本工作采用CorrosionMaster软件对压气机典型连接件在酸性盐雾和湿热环境的腐蚀进行仿真，并将仿真结果与试验结果进行对比分析，验证该软件在电偶腐蚀及均匀腐蚀仿真方面的有效性。
1 腐蚀仿真试验方法
1.1 结构模型
表1 发动机典型连接件构成
Table 1
| Structure | Component | Material |
|---|---|---|
| Typical compressor connection structure | Center link | GH4169 |
| Compression ring | 1Cr11Ni2W2MoV | |
| Middle lock nut | GH4169 | |
| Middle nut lock piece | 1Cr18Ni9Ti |
图1
1.2 仿真环境
1.2.1 酸性盐雾环境
依据GJB 150.11A-2009《军用装备环境试验方法盐雾试验》规定，酸性盐雾试验溶液为浓度5%NaCl溶液，pH为3.5 ± 0.5。一个试验周期包含24 h喷雾润湿阶段和24 h干燥阶段，其中喷雾阶段的试验温度为(35 ± 2)℃，盐雾沉降率为1~3 mL/(80 cm2·h)。试验时间为4个试验周期，共192 h。因此，确定酸性盐雾环境仿真条件如表2所示。
表2 酸性盐雾仿真试验条件(1个周期)
Table 2
| Stage | Duration | Salt solution concentration | Temperature | Relative humidity |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 24 h | 5%NaCl, pH = 4 | 35oC | 100% |
| 2 | 24 h | 5%NaCl, pH = 4 | 35oC | 20% |
1.2.2 湿热环境
依据GJB 150.9A-2009《军用装备环境试验方法湿热试验》规定，湿热环境试验溶液为去离子水，试验以24 h为一个周期，每周期分为升温、高温高湿、降温和低温高湿4个阶段，试验时间为10 d。因此，确定湿热环境仿真条件如表3所示。
表3 湿热仿真试验条件(1个周期)
Table 3
| Stage | Duration | Salt solution concentration | Temperature | Relative humidity |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 h | Deionized water | 30oC | 95% |
| 2 | 6 h | Deionized water | 60oC | 95% |
| 3 | 8 h | Deionized water | 60oC | 95% |
| 4 | 8 h | Deionized water | 30oC | 95% |
1.3 仿真方法
1.3.1 确定电化学测试参数
采用三电极体系进行极化曲线测试，其中，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为石墨电极，待测试样为工作电极。极化曲线扫描范围为开路电位(OCP) ± 800 mV；扫描速率为0.333 mV/s。仿真前，需获取试样仿真环境中各个阶段的极化曲线数据，极化曲线测试溶液与每个阶段的溶液参数相对应。
1.3.2 极化数据解析
测得试样的极化数据后，使用CorrosionMaster前处理模块(Curve Analyzer)对极化曲线进行处理，将极化曲线解析为基元电极反应，并将分析结果作为CorrosionMaster腐蚀模拟仿真软件的输入。
1.3.3 参数设置
使用CATIA或SolidWorks等提取连接件中各部位的表面，并将其保存为STL格式，将处理后的数模导入CorrosionMaster。根据仿真环境条件，分别设置环境参数和材料参数及仿真总时间，最后设置网格精度和阻尼系数等，随后启动仿真计算。
1.3.4 结果查看
完成腐蚀模拟仿真过程后，利用CorrosionMaster后处理模块Xplorer对结果进行分析处理，获得模拟仿真对象在特定环境条件下的腐蚀电位、电流密度、腐蚀速率和腐蚀深度信息。
1.4 腐蚀仿真结果验证
酸性盐雾试验和湿热试验按照GJB 150.11A-2009和GJB 150.9A-2009分别在Q-FOG盐雾箱和GPS-4恒温恒湿试验箱中进行。试验开始前，预先按照GJB要求，进行试验参数程序设置，试验过程中，利用温度计和湿度计进行监测，保证试验实际环境与标准要求相一致。
试验结束后，用去离子水轻轻冲洗试件并吹干，使用尼康D7200数码相机对其外观进行拍照。按照GB/T 16545-2015规定，采用150 g柠檬酸[(NH4)2HC6H5O7] + 1000 mL蒸馏水溶液去除压环和中螺母锁片腐蚀试件表面腐蚀产物，针对中心拉杆和螺母腐蚀试件，采用150 mL盐酸 + 850 mL蒸馏水溶液去除其表面腐蚀产物。对于去除腐蚀产物后的试验件，利用FEI Quanta 250扫描电镜和视频显微镜对试件外观、腐蚀深度进行观察，并将所得结果与仿真得到的腐蚀热点部位、腐蚀深度等数据进行对比，验证腐蚀模拟仿真的准确度。
2 试验结果及分析
2.1 酸性盐雾环境腐蚀仿真分析
图2
图2
压气机部位典型连接件酸性盐雾环境腐蚀仿真结果
Fig.2
Corrosion simulation results of typical compressor connection structure in acid salt mist environment: (a) corrosion potetial, (b) corrosion current, (c) corrosion rate, (d) corrosion depth
2.2 湿热环境腐蚀仿真分析
图3
图3
压气机部位典型连接件湿热环境腐蚀仿真结果
Fig.3
Corrosion simulation results of typical compressor connection structure in humid heat environment: (a) corrosion potetial, (b) corrosion current, (c) corrosion rate, (d) corrosion depth
2.3 室内试验结果
图4为压气机典型连接结构酸性盐雾试验结果。与初始试验件相比，经过4周期(192 h)酸性盐雾试验后，连接结构压环表面基体发生了较严重的腐蚀，可观察到红褐色腐蚀产物，其余部件表面存在腐蚀产物流痕，但未发生明显腐蚀。切取各部位腐蚀区域进行微观观察，如图5所示，可以看出，压环材料1Cr11Ni2W2MoV钢为马氏体不锈钢，腐蚀沿奥氏体晶界(图5a1箭头)和马氏体板条界进行(图5a1线条)；中螺母锁片1Cr18Ni9Ti为奥氏体不锈钢，盐雾试验后，表面主要以点蚀为主；中心拉杆和螺母所用材料GH4169基体为γ相，晶界区域通常存在δ析出相，图5c2中深色区域可能是周围基体腐蚀后，引发δ相脱落[13~15]。
图4
图4
压气机部位典型连接结构酸性盐雾试验结果
Fig.4
Test results of typical compressor connection structure in acid salt mist environment: (a) 0 h, (b-e) 192 h
图5
图5
压气机部位典型连接结构盐雾试验后各部位去除腐蚀产物微观形貌
Fig.5
Micromorphologies of typical compressor connection structure after removing corrosion products after salt spray test: (a1, a2) compression ring, (b1, b2) middle nut lock piece, (c1, c2) center link
对压环去除腐蚀产物后，采用视频显微镜观察腐蚀坑，寻找连片、较深的区域进行观察，如图6所示。可以看出，最大单个腐蚀坑尺寸约100 μm，腐蚀坑最大深度约12 μm，根据不同腐蚀深度区域面积比，计算得出平均腐蚀深度约为6 μm。
图6
图6
压环去除腐蚀产物后腐蚀坑微观形貌及尺寸
Fig.6
Morphology (a) and size (b) of corrosion pit after removal of corrosion products on pressure ring
图7
图7
压气机部位典型连接结构湿热试验结果
Fig.7
Test results of typical compressor connection structure in humid heat environment: (a) 0 d, (b-d) 10 d
图8
图8
压气机部位典型连接结构湿热试验后各部位去除腐蚀产物微观形貌
Fig.8
Micromorphologies of typical compressor connection structure after removing corrosion products after wet heat test: (a1, a2) compression ring, (b1, b2) middle nut lock piece
2.4 仿真结果与试验结果对比分析和讨论
将以上试验结果与仿真结果对比可知，酸性盐雾环境下，压环的腐蚀程度最为严重，且根据图2d仿真结果可知，压环平均腐蚀深度为2.5 μm左右，与试验得出的结果在同一数量级范围内。此外，湿热环境下，试验结果与仿真结果均表明连接件基本不发生腐蚀。因此，腐蚀仿真结果与试验结果相一致。
3 结论
(1) 利用CorrosionMaster软件对压气机典型连接件酸性盐雾环境下的腐蚀仿真结果与试验结果相一致。压环的腐蚀程度最为严重，其平均腐蚀速率为159.27 μm/a，平均腐蚀深度约为2.5 μm。
(2) 利用CorrosionMaster软件腐蚀仿真结果与试验结果均表明压气机典型连接结构在湿热环境下基本不发生腐蚀。试验10 d后，腐蚀深度值仅为0~0.05 μm。
(3) 盐雾环境下，压环部位马氏体不锈钢主要沿奥氏体晶界和马氏体板条界面腐蚀，中螺母锁片奥氏体不锈钢以点蚀，而中心拉杆GH4169合金主要在第二相粒子周围基体有轻微腐蚀，并引发第二相粒子脱落。
参考文献
Analysis on induction mechanism of connecting intermittent failure in aviation equipment
[J].
航空装备连接型间歇故障诱发机理分析
[J].
Corrosion performance and mechanism of typical aviation metal materials under different acid salt Spray Test Environments
[J].
典型航空装备用金属材料在不同酸性盐雾环境下的腐蚀效应及机理
[J].
Corrosion and aging behavior of 2A97 Al-Li alloy with typical protective coatings in tropical marine atmosphere environment
[J].
2A97铝锂合金典型防护涂层热带海洋大气环境腐蚀老化行为
[J].
将2A97铝锂合金典型防护涂层在万宁自然环境试验站进行户外暴露，并采用表面及截面形貌观察、红外光谱、电化学阻抗谱等方法，研究2A97铝锂合金涂层试样在热带海洋大气环境下的腐蚀老化行为规律及机理。结果表明：包含底漆+面漆的涂层1在暴露2.5 a内，表面有微孔洞形成，涂层和阳极氧化层较为完整，合金基体未腐蚀；只有底漆的涂层2在暴露1 a时，涂层形成大量微裂纹，并且局部区域发生剥落，且随暴露时间延长，阳极氧化层减薄，合金基体遭受腐蚀。与只有底漆的单涂层相比，底漆+面漆双层涂层具有较低的失光率和色差，抗老化性能更优异。涂层1暴露不同周期后，均表现为一个容抗弧，其腐蚀老化进程主要由水和氧的扩散速率控制。涂层2暴露1 a后，电解质侵入到涂层/基体界面处，基体发生腐蚀反应，随暴露时间延长，涂层开始剥落，主要表现为铝锂合金基体的腐蚀，其腐蚀老化速率主要由电化学过程控制。
Optimal selection of protective coatings for stainless steel-titanium alloy fasteners based on corrosion simulation
[J].
Status, challenge and prospect of the technology of corrosion simulation on navy equipment
[J].
海军装备腐蚀仿真技术现状、挑战和展望
[J].
Acceleration test and corrosion simulation of aviation electrical connectors in marine environment
[J].
航空电连接器海洋环境加速试验与腐蚀仿真研究
[J].
Development and application of galvanic corrosion simulation for aircraft structure
[J].
飞机结构电偶腐蚀仿真研究进展及应用方法
[J].
Simulation of galvanic corrosion of three electrodes in marine environment
[J].
海洋环境下三电极的电偶腐蚀仿真
[J].
Simulation and experimental verification of localized corrosion of an aircraft structure
[J].
某型飞机结构件局部腐蚀仿真与试验验证
[J].
Simulation of multi-metal coupling corrosion behavior based on COMSOL
[J].
基于COMSOL的多金属耦合腐蚀行为仿真
[J].
Corrosion behaviour simulation of 2A12 aluminum alloy in marine environment
[J].
2A12航空铝合金在海洋环境中腐蚀行为仿真研究
[J].
Corrosion simulation analysis of lower support arm of vertical fin based on CorrosionMaster
[J].
基于CorrosionMaster的垂尾下支臂腐蚀仿真分析
[J].
Revealing of corrosion behavior of GH4169 under the alternate environment of intermediate temperature NaCl spraying and marine atmosphere
[J].
Electrochemical behavior of GH4169 alloy in simulated marine environment
[J].
模拟海洋环境下GH4169合金电化学行为
[J].
Effect of chromium quality on inclusions in GH4169 ingot
[J].Three kinds of GH4169 alloy ingot were made via vacuum induction melt-casting method with metal block chromium of different quality (i.e. high purity chromium, common chromium and micro-carbon ferrochrome) as raw materials. The characteristics of inclusions in superalloy ingots were investigated by optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM), and their formation mechanism are analyzed by JMatPro software. It is found that the content of N, P, S and Mn in the ingots decreases with the increase of chromium purity. The types of inclusions in the ingots change to single oxides from oxides, carbonitrides and composite inclusions. The content of carbonitrides and composite inclusions gradually decreases with increasing chromium purity.
铬对GH4169母合金中夹杂物的影响
[J].使用不同品质的铬原料用真空感应熔炼制备GH4169母合金。用光学显微镜和扫描电镜等设备研究合金锭中夹杂物的特征，并分析其形成机理。结果表明，铬的纯度提高则母合金中N、P、S和Mn元素的含量降低，母合金中夹杂物的类型由为氧化物、碳氮化物和复合型夹杂转变为单一氧化物且其含量降低。
Effect of marine atmospheric environment on corrosion of low temperature aluminizing 1Cr11Ni2W2MoV stainless steel
[J].
海洋大气环境对低温渗铝1Cr11Ni2W2MoV钢腐蚀影响
[J].
Effect of annealing time on the microstructure and SCC behavior of an austenite-based low-density steel in a marine atmosphere
[J].
The effect of martensite on stress corrosion crack initiation of austenitic stainless steels in high-temperature hydrogenated water
[J].
Corrosion behavior of GH4169 alloy under alternating oxidation at 900oC and solution immersion
[J].
Effect of chromium on corrosion resistance of Ni-Cr-Mo-Gd alloys in seawater
[J].
