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典型航空用不锈钢耐蚀性对比
2020-06-18 15:45:30 作者:Everett 来源:崇研智库

不锈钢是指能耐大气、水、海水、酸及其他腐蚀介质的腐蚀,具有高度化学稳定性的钢种系列。其耐腐蚀性主要取决于铬含量。只有当含铬量高于约12%(即铬铁原子比约为1:8)的时钢的化学稳定性才产生质变,钝化而不锈。随着铬含量增高,钢的抗腐蚀能力也随之提高。


不锈钢中除含有大约12%铬之外,常添加一定数量的镍、锰、硅、钼、钨、钒、妮、钛、铜、铝、硼、氮等一种或多种元素及一定数量碳。这些元素及其相互影响、一方面起调整组织作用,一方面起强化作用,从而赋与钢不同的特性。


虽然随着航空器性能的不断提高,钢材越来越多的被钛合金、复合材料代替,但由于其具有较高的强度和较好的耐蚀性,因此仍被广泛使用。


本期耐蚀性的对比主要有以下材料:


沉淀硬化不锈钢:15-5PH(UNS:S15500),17-4PH(UNS:S17400),PH13-8Mo(UNS:S13800);


马氏体不锈钢:1Cr17Ni2(UNS:S43100);


奥氏体不锈钢:1Cr18Ni9Ti(UNS:S32100)


不同种类的不锈钢,其典型的金相形组织可参考以下文章:


公众号:崇研智库


典型航空用不锈钢力学性能对比


不锈钢的化学成分见下表

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数据来源:崇研·材料数据库


15-5PH不锈钢是一种马氏体沉淀硬化不锈钢。它的特点是具有优异的机械性能——强度和硬度,同时具有优异的耐腐蚀性。


它表现出明显的环境阻力,包括醋酸,盐,硝酸或氢氧化钠在低浓度。该级主要用于航空航天工业,特别是暴露在腐蚀性和负载环境下的重型机械零部件、石化、化工、食品和造纸工业。


相关标准:AMS 5862, AMS 5659, AMS 5826, ASTM A 564, ASTM SA 564, ASTM A 693,ASME SA 693, ASTM A 705, ASME SA 705。


17-4PH不锈钢为马氏体沉淀硬化不锈钢,有较高的强度和硬度值,具有中等的耐腐蚀性。不同的热处理温度可以优化机械性能。


17-4PH(UNS S17400)是添加了铌的铬镍铜沉淀硬化马氏体不锈钢,其具有高强度、高硬度和耐腐蚀特性。17-4PH是经过退火固熔处理的,不能用于温度高于300℃或者冷冻环境下。


在大多数环境中,17-4PH的耐腐蚀性能与 304 相当,并普遍优于 400 系列不锈钢。17-4PH通常用于中度耐腐蚀的组合中或超常高强度的应用中。17-4PH易于焊接和进行加工处理,并带有磁性。该材料广泛应用于航空航天、船舶、造纸、能源、海洋和食品工业,用于重型机械零部件、轴套、涡轮叶片、联轴器、螺丝、传动轴、螺母、测量设备。


相关标准:AMS 5604, AMS 5622, AMS 5643, AMS 5825, AMS 5827, AMS 7474, ASTM A 564, ASME SA 564, ASTM A 693, ASME SA 693, ASTM A 705, ASME SA 705。


PH13-8Mo不锈钢为马氏体沉淀硬化不锈钢,表现出优异的机械性能——高硬度、强度和较高的耐腐蚀性、动态载荷和抗裂性。与其它具有耐腐蚀性的高合金等级钢相比,PH13-8Mo钢的化学成分中硫和磷的可接受性要小得多,这说明其制造工艺比较困难,钢的纯度和质量也比较高。


在腐蚀性环境中(不包括耐湿气),该品种表现出很好的耐NaCl,硝酸,氢氧化钠腐蚀。PH13-8Mo主要用于航空航天、核能和石化工业中易受腐蚀和重载的零部件。


相关标准:AMS 5629,AMS 5864。


1Cr17Ni2钢属于马氏体不锈钢,经淬火回火后再400℃以下使用。该钢除具有良好的耐蚀性和较高的学性能外,抛光性能、切削加工性能及冷冲压成形性能亦好,并可用各种方法焊接,焊后必须进行高温回火或调质处理,但热加工工艺比较复杂,化学成分的微小波动显著影响钢的组织与性能,回火脆性温度变化较大,均是不足之处。


1Cr17Ni2对氧化性的酸类(一定温度、浓度的硝酸、大部分的有机酸),以及有机酸水溶液都有良好的耐蚀性。


相关标准:GB 1220,YB 675,HB 5270,YB 677,GB 3280,HB 5024


相近牌号:X17H2(苏联),AISI 431(美国),SUS 431(日本),EN 57(英国),Z15CN16-2(法国)。


1Cr18Ni9Ti是铬镍奥氏体不锈钢。钢中加入钛是为了防止500-800℃范围内保温后出现的晶间腐蚀倾向。该钢具有优良的抗氧化酸均匀腐蚀性能,但是耐应力腐蚀性能和耐点蚀性能一般。该钢具有良好的塑性、韧性以及冲压性能,知道-196℃任具有良好的冲击韧性。这种钢不能用热处理强化,冷加工是强化的唯一手段。该钢的可焊性良好,可用各种方法进行焊接,在不要求耐晶间腐蚀的情况下,焊后一般不需要热处理。该钢广泛用于航空、航天、化工、食品、医疗等各领域。


相关标准:GB/T 1220,GJB 2294,GB/T 3090,GB/T 14975,GB/T 14976,GJB 2296,GB/T 3280


相近牌号:12X18H9T(俄罗斯),AISI 321(美国),SUS 321(日本),321S20(英国),Z10CNT18-11(法国)


不锈钢的腐蚀速率如下图,由于不锈钢耐蚀性较好,在此添加了航空常用合金钢4340作为对比。实验数据在以下条件下获取:


腐蚀介质:3.5%NaCl溶液


环境温度:25℃


根据美国腐蚀工程师协会(NACE)的定义,腐蚀评级规则如下:

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数据来源:崇研·腐蚀数据库


从图中可以看出,航空用不锈钢在3.5%NaCl溶液中有着较好的耐蚀性,与航空用合金钢相比,不锈钢的腐蚀速率至多只有合金钢的1/10。


在科学研究中,常常使用极化曲线来比较材料的耐蚀性,从曲线中可以得到自腐蚀电位(Ecorr)和自腐蚀电流(icorr)。其中可Ecorr作为热力学判据,来判断腐蚀发生的难易程度,数值越小,表明腐蚀越不容易产生;采用icorr作为动力学判据,判断腐蚀发生后,其发展的速率,数值越小,标明发生腐蚀后的腐蚀速率越小。下图是以腐蚀电流作为横坐标,腐蚀电位为纵坐标,将不锈钢在3.5%NaCl室温溶液中极化曲线[1-3]测试得到的腐蚀电位/电流进行作图。在此图中,越靠近左上角,代表耐蚀性越好,越靠近右下角,表示耐蚀性较差(此处耐蚀性的定义是一个相对值)。

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数据来源:[1-3]


不锈钢由于表面钝化膜的存在,几乎不会发生均匀腐蚀,基本上发生的腐蚀形式是点蚀和应力腐蚀,同时由于均匀腐蚀容易察觉,但是点蚀和应力腐蚀不易察觉,因此会对产品在服役过程中,产生较大的危害。


不锈钢腐蚀的产生的基本过程如下文视频中所示:

参考文献

[1] Tian J L, Wang W, Shahzad M B, et al. Corrosion resistance of Co-containing maraging stainless steel[J]. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2018, 31(8): 785-797.

[2] 罗军明, 章刘喜, 黄俊。 1Cr17Ni2 压气机叶片多层膜制备及耐蚀性研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2017, 46(2): 491-495.

[3] 孙京丽, 邹丹, 金晶, 等。 三种常用不锈钢的耐局部腐蚀性能[J]. 材料研究学报, 2017, 31(9): 665-671.

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