中国腐蚀与防护学报, 2023, 43(4): 787-794 DOI: 10.11902/1005.4537.2023.162

中国腐蚀与防护学会杰出青年成就奖论文专栏

海洋环境服役飞机发动机镁合金使用要求和研究方向分析

骆晨,1, 吴雄2, 宋汉强2, 孙志华1, 汤智慧1

1.北京航空材料研究院 中国航空发动机集团航空材料先进腐蚀与防护重点实验室 北京 100095

2.海军研究院 上海 200436

Analysis of Application Requirements and Research Directions of Magnesium Alloys for Aircraft Engines Serving in Marine Environment

LUO Chen,1, WU Xiong2, SONG Hanqiang2, SUN Zhihua1, TANG Zhihui1

1.AECC Key Laboratory on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Materials, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China

2.Naval Research Institute, Shanghai 200436, China

通讯作者: 骆晨,E-mail:chen.luo.23@qq.com,研究方向为航空材料腐蚀与防护、环境试验与观测

收稿日期: 2023-06-01   修回日期: 2023-06-07  

Corresponding authors: LUO Chen, E-mail:chen.luo.23@qq.com

Received: 2023-06-01   Revised: 2023-06-07  

作者简介 About authors

骆晨,男,1984年生,博士,研究员,2011年毕业于英国曼彻斯特大学,获博士学位。现就职于中国航发北京航空材料研究院,研究员,硕士生导师。主要研究方向为航空材料腐蚀与防护、环境试验与观测。负责国家自然科学基金、民机科研、国防技术基础、海装预研项目及型号任务20余项,研究军用飞机关键材料及结构环境试验和性能退化规律,建立环境试验和外场服役腐蚀损伤数据资源,为现役型号防腐改进和新型号选材提供支撑;阐明多种军用关键结构材料的腐蚀损伤机理,建立失效判据,为关键结构日历寿命评定提供依据;突破舰载平台环境监测、飞机结构局部环境监测及多项加速试验技术,建立飞机典型结构使用环境谱、加速试验环境谱及当量关系,为日历寿命评定提供技术手段。兼任中国腐蚀与防护学会理事,中国航空学会青年工作委员会委员,《中国腐蚀与防护学报》等期刊青年编委,中国科协第365次、380次青年科学家论坛执行主席。入选中国科协首届青年人才托举工程。研究成果获国防科技工业三等奖1项,中航工业集团二等奖2项,中国腐蚀与防护学会二等奖1项,发表论文36篇,1篇入选F5000。2023年获得中国腐蚀与防护学会杰出青年成就奖。

摘要

对适航标准、通用规范的分析显示,目前国内外针对镁合金在飞机发动机上的使用要求仅发布了“应尽量少使用镁合金”等指导性的原则,而没有明确地规定镁合金应符合的具体限定条件,特别是海洋环境中必须采用的防护体系。针对飞机发动机用镁合金材料和防护工艺基础腐蚀性能数据不足,无法有效支撑材料、工艺选用和海洋环境适应性评价的现状,建议结合服役过程中镁合金结构遭遇的最严酷腐蚀环境,建立实验室加速实验当量环境谱,开展镁合金典型防护工艺的实验室加速实验及自然环境试验,确定腐蚀防护性能。重点建立防护体系破损镁合金试样腐蚀累积量随时间的变化规律,并与海洋环境服役飞机发动机用铝合金的试验结果进行对比,提出镁合金试验考核评价准则。开展镁合金及异种材料连接结构的实验室加速实验,验证典型结构的环境适应性。

关键词: 镁合金 ; 飞机发动机 ; 限定条件 ; 腐蚀 ; 防护工艺

Abstract

The analysis of airworthiness standards and general specifications shows that only guiding principles such as "use magnesium alloy as little as possible" have been issued at the present for the use of Mg-alloys in airplane engines at home and abroad, but the specific restrictions that should meet, especially the protective schemes that must be adopted in marine environments, are not been clearly specified yet. In view of the insufficient data related with the corrosion performance and protection technology of Mg-alloys for airplane engines, therefore, it is difficult to effectively support the selection of Mg-alloy materials and processes, as well as the assessment of their adaptability to marine environment. In response to the problem, it is suggested to establish an equivalent environmental spectrum for laboratory accelerated testing to facilitate the evaluation of typical Mg-alloy protection processes via laboratory accelerated test, by taking the harshest corrosion environment that Mg-alloy structures may encountered during service fully into account. Meanwhile, natural environmental corrosion testing should be carried out to determine the relevant corrosion protection performance. In addition, it is necessary to acquire how the corrosion degree of Mg-alloy substrate accumulates over time when the protective coating is damaged, then make a comparison with the corrosion performance of Al-alloys in the actual service condition of aircraft engines so that to put forward the evaluation criteria of Mg-alloys. Last but not least, the corrosion performance of the coupling structures of Mg-alloy with dissimilar materials should be assessed via accelerated laboratory tests in order to verify the environmental adaptability of such typical structures.

Keywords: magnesium alloy ; airplane engine ; restriction ; corrosion ; protective process

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本文引用格式

骆晨, 吴雄, 宋汉强, 孙志华, 汤智慧. 海洋环境服役飞机发动机镁合金使用要求和研究方向分析. 中国腐蚀与防护学报[J], 2023, 43(4): 787-794 DOI:10.11902/1005.4537.2023.162

LUO Chen, WU Xiong, SONG Hanqiang, SUN Zhihua, TANG Zhihui. Analysis of Application Requirements and Research Directions of Magnesium Alloys for Aircraft Engines Serving in Marine Environment. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2023, 43(4): 787-794 DOI:10.11902/1005.4537.2023.162

镁合金是目前实际应用的最轻的金属结构材料,密度为1.75~1.86 g/cm3,约为铝的2/3,钢的1/4,与多数工程塑料相当。它具有较好的阻尼特性,吸收冲击和振动的能力较高,适用于制造承受冲击和振动载荷的零部件。镁合金切削加工性能良好,有利于零件的机械加工成形。

轻量化是航空构件的重要发展方向之一。镁合金的应用能带来巨大的减重效益和飞行器战技性能的显著提升。减少相同质量,战斗机带来的燃油费用节省是商用飞机的近10倍,更重要的是其机动性能改善可极大提高其战斗力和生存能力[1,2]。战斗机质量若减轻15%,飞机滑跑距离可缩短15%,航程增加20%,有效载荷提高30%;喷气发动机结构减重1 kg,飞机结构可减重4 kg,升限高度可提高10 m[3]。因此,镁合金在航空领域的应用具有重要意义。

20世纪20年代,镁合金开始应用于航空领域。战争年代武器装备大量战损,使用寿命较短,镁合金耐蚀性差的缺点在当时被掩盖。然而,由于镁合金被发现在潮湿气候环境特别是海洋环境下耐腐蚀性能较低[4],镁合金铸件或铸锭中的氯化物熔剂夹杂可导致镁合金制品耐腐蚀性能大幅度降低,到了20世纪70、80年代,其在航空产品上的应用受到严格限制[5~7]。加上铝合金的迅速发展,镁合金在航空领域的用量大幅度减少。到了20世纪90年代,在材料和腐蚀科学技术发展的推动下,镁及其合金存在的一些问题得到解决[8~11]。其中,微弧氧化[12~14]和在镁合金上制备耐蚀涂层[15]都是有效提高镁合金部件安全服役性能的重要方法。镁合金的研究和应用迎来了第二个高潮,也重新引起了航空工业对使用镁材料的兴趣[16, 17]

本文介绍了镁合金在航空发动机领域的应用现状,结合国内外的适航标准、通用标准规范,分析了镁合金在航空发动机上的使用要求和限定条件,针对国内海洋环境服役飞机发动机镁合金的应用研究提出了建议。

1 镁合金在航空发动机上的应用情况和腐蚀性能

1.1 航空发动机的镁合金应用情况

镁合金强度和弹性模量比铝合金低,但比强度和比刚度较高,在相同重量的构件中采用镁合金可使构件获得更高的刚度。因此,在航空发动机上有时被用于替代铝合金,以减轻结构重量。ZE41镁合金铸件用于制造AE-3007发动机的中介机匣 (装配美国“全球鹰”无人机),WE43镁合金铸件用于制造F-110发动机 (配装美国F-16、F-18战斗机) 的附件机匣,还用于制造F-119发动机的变速箱壳体 (配装美国F-22战斗机)[18]。镁合金在我国部分现役航空发动机的应用情况见表1[19],一般应用于附件机匣、减速器前盖和油雾分离器壳体等部位[20]

表1   现役航空发动机镁合金结构应用情况汇总

Table 1  List of applications of in-service aeroengine magnesium alloy structures

No.ComponentMaterialProtective schemePositionWorking conditionEngine
1Accessory gearbox inlet ductZM5Oxidation + 2 coats of primer + 1 coat of topcoatAccessory transmission componentsAirCertain turboprop engine
2Reducer front coverZM5Protective paintParts inside the airflow channelAirCertain turboprop engine
3Oil mist separator housingZM5Protective paintExternal parts of the engineAirCertain turboprop engine
4Front support housingZM2Strontium yellow composite paintEngine front channelAirCertain turbojet engine
5Auxiliary gearbox housing assemblyZM3Zn3ZrProtective paintEngine exteriorAir, lubricating oilCertain turbofan engine

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镁合金耐蚀性远低于铝合金[21],某型飞机发动机的滑油泵壳体、滑油机匣及其盖、压气机前机匣壳体等均是镁合金构件。据文献[19, 22]报导,该型号飞机有的镁合金部件由于工作过程中滑油流到其表面产生了严重腐蚀。对多年来返厂大修的某发动机统计,发现滑油系统的镁合金壳体、机匣等部件腐蚀严重,报废量很大,占返厂大修量的30%。对每一个腐蚀部件仔细观察发现,腐蚀部件均被油腻污物所覆盖,腐蚀主要是滑油污染而变质产生微生物引起的微生物腐蚀。

1.2 镁合金的腐蚀性能

1.2.1 海洋大气环境暴露试验

在海南万宁自然环境试验站开展ZM5镁合金裸材和微弧氧化试样的海洋大气环境暴露试验,并对0.5~2 a海洋大气环境暴露试验后的试样进行外观检查。由图1的外观腐蚀形貌可知,在暴露0.5 a后,ZM5镁合金裸材试样表面失去金属光泽,形成一层致密的暗灰色的膜层;暴露1 a后,试样表面变化不明显;暴露2 a后,表面出现大量白色斑点。在暴露0.5 a后,ZM5镁合金微弧氧化试样表面发生明显褪色,局部区域出现暗斑。在暴露1 a后,试样表面褪色更加严重,总体上呈灰色。在暴露2 a后,试样表面颜色进一步变化,总体上呈浅白色。

图1

图1   ZM5镁合金裸材试样和微弧氧化试样在万宁站大气暴露后的外观形貌

Fig.1   Morphologyies of ZM5 magnesium alloy bare (a-d) and micro-arc oxidation (e-h) specimens after exposure in Wanning station: (a, e) original specimen, (b, f) 0.5 a, (c, g) 1 a, (d, h) 2 a


1.2.2 实验室盐雾实验

图2为ZM5镁合金裸材试样在5% (质量分数) NaCl溶液中性盐雾实验24~240 h后的宏观形貌。可见,在经历24 h盐雾实验后,ZM5镁合金裸材试样正面出现了大量的灰色腐蚀产物,反面的点蚀现象明显。经过48 h后,试样正面和反面的腐蚀情况进一步加剧。经过96 h后,试样正面和反面均有大量腐蚀产物堆积。经过240 h后,试样正面和反面完全被灰色腐蚀产物覆盖,并在后续的实验过程中逐渐碎裂和粉化。

图2

图2   ZM5镁合金裸材试样室内加速实验不同时间后的宏观形貌

Fig.2   Macromorphologies of ZM5 magnesium alloy bare specimens after salt spray corrosion for 24 h (a1, a2), 48 h (b1, b2), 96 h (c1, c2) and 240 h (d1, d2)


图3为ZM5镁合金微弧氧化试样中性盐雾实验96~1000 h后的宏观形貌。可见,ZM5镁合金微弧氧化试样经历96 h后,正、反两面均无明显变化;经历240 h后,正、反两面均无明显变化;经历480 h后,正、反两面的穿孔和边缘位置出现了基材碎裂的情况;经历720 h后,粉化现象更为严重;经历1000 h后,部分试样已出现了大面积的粉化碎裂。

图3

图3   ZM5镁合金微弧氧化试样室内加速实验不同时间后的宏观形貌

Fig.3   Macromorphologies of ZM5 magnesium alloy micro-arc oxidation specimens after salt spray corrosion for 96 h (a1, a2), 240 h (b1, b2), 480 h (c1, c2), 720 h (d1, d2) and 1000 h (e1, e2)


由以上实验结果可知,镁合金裸材试样在0.5 a海洋大气环境暴露试验和24 h盐雾实验后就出现了严重的腐蚀。采取微弧氧化工艺保护后,镁合金微弧氧化试样出现腐蚀的时间推迟到盐雾实验240~480 h之间。这说明镁合金腐蚀性能极差,但在经过适当的表面处理后,耐腐蚀性能显著提升。

2 镁合金在飞机及发动机上的使用要求分析

2.1 适航标准和通用规范中的镁合金使用要求

针对镁合金的特性,国内外发布了相关准则、规范,提出了镁合金在飞机及发动机上的使用要求[23],见表2。美国国防部发布了MIL-HDBK-516B《适航性审查准则》和JSSG-2007A《航空涡喷涡扇涡轴涡桨发动机联合使用规范指南》,指出美国海军镁合金机匣曾发生过腐蚀损坏,空军镁合金机匣曾遭受电蚀损坏,螺旋桨镁合金齿轮机匣曾发生严重腐蚀,由于腐蚀引起较高的报废率,已经采用铝合金构件替换了几种镁合金构件。欧洲航空安全局发布了CS-E《发动机合格证规范》,指出应考虑镁合金材料摩擦或接触燃气引起着火的可能性,使用镁合金要采用预防措施,以尽量避免火灾的发生。

表2   国内外适航标准和通用规范中镁合金使用要求条款的对比

Table 2  Comparison of magnesium alloy application requirement clauses in domestic and foreign airworthiness standards and general specifications

No.StandardIssuing unitDate of issueClause numberContent
1MIL-HDBK-516B Airworthiness certification criteriaDepartment of Defense, USA2008A.4.2.19 Materials and ProcessesAll selected material systems and process methods must be verified for consistency with the environmental conditions and regulations used... Magnesium alloys are not suitable for saline environments and cannot be used without engineering reasons or approval
2CS-E Specification for engine certificationEuropean Union Aviation Safety Agency2003AMC E 130 FireproofMany magnesium alloys used in the manufacturing of engine components, such as magnesium chips or powder, are highly flammable when decomposed into very fine particles. Therefore, when using thin and fine magnesium alloys or magnesium alloys exposed to corrosion, friction, and high brushing speeds, the applicant should carefully evaluate the possibility of magnesium fire occurring in the entire system design and whether there are corresponding protective measures. If the assessment cannot rule out the possibility of magnesium fire, it should indicate that magnesium fire can be restricted within the engine area without causing hazardous effects
3JSSG-2007A Joint Service specification guide engines, aircraft, turbineDepartment of Defense, USA2007A.3.1.3 Materials, treatment, and partsMagnesium should be avoided in all parts of the engine. Magnesium alloys are restricted in use because they are highly susceptible to corrosion, especially in marine environments. A small pinhole crack in the protective coating can also cause corrosion beneath the residual material of the protective coating. Naval engines with magnesium alloy accessory casings have been damaged due to corrosion. Due to the use of incompatible materials between the front frame mounting holes and the tower shaft interface, air force engines equipped with magnesium alloy casings have suffered electrical corrosion damage. The gear gearbox using magnesium alloy propellers experienced severe corrosion problems, and later aluminum alloy was used to replace magnesium alloy
4GJB 241A-2010 General specification for aero turbojet and turbofan enginesPLA General Equipment Department, China20103.3.1 Materials, processes, and fastenersWhen using magnesium alloys, special approval from the user department is required
5GJB 242A-2018 General specification for aero turboprop and turboshaft engines2018
6GJB/Z 216-2004 Guide for the use of general specifications for aero turbojet and turbofan enginesPLA General Equipment Department, China20043.3.1.1.1Due to different environments, materials successfully used in air force engines may have problems when used in naval engines. Magnesium alloys are highly susceptible to corrosion, especially in marine environments, where a small pinhole in the protective layer can also cause corrosion. Both J79 and T76 engines abroad have experienced corrosion of magnesium alloy accessory casings or gear casings. Therefore, magnesium alloys should be used as appropriate with appropriate measures taken
7GJB 2635A-2015 Design and control requirements for corrosion protection of military aircraft20155.2 Material selectionAmong the metals used in aircraft structures, magnesium alloys have the worst corrosion resistance and are generally not suitable for structural design (especially for offshore aircraft and civil aircraft). But it can also be used in a good environment with a good protective system
8HB 7671-2000 Design requirements for corrosion prevention of aircraft structuresCommission of Science Technology and Industry for National Defense, PRC20006 Corrosion resistance and limit requirements of common materials for aircraft structures

(续下表)

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在我国,中国人民解放军总装备部、国防科学技术工业委员会发布了GJB 241A-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》、GJB 242A-2018《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》、GJB 2635A-2015《军用飞机腐蚀防护设计和控制要求》和HB 7671-2000《飞机结构防腐蚀设计要求》,指出镁合金极易受到腐蚀,应视情况采用涂层和有针对性的维护措施。

2.2 国外镁合金在飞机上使用的限定条件分析

关于镁合金在飞机上使用的限定条件,美国国防部针对航空航天武器系统中镁合金腐蚀预防和控制提出了相应的材料和工艺要求,并在F-22和F-35等型号战斗机上积累了一些镁合金使用的经验。

2.2.1 航空航天武器系统中镁合金腐蚀预防和控制的材料和工艺要求

1996年,针对航空航天武器系统,美国国防部发布了MIL-HDBK-1568 (USAF) 《用于航空航天武器系统腐蚀预防和控制的材料和工艺》中提到:(1) 镁合金只能在采购活动的特别批准下使用。(2) 喷漆前镁合金应按照MIL-M-45202《镁合金阳极氧化处理》进行处理。表面处理后的钻孔应按照MIL-M-3171《镁合金的前处理工艺和腐蚀预防》中的第VI类情况进行处理。阳极氧化后的零件需要按照MIL-M-3171第VII类情况进行表面封闭处理。(3) 装配前镁合金表面应施加两层底漆和两层面漆。所有贴合面应施加符合MIL-S-81733《缓蚀密封和涂覆化合物》的缓蚀密封剂,所有紧固件的安装应使用符合MIL-S-81733的密封剂和符合MIL-S-81733《耐化学试剂和溶剂的环氧聚酰胺底漆》的底漆。

2.2.2 F-35战斗机镁合金使用经验

在F-35战斗机项目研制过程中,F-35战斗机联合项目办公室专门成立了腐蚀评估小组针对该型号战斗机可能出现的腐蚀问题进行评估。其中,针对镁合金在该型号飞机上的使用提出了以下几方面问题。

(1) 飞机镁合金部件与发动机阳极氧化铝合金变速箱 (无底漆/面漆) 直接接触。尽管镁合金部件涂装了实际服役效果良好的涂层,但是变速箱仍应该增加表面防护措施。这说明,镁合金结构及其接触的零部件都需要施加防护涂层,不能无涂层使用或只在其中的部分部件上施加涂层。

(2) 在判定镁合金部件是否满足使用条件时,最好选用实际试验的方法。如果没有条件开展试验,则要采用相似性比较的方法,即筛选服役条件最严酷的部件,通过全尺寸试验进行测试。其中,服役条件最严酷部件应基于形状、环境和位置选定;对于其他部件,基于试验结果,选用效果最好的涂层;联合项目办公室和供应商持续评估新涂层和技术,以备后续进一步改善。

(3) 开展完整的全尺寸气候试验,不要由于经费和进度等问题导致气候试验被裁掉,或者气候试验的范围被削减。

3 明确航空发动机镁合金使用要求和限定条件需要开展的研究工作

综合分析关于适航标准、通用规范中涉及到的镁合金使用要求,发现目前国内外针对镁合金在航空发动机上的使用要求,仅仅发布了一些指导性的原则,如应尽量少使用镁合金;获得用户部门许可可以使用镁合金时,应选用高品质镁合金;无论镁合金与镁合金零件接触表面,还是镁合金与其他合金零件接触表面,需要用底漆或其他涂层加强保护。

具体到镁合金在航空发动机上使用时应符合的限定条件,特别是在海洋环境中必须采用的防护工艺,并没有明确的规定。美国通过F-22和F-35等战斗机型号的研制积累了一些关于镁合金在飞机上使用限定条件的经验,例如,装配前镁合金表面应施加两层底漆和两层面漆;所有贴合面应施加缓蚀密封剂;所有紧固件的安装应使用密封剂和底漆。

然而,这些方法在海洋环境服役航空发动机上是否适用尚不清楚。目前,国内也存在航空发动机用镁合金材料和防护工艺基础腐蚀性能数据不足,无法有效支撑材料、工艺选用和海洋环境适应性评价的问题。针对国内海洋环境服役航空发动机镁合金应用及研究现状,建议开展以下工作:

(1) 镁合金在海洋环境服役航空发动机上使用情况的全面梳理;

(2) 分析航空发动机服役过程中镁合金结构遭遇的最严酷腐蚀环境,建立相应的当量环境谱和实验室模拟加速实验方法;

(3) 针对镁合金典型防护工艺,开展自然环境试验和实验室模拟加速实验,确定材料、防护工艺的腐蚀防护性能,形成防护工艺耐海洋环境腐蚀能力的排序;

(4) 重点研究建立防护体系出现破损的镁合金试样的腐蚀累积量随时间的变化规律,并与海洋环境服役航空发动机已经选用的铝合金材料的试验结果进行对比,提出镁合金试验考核方法及评价准则;

(5) 针对优选的镁合金防护工艺,开展海洋环境服役航空发动机典型异种金属连接结构的实验室模拟加速实验,验证其海洋环境适应性。

如果能够进一步优化镁合金防护工艺,明确镁合金在飞机发动机上使用时应符合的限定条件,规定在海洋环境下必须采用的防护体系,镁合金结构仍然可能适用于海洋环境服役的飞机发动机。

4 结语

通过对适航标准、通用规范等文件的分析,探讨了镁合金在飞机发动机上的使用要求,发现目前国内外仅发布了诸如“应尽量少使用镁合金”、“镁合金与镁合金或其他合金零件的接触表面需要用涂层加强保护”等指导性的原则。镁合金在海洋环境服役飞机发动机上使用时应符合的具体限定条件,尤其是在海洋环境中必须采用的防护工艺,并没有明确地规定。

建议结合飞机发动机服役过程中镁合金结构遭遇的最严酷腐蚀环境,建立实验室加速实验当量环境谱,并开展镁合金典型防护工艺的实验室加速实验及自然环境试验,确定其腐蚀防护性能。重点建立防护体系破损镁合金试样腐蚀累积量随时间的变化规律,并与海洋环境服役飞机发动机用铝合金的试验结果进行对比,提出镁合金试验考核评价准则。针对优选的镁合金防护工艺,开展异种材料连接结构的实验室加速实验,验证其海洋环境适应性。

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以南极低温高辐照冰雪凝-融环境、南海高温高湿高盐雾环境以及滨海氯-霾耦合环境3种典型环境为研究对象,开展了典型海工材料的腐蚀行为研究。结果表明,南极低温环境下冰层、雪层覆盖下电化学腐蚀过程依然可以发生,冰雪凝-融过程导致液膜长周期存在促进了腐蚀的进行且加速局部腐蚀。南海高温高湿高盐雾环境下有色金属材料表面存在化学氧化和电化学腐蚀协同作用机制,不同铝合金的局部腐蚀萌生扩展驱动力不同 (即扩散与电荷转移、氢致沿晶裂纹、腐蚀产物楔入效应),表面润湿时间和Cl<sup>-</sup>协同作用导致腐蚀动力学偏离幂函数规律。滨海氯-霾耦合环境下NH<sub>4</sub><sup>+</sup>加速腐蚀的关键控制因素为缓冲效应导致的持续供H<sup>+</sup>,Cl<sup>-</sup>、NH<sub>4</sub><sup>+</sup>、NO<sub>3</sub><sup>-</sup>协同作用下镁合金发生“类自催化点蚀”。

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通过化学刻蚀,以硬脂酸为修饰剂,成功实现AM60镁合金表面的超疏水改性,并采用扫描电镜、接触角仪、电化学工作站等对处理前后的AM60镁合金表面的微观形貌、疏水性能和耐腐蚀性能进行分析。结果表明:AM60镁合金仅经盐酸刻蚀处理后,表现为超亲水性,再经硬脂酸浸泡后才达到疏水的效果;随着硬脂酸浸泡时间的增加,该合金的表面接触角呈现先增加后减小的趋势,在浸泡12 h时,接触角最大为150.18°,滚动角小于10°,此时合金表面具有超疏水性能;同时,相比于未处理的AM60镁合金而言,超疏水改性后样品的腐蚀电流密度降低了88.19%,腐蚀电压提高了19.72%,耐腐蚀性能得到明显改善;而且,超疏水改性还可提高合金对粉尘和水溶液的自清洁性能。

Yang X Y, Yang Y T, Lu X P, et al.

Research progress of corrosion inhibitor for Mg-alloy

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杨欣宇, 杨云天, 卢小鹏 .

镁合金缓蚀剂研究进展

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镁化学性质活泼,在水溶液环境中腐蚀速度较快,很大程度上制约了镁合金的大规模应用。缓蚀剂是目前腐蚀与防护领域应用最广泛的一种技术,具备高效、成本低等特点,可在工业应用中大幅度提高镁合金的耐蚀性能。本文依据缓蚀剂的化学组成进行分类,概述无机、有机缓蚀剂以及复配缓蚀剂的研究进展,通过总结缓蚀机理对镁合金缓蚀剂未来的研究方向提出了展望。

Zhou D M, Jiang L, Wang M T, et al.

Effects of Ce(NO3)2 concentration and silicate sealing treatment on calcium phosphating film on surface of Mg-Zn-Y-Ca alloy for high speed railway corbel

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2021, 41: 849

周殿买, 姜 磊, 王美婷 .

Ce(NO3)2浓度及硅酸盐封孔处理对高铁枕梁用Mg-Zn-Y-Ca合金表面钙系磷化膜的影响

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2021, 41: 849

DOI     

通过点滴实验、全浸泡实验、电化学测试、扫描电镜及XRD分析,研究了稀土添加剂Ce(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>浓度及硅酸盐封孔处理对枕梁用Mg-Zn-Y-Ca合金表面钙系磷化膜的影响。结果表明:Ce(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>的加入和封孔处理都会改善膜层结构,提高膜层耐蚀性,且Ce(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>的最优添加量为0.8 g/L。经封孔处理后膜层耐蚀性最优,其平均点滴时长为1002 s,浸泡腐蚀速率为0.0372 mg/(cm<sup>2</sup>·h),腐蚀电流密度为4.971×10<sup>-6</sup> A/cm<sup>2</sup>,致密层电阻R<sub>f</sub>为4854 Ω·cm<sup>2</sup>。通过磷化及封孔处理可大幅度提高镁合金防腐蚀性能,满足高铁枕梁服役要求。

Wang X G, Gao K W, Yan L C, et al.

Effect of Ce on corrosion resistance of films of ZnAlCe-layered double hydroxides on Mg-alloy

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2021, 41: 335

[本文引用: 1]

王晓鸽, 高克玮, 颜鲁春 .

Ce对镁合金表面ZnAlCe-LDHs薄膜耐腐蚀性能的影响机理研究

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2021, 41: 335

DOI      [本文引用: 1]

利用一步水热法在AZ91D镁合金表面原位制备ZnAl-LDHs薄膜和ZnAlCe-LDHs薄膜,借助X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪和电化学阻抗谱等表征手段,研究Ce对镁合金表面ZnAlCe-LDHs薄膜形貌结构、化学组成及耐腐蚀性能的影响。结果表明,Ce离子加入不改变镁合金表面LDHs鸟巢网状形貌,但增加了薄膜的厚度以及纳米片的尺寸。EIS结果表明,ZnAlCe-LDHs薄膜与ZnAl-LDHs薄膜相比,自腐蚀电位正移0.05 V,腐蚀电流密度降低1~2个数量级,阻抗图中容抗弧半径明显增大,说明加入Ce离子可以增强镁合金的耐腐蚀性能。

Liu Y X, Xu A Y.

Characterization of pitting corrosion behavior of AZ91 Mg-alloy without and with MAO coating

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2022, 42: 1034

[本文引用: 1]

刘玉项, 徐安阳.

AZ91镁合金和MAO涂层的点蚀行为研究

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2022, 42: 1034

DOI      [本文引用: 1]

采用循环极化曲线研究了AZ91镁合金及其表面微弧氧化 (MAO) 涂层在3.5%NaCl溶液中的点蚀行为。采用光学显微镜和扫描电镜观察循环极化不同阶段的点蚀形貌,探讨了点蚀在AZ91镁合金和MAO涂层上的萌生和扩展机制。结果表明,合金上点蚀倾向于在&#x003b1;-Mg相上萌生,而涂层上点蚀在多孔结构和裂纹处萌生,合金和涂层上点蚀的初始形态均为开口的&#x0201c;火山口&#x0201d;形貌。合金上点蚀坑中沉积一层腐蚀产物层对点蚀产生一定钝化效果,导致了点蚀在合金上横向扩展。而涂层上点蚀造成涂层的剥离和腐蚀产物的溶解,无法对点蚀形成钝化效果,导致点蚀在涂层上向纵深扩展。点蚀在循环极化过程中持续扩展的微观形貌验证了合金和涂层的循环极化曲线上出现正的滞后环,而不同的点蚀扩展现象也验证了涂层上较大的滞后环面积。

Chen Z N, Yong X Y, Chen X C.

Micro-defects in micro-arc oxidation coatings on Mg-alloys

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2022, 42: 1

陈振宁, 雍兴跃, 陈晓春.

镁合金微弧氧化膜中微缺陷问题研究进展

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2022, 42: 1

DOI     

针对镁合金的微弧氧化膜,对微缺陷的形成及其影响因素、微缺陷对微弧氧化膜性能及应用的影响、微缺陷的识别技术、后处理手段进行了总结与分析。最后,提出了镁合金微弧氧化膜及其他金属防护层中微缺陷问题的未来研究方向和思路。

Wei Z, Ma B J, Li L, et al.

Effect of ultrasonic rolling pretreatment on corrosion resistance of micro-arc oxidation coating of Mg-alloy

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2021, 41: 117

[本文引用: 1]

魏征, 马保吉, 李龙 .

镁合金表面超声滚压预处理对微弧氧化膜耐蚀性能的影响

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2021, 41: 117

DOI      [本文引用: 1]

镁合金基体首先进行超声滚压预处理后再进行微弧氧化镀膜,结合OM、SEM、EDS、XRD与电化学工作站 (模拟体液PBS) 对有无超声滚压处理的微弧氧化膜层性能进行测试分析,研究超声滚压处理对镁合金微弧氧化膜层性能的影响。结果表明:超声滚压处理后镁基体表面粗糙度降低、晶粒细化且硬度提升;与镁合金直接微弧氧化的膜层相比,超声滚压预处理之后再进行微弧氧化,膜层中的Si、P、Ca含量比例增大,膜层表面更为致密、光滑,大孔数量明显降低,表面孔隙率由31.7%降低至19.1%;从电化学测试结果看出,与直接微弧氧化的膜层相比超声滚压预处理后膜层的自腐蚀电位高出107 mV,腐蚀电流密度低了一个数量级,并且阻抗性能更优,镁合金超声滚压预处理可有效提升微弧氧化膜层在PBS溶液中的耐蚀性。

Zheng L, Wang M T, Yu B Y.

Research progress of cold spraying coating technology for Mg-alloy

[J]. J. Chin. Soci. Corros. Prot., 2021, 41: 22

[本文引用: 1]

郑 黎, 王美婷, 于宝义.

镁合金表面冷喷涂技术研究进展

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2021, 41: 22

[本文引用: 1]

Velikiy V I, Yares’ko K I, Shalomeev V A, et al.

Prospective magnesium alloys with elevated level of properties for the aircraft engine industry

[J]. Met. Sci. Heat Treat., 2014, 55: 492

DOI      URL     [本文引用: 1]

Wu G H, Chen Y S, Ding W J.

Current research, application and future prospect of magnesium alloys in aerospace industry

[J]. Manned Spaceflight, 2016, 22: 281

[本文引用: 1]

吴国华, 陈玉狮, 丁文江.

镁合金在航空航天领域研究应用现状与展望

[J]. 载人航天, 2016, 22: 281

[本文引用: 1]

Fei Y J.

Application of magnesium alloys in the aerospace industry

[J]. Adv. Mater. Ind., 2018, (12): 15

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费有静.

镁合金在航空航天领域中的应用

[J]. 新材料产业, 2018, (12): 15

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Zhu R X, Na J Y.

Corrosion analysis on magnesium alloy component in Aero-engine lubricating oil system

[A]. Procedings of 3rd National Aerospace Equipment Failure Analysis Conference [C]. Kunming, 2000: 148

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朱绒霞, 那静彦.

航空发动机油油系统镁合金部件腐蚀原因分析

[A]. 全国第三届航空航天装备失效分析会议论文集 [C]. 昆明, 2000: 148

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Huang Y S, Yu J H, Feng B D.

Research on sand mould casting process for an aero-engine oil distributing sleeve

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黄艳松, 余继华, 冯保东.

某航空发动机分油套筒砂型铸造工艺研究

[J]. 新技术新工艺, 2014, (5): 120

[本文引用: 1]

Liu Z Q, He X X, Qi K, et al.

Galvanic corrosion behavior for galvanic couple of AZ91D Mg-alloy/2002 Al-alloy in 0.5 mg/L NaCl solution

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2022, 42: 1016

[本文引用: 1]

刘泽琪, 何潇潇, 祁 康 .

AZ91D镁合金和2002铝合金在0.5 mg/L NaCl溶液中的电偶腐蚀行为研究

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2022, 42: 1016

DOI      [本文引用: 1]

采用电化学方法和表面分析技术研究了AZ91D镁合金与2002铝合金在0.5 mg/L NaCl溶液中的电偶腐蚀行为。对于镁合金,耦合后始终为阳极,腐蚀电位正移,腐蚀速率增加,这可能归结为它们之间的电偶效应显著加速了其阴极过程。对于铝合金,耦合后始终为阴极,腐蚀电位也正移,腐蚀速率增加,这可能归结为它们之间的电偶效应抑制了其表面钝化膜的形成。随着浸泡时间的延长,它们之间的耦合电位先正移后逐渐负移,电偶电流密度先增加后减小,最后逐渐增加并达到相对稳定的状态。为汽车发动机材料的选择、设计及其电偶腐蚀的抑制提供基本理论依据。

Du R X, Li Y H.

Microbiological corrosion and protection of magnesium alloys of lubricate system of aero- engine

[J]. Light Met., 2004, (12): 35

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朱绒霞, 李亚会.

航空发动机滑油系统镁合金微生物腐蚀与防护

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Tang Z F, Liu X K, Ren G M.

Application requirements on magnesium alloy in Aero-engine worthiness standards

[J]. Aeronaut. Stand. Qual., 2014, (6): 26

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唐正府, 刘兴科, 任光明.

航空发动机适航标准中镁合金材料使用要求

[J]. 航空标准化与质量, 2014, (6): 26

[本文引用: 1]

针对镁合金材料在航空发动机使用中容易腐蚀而被限制使用的问题,从适航条款出发,结合案例分析,系统梳理了镁合金材料在适航标准、国内外标准规范中的使用规定,对比分析条款,总结归纳特点,为航空发动机材料选用提供参考借鉴.

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