鑄造銅合金具有良好的力學性能和耐海水腐蝕性能,廣泛應用于船舶領域的海水管路、閥體等構件中[1-3]。但是,隨著使用環(huán)境的日益惡劣,鑄造銅合金[4-5]也逐步暴露出較多的腐蝕問題,特別是鑄造銅合金閥件[6-7]多次發(fā)生密封面腐蝕破壞導致的泄漏問題,嚴重影響相關裝備的安全可靠運行。國內外眾多科研學者先后對銅合金的海水耐腐蝕性開展相關研究,并取得了系列研究成果。目前,對ZCuSn10Zn2鑄造錫青銅閥件腐蝕行為的研究相對較少,故仍需要對鑄造錫青銅閥件的具體失效模式、原因和機制開展深入研究。 

某船舶海水管路用ZCuSn10Zn2鑄造錫青銅閥件在使用3 a后,出現(xiàn)鑄造銅金屬密封面密封不嚴的泄漏現(xiàn)象。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡（SEM）和能譜分析、金相檢驗等方法對泄漏原因進行分析,并根據(jù)具體原因提出了可行性解決方案和預防措施。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

泄漏閥件由閥桿組件和閥體組成,閥桿組件中閥瓣的密封面和閥體的密封面在工作過程中配合,其宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：閥桿的法蘭以上部位和以下部位表面油漆較完整,未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕痕跡,但是閥瓣的密封面一半?yún)^(qū)域較均勻、平坦,呈綠色,有銅的氧化物；另一半?yún)^(qū)域有黃色的金屬光澤,存在一處明顯缺失區(qū)域,缺失區(qū)域底部光滑,未見明顯的腐蝕產(chǎn)物堆積,呈現(xiàn)臺階狀、由內向外擴展的馬蹄形特征；其他位置存在表面光滑、深淺不一的凹坑。 

圖  1  泄漏閥桿組件宏觀形貌

閥體密封面上存在一處較大的缺失區(qū)域,缺失區(qū)域底部光滑,未見明顯的腐蝕產(chǎn)物堆積,呈現(xiàn)內寬外窄的形態(tài)特征。缺失區(qū)域附近有較大塊黃色區(qū)域,該區(qū)域光滑,有沖刷后的形態(tài)特征。 

1.2   化學成分分析

采用直讀光譜儀對泄漏閥件的閥瓣密封面和閥體密封面附近取樣,并對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：泄漏閥件的閥瓣密封面和閥體密封面的化學成分均符合GB/T 1176—2013《鑄造銅及銅合金》對ZCuSn10Zn2鑄造錫青銅的要求。 

1.3   掃描電鏡和能譜分析

用掃描電鏡觀察閥瓣和閥體密封面缺失區(qū)域,結果如圖2所示。由圖2可知：密封面內表面存在從內向外的沖刷痕跡,整個沖刷區(qū)域坑底光滑,未見明顯的腐蝕產(chǎn)物堆積；密封面缺失區(qū)域內寬外窄,放大后坑底光滑,未見明顯的腐蝕產(chǎn)物堆積,個別位置有析出相脫落形態(tài)。 

圖  2  泄漏閥瓣和閥體密封面SEM形貌

密封面綠色區(qū)域為堿式碳酸銅,又名銅綠,是銅與氧氣、二氧化碳和水等物質反應的產(chǎn)物。對該區(qū)域進行能譜分析,結果如圖3所示。由圖3可知：除銅綠成分外,綠色區(qū)域還有較多的Al、Na、S、Cl、K、Ca、Mg等元素,結合服役工況環(huán)境,得知這些元素主要來自于海水。因此,綠色區(qū)域中物質為海水環(huán)境中形成的腐蝕產(chǎn)物。 

圖  3  密封面能譜分析結果

1.4   金相檢驗

在閥瓣密封面附近截取金相試樣,截面（觀察面）向下放置在熱鑲嵌設備中,鑲嵌溫度為160~180 ℃,壓力為200~400 bar（1 bar=0.1 MPa）,加熱/冷卻時間為3~6 min；然后采用從粗到細的砂紙打磨鑲嵌好試樣,再用拋光機對打磨面進行拋光,完成金相試樣制備。將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：缺失區(qū)域表面光滑,呈波浪狀起伏擴展,未有明顯的腐蝕形態(tài)特征。用飽和硝酸鐵水溶液腐蝕試樣后,再將其置于光學顯微鏡下觀察,得到腐蝕部位與其他區(qū)域的顯微組織沒有明顯差異,均為α+（α+δ）共析體。 

圖  4  閥瓣密封面附近微觀形貌

閥體密封面附近截面顯微組織形貌如圖5所示,閥體密封面缺失處有明顯的馬蹄坑擴展特征。對其腐蝕后觀察,腐蝕部位與其他區(qū)域的顯微組織未發(fā)現(xiàn)明顯差異,均為α+（α+δ）共析體,部分區(qū)域存在鑄造疏松缺陷。 

圖  5  閥體密封面附近顯微組織形貌

2.   綜合分析

泄漏閥件閥瓣密封面和閥體密封面的化學成分均符合GB/T 1176—2013對ZCuSn10Zn2鑄造錫青銅的要求。顯微組織為α+（α+δ）共析體,未發(fā)現(xiàn)明顯異常。部分區(qū)域的鑄造疏松會加速腐蝕的發(fā)生。 

泄漏閥件閥瓣和閥體密封面在工作過程中緊密配合,在閥瓣和閥體的密封面上均存在一處明顯缺失區(qū)域。閥瓣密封面缺失區(qū)域的底部光滑,未見任何的腐蝕產(chǎn)物堆積,呈現(xiàn)臺階狀、由內向外擴展的馬蹄狀特征；閥體密封面的缺失區(qū)域底部光滑,沒有明顯的腐蝕產(chǎn)物堆積,呈現(xiàn)內寬外窄的形態(tài)特征。缺失區(qū)域附近有較大塊黃色區(qū)域,該區(qū)域光滑,有沖刷后的形態(tài)特征。缺失區(qū)域附近存在從內到外的沖刷痕跡,坑底光滑,無腐蝕產(chǎn)物堆積,個別位置有析出相脫落形態(tài)。對密封面附近綠色區(qū)域進行能譜分析,可知該區(qū)域物質主要為海水腐蝕產(chǎn)物。 

構件發(fā)生沖刷腐蝕首先需要滿足流速臨界條件,低于該流速時金屬的腐蝕不明顯,高于該流速時沖刷腐蝕速率急劇增大,金屬腐蝕破壞明顯。一般來說,銅合金的臨界沖刷腐蝕速率為3 m/s,相對較低,但是銅合金閥門由于使用時通路窄小,流速將急劇增大,對密封面造成嚴重的沖刷腐蝕。 

構件沖刷腐蝕的發(fā)生部位往往會存在一定的湍流條件[8]。湍流多發(fā)生在同一管道中的管徑變化和彎頭、分流管與匯流管等拐角處。泄漏閥件的密封面正好是流體拐角處,流體變化大,會形成湍流,增加流速,易引發(fā)沖刷腐蝕。 

沖刷腐蝕一般呈現(xiàn)魚鱗狀、馬蹄狀、拋光表面、晶粒顯現(xiàn)、流線狀條紋和迎水側邊耗損等特征。 

綜上所述,泄漏閥件發(fā)生的是海水作用下的沖刷腐蝕。 

3.   結語及建議

3.1   結語

（1）閥瓣和閥體密封面材料均為ZCuSn10Zn2鑄造錫青銅,化學成分符合標準要求,顯微組織未發(fā)現(xiàn)明顯異常。 

（2）閥瓣和閥體密封不嚴的原因是密封面存在局部腐蝕,局部腐蝕主要是由沖刷腐蝕導致的。閥體中鑄造疏松的存在會促進腐蝕的發(fā)生。 

3.2   建議

（1）建議更換更加耐腐蝕的材料,如鎳鋁青銅、鈦合金等。 

（2）建議采用橡膠等軟介質對閥瓣和閥體進行軟密封,以便于更換和維修,避免沖刷腐蝕的產(chǎn)生。 

（3）建議閥體內部噴涂軟涂/鍍層,避免沖刷腐蝕的產(chǎn)生。

文章來源——材料與測試網(wǎng)