梁志君1, 劉 津2, 吳始棟3, 單志雄2, 李春雨2

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美海軍魚雷鋁合金燃料艙殼體腐蝕與防護(hù)進(jìn)展

梁志君, 劉 津, 吳始棟, 單志雄, 李春雨

(1. 海軍裝備部駐東風(fēng)儀表廠軍代表室, 陜西西安, 710065; 2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西 西安, 710075; 3. 洛陽船舶材料研究所, 河南洛陽, 471039)

針對美海軍魚雷鋁合金殼體在海水與燃料混合環(huán)境中產(chǎn)生的腐蝕問題, 分析了腐蝕機(jī)理, 并分別采用陽極氧化與緩蝕劑方法進(jìn)行防護(hù)。對受到腐蝕的殼體, 采用先進(jìn)的激光熔覆修復(fù)方法, 克服了熔焊產(chǎn)生的變形和熱影響區(qū)大的缺陷, 既不損傷金屬基體性能, 也提高了修復(fù)質(zhì)量。

魚雷; 鋁合金; 燃料艙殼體; 腐蝕防護(hù); 修復(fù)

0 引言

魚雷是潛艇和水面艦艇使用的重要攻擊武器, 由于其價格昂貴, 因此, 對魚雷殼體維護(hù)的意義十分重大。美國海軍相當(dāng)重視魚雷殼體維護(hù)工作, 采用陽極氧化處理和涂料保護(hù)相結(jié)合, 在海水、海水-燃料混合物中加入緩蝕劑以減少乃至消除腐蝕, 達(dá)到很好的效果; 對腐蝕和磨蝕的表面, 采用先進(jìn)激光熔覆修復(fù)方法, 可以使魚雷恢復(fù)原來尺寸和性能, 較熔焊焊補(bǔ)成本明顯降低。本文著重介紹美海軍對鋁合金燃料艙殼體的防護(hù)和修復(fù)工作的現(xiàn)狀及取得的經(jīng)濟(jì)效益。

1 鋁合金燃料艙殼體腐蝕機(jī)理

1.1 腐蝕現(xiàn)象

美海軍魚雷殼體通常采用7XXX系列鋁合金材料, 其中燃料艙殼體采用7175-T74鋁合金材料, 通常采用陽極氧化的方法進(jìn)行防腐處理。在部隊演習(xí)中發(fā)現(xiàn), 許多經(jīng)過陽極氧化處理的燃料艙殼體僅在6次演習(xí)后就發(fā)生了嚴(yán)重的局部腐蝕現(xiàn)象。

為了查明殼體腐蝕原因, 采用失重法和電化學(xué)方法對7XXX系列鋁合金材料在海水與奧托燃料混合液共同作用下的腐蝕情況進(jìn)行試驗。

將7175-T74鋁合金試樣(化學(xué)成分見表1)分別浸泡在海水以及海水與奧托燃料混合液中, 腐蝕介質(zhì)溫度分別為24℃和60℃, 試驗時間30天。通過失重法測試其腐蝕速率, 試驗數(shù)據(jù)見表2。

表1 7175-T74鋁合金鍛件化學(xué)成分(%)

表2 不同腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率

從表2可以看出, 測得的7175-T74鋁合金試樣在2種溫度的海水中腐蝕速率為中等速率, 在海水與奧托燃料混合液中的腐蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重: 在24℃條件下, 混合液中的腐蝕速率是海水中的5倍左右; 在60℃條件下則是相應(yīng)速率的2個數(shù)量級, 試樣的80%受到腐蝕。

試驗過程中發(fā)現(xiàn), 經(jīng)過浸泡的液體(腐蝕介質(zhì))其PH值發(fā)生了變化, 變化情況見表3(海水原始PH值為8.2)。

表3 浸泡的腐蝕介質(zhì)

在部隊訓(xùn)練過程中, 雖然試驗后對操雷燃料艙進(jìn)行了清洗, 但燃料艙內(nèi)仍不可避免地殘留少量海水。在重新加入燃料后, 殘留的少量海水被大量奧托燃料包圍, 海水與奧托燃料反應(yīng), 產(chǎn)生了腐蝕環(huán)境, 這樣, 燃料艙殼體表面陽極氧化層在海水和奧托燃料的混合物中就會不斷被腐蝕。

通過試驗得出7XXX系列鋁合金燃料艙殼體腐蝕機(jī)理如下。

1) 經(jīng)過實航的操雷燃料艙殼體內(nèi), 清洗后仍殘留少量海水;

由于水蚤心跳速度較快，學(xué)生在計數(shù)水蚤心率時經(jīng)常出現(xiàn)少數(shù)或者多數(shù)。且大多數(shù)學(xué)校數(shù)碼顯微鏡臺數(shù)較少，僅供教師使用。筆者通過購置迷你自制家用攝像頭，將攝像鏡頭安裝在顯微鏡目鏡上，且與學(xué)校IPad同步使用完成自制簡易攝像顯微鏡的安裝。這樣不僅可幫助學(xué)生在IPad上清晰觀察到水蚤心臟跳動，還可將視頻錄制下來，幫助學(xué)生課后進(jìn)一步確定水蚤心跳次數(shù)。

2 鋁合金燃料艙殼體防護(hù)方法

目前美海軍采取的防護(hù)方法有2種: 陽極氧化處理與涂層涂料保護(hù)相結(jié)合的方法和添加緩蝕劑的方法。

2.1 陽極氧化與涂層涂料相結(jié)合的方法

美國專利介紹了在鋁合金殼體表面制備陽極氧化膜和涂層涂料的方法: 將殼體進(jìn)行清洗和脫脂及噴砂處理, 使其表面粗糙度達(dá)到10.16～17.78 μm, 然后將殼體浸泡在硫酸中, 并施加電流密度為6.98 A/cm的電流, 在殼體表面形成厚度為63.5 μm的陽極氧化膜。接著, 將殼體浸泡在15%的重鉻酸鈉溶液中大約5 min進(jìn)行封閉處理, 然后清洗和風(fēng)干。將殼體加熱到147.4 ℃, 用靜電將粉狀環(huán)氧B級樹脂噴涂到殼體表面, 產(chǎn)生厚度達(dá)119.38 μm 的均勻環(huán)氧涂層, 并固化15 min。

通過實航試驗表明, 該方法在鋁合金殼體表面建立了保護(hù)涂層, 該涂層與鋁合金基體有很強(qiáng)的附著力, 并具有良好的耐磨性與抗沖擊能力。

2.2 添加緩蝕劑的方法

美國專利介紹了在潛艇魚雷發(fā)射管內(nèi)的海水中加入預(yù)定量的緩蝕片劑, 該片劑由NiCl、NaHCO和檸檬酸組成, 這樣可以在鋁合金殼體表面形成具有緩蝕作用的陽離子膜, 從而使鋁合金殼體得到保護(hù)。

常規(guī)潛艇魚雷發(fā)射管容積大約為4.86 m, 魚雷體積一般為4.05 m, 此時魚雷發(fā)射管可裝載大約0.81 m的海水, 其質(zhì)量約為261.4 kg, 要求緩蝕劑質(zhì)量百分濃度為10。由于質(zhì)量百分濃度為10的緩蝕劑需要0.261 4 g的NiCl, 達(dá)到質(zhì)量百分濃度為10則需要261.4 g的NiCl?？紤]到不同型號魚雷體積會有不同, 所以每片緩蝕劑采用300 g NiCl。將NiCl、NaHCO和檸檬酸按照3:2:1比例混合在一起, 壓制成單片。

3 鋁合金殼體修復(fù)方法——激光熔覆

魚雷殼體一般采用鋁合金材料, 在受到海水腐蝕和一般磨損引起損傷時, 修復(fù)受損部位需要大量費(fèi)用。目前, 通常采用焊接方法修復(fù)鋁合金殼體(6061-T6和7175-T74), 這種方法的缺點(diǎn)是, 對于非可焊的7175鋁合金會產(chǎn)生液體裂縫, 在熱影響區(qū)產(chǎn)生“軟點(diǎn)”, 造成的變形會影響精密加工等問題。而先進(jìn)的激光熔覆方法具有變形小、對修復(fù)后材料性能影響小、基體金屬能夠產(chǎn)生冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn), 而其所需熱量僅為常規(guī)焊接方法的1/3, 從而克服了熔焊的問題。

美國賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實驗室(Applied Research Laboratory of the Pennsylvania State University, ARL/PSU)高能部已經(jīng)成功利用激光熔覆技術(shù)修復(fù)了許多材料, 諸如Inconel、不銹鋼、軟鋼、鈦、青銅和其他金屬。美國水下作戰(zhàn)中心Keyport分部和ARL/PSU高能部合作開發(fā)了水下武器部件用激光熔覆技術(shù)的ManTech項目。其目的是在實驗室驗證激光熔覆技術(shù)修復(fù)鋁合金金屬損傷的可行性, 以滿足修補(bǔ)水下武器部件結(jié)構(gòu)的需要。通過制造技術(shù)項目, 在實驗室環(huán)境中經(jīng)過小型制備和選擇優(yōu)化參數(shù), 取得了修復(fù)部件的經(jīng)驗。水下作戰(zhàn)中心Keyport分部開始利用內(nèi)部投資設(shè)備和制造技術(shù)項目中武器的資助,配置了生產(chǎn)激光熔覆系統(tǒng)。

至今, 美海軍已經(jīng)用這種方法修理魚雷殼體、魚雷發(fā)動機(jī)缸體、潛艇垂直發(fā)射系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射管以及許多正在研究的航空結(jié)構(gòu)件, 均取得了良好的收益。

4 結(jié)束語

MK 48魚雷7175鋁合金燃料艙的腐蝕在海水與燃料混合物條件下比單一海水和單一燃料條件下要嚴(yán)重, 主要原因是, 奧托燃料與海水反應(yīng)產(chǎn)生, 隨后產(chǎn)生, 并進(jìn)一步還原成NH絡(luò)合物, 導(dǎo)致殼體腐蝕加速。因此必須研究鋁合金燃料艙殼體的保護(hù)方法。對于已經(jīng)腐蝕的殼體, 采用激光熔覆修復(fù)方法則是十分經(jīng)濟(jì)有效的。

本文介紹了美海軍采用的陽極氧化和添加緩蝕劑的殼體防護(hù)方法, 以及激光熔覆殼體修復(fù)方法, 旨在通過借鑒美海軍在魚雷鋁合金殼體腐蝕與防護(hù)方面的成功經(jīng)驗, 以提升國內(nèi)在魚雷殼體腐蝕防護(hù)方面的水平。

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[2] Cook R. Multimetal Corrosion Control for Otto Fuel Tanks and Engines[P]. USA: NAVY 09-062, 2009.

[3] McIntyre J F, Dow T S. Corrosion Behavior of AA-7175-T74 Exposed to Arficial Seawater and OTTO Fuel[R]. USA: Naval Surface Warfare Center Materials Division Electrochemistry Branch, 1998.

[4] 岳燦甫, 吳始棟. 激光熔覆及其在水中兵器修復(fù)上的應(yīng)用[J]. 魚雷技術(shù), 2007, 15(1): 1-5. Yue Can-fu, Wu Shi-dong. Laser Cladding and Its Applications to Repairing Underwater Weapons[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(1): 1-5.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Corrosion Protection of Aluminum Alloy Shell of Torpedo Fuel Tank in US Navy

LIANG Zhi-jun, LIU Jin, WU Shi-dong, SHAN Zhi-xiong, LI Chun-yu

(1. Military Representative Office, Naval Armament Department Stationed in Xi′an Dongfeng Instrument Factory, Xi’an 710065, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 3. Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471039, China)

The combined corrosion mechanism of the aluminum alloy shell in both fuel and seawater is introduced for torpedo fuel tank in US Navy. The anodic oxidation method and corrosion inhibitor are used for corrosion protection. For the corrosive shell, the advanced laser cladding renovation method is used to prevent deformation and big heat affected zone caused by fusion welding. The laser cladding renovation method can improve the quality of repair without weakening the performance of metallic matrix.

torpedo; aluminum alloy; fuel tank shell; corrosion protection; renovation

TJ630.3; TG174.42

A

1673-1948(2012)06-0411-03

2012-05-24;

2012-06-15.

梁志君(1972-), 男, 工程師, 主要研究方向為魚雷總體、制導(dǎo)技術(shù)、質(zhì)量可靠性研究.