适宜发动机叶片的防腐。低Mo 的Ti—Mo 合金涂层在氯离子含量大的海洋环境中抗蚀能力非常强, 完全适应海上工作的需要, 并且耐冲刷能力强, 可应用在压气机整流器的叶片上。

陶瓷涂层有氧化铝- 氧化钛、氧化铬以及搪瓷等, 涂层具有结构致

密、防护效果好、表面硬度高、耐冲刷等优点。金属—非金属复合涂层是金属涂层覆盖在钢叶片表面作为牺牲型阳极, 非金属涂层在金属涂层上面, 起到隔离作用。这种体系克服了金属涂层存在微孔的缺点, 增强了涂层的耐蚀性。

4.涡轮叶片的热腐蚀防护层

在涡轮叶片表面施加热障陶瓷涂层是隔绝燃气、防止热腐蚀发生的有效方法。其底层为MCrAlY 粘接层, 表层为ZrO2 陶瓷层。陶瓷层可显著提高涡轮的工作温度, 并且涂层有较高的表面光洁度, 具有较好的抗热循环氧化性和优异的抗高温燃气冲蚀性及抗热震性能, 即使在1650℃高温下长期使用, 其热稳定性和化学稳定性都很好, 使用寿命也更长。陶瓷热障涂层主要问题是热应力引起涂层提早剥落。在涂层材料中加稀土或其它材料、采用多层和连续梯度结构、优化涂层工艺是改善涂层质量的方法。其中连续梯度涂层能实现基体与陶瓷层成分、性能的连续过渡, 能够避免产生热应力