ПРОБЛЕМА МЕЖКРИСТАЛЛИТНОЙ КОРРОЗИИ НА ТЯГОВЫХ АВИАЦИОННЫХ ТРУБАХ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЛИТЬЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

УДК 620.193:669.715

ПРОБЛЕМА МЕЖКРИСТАЛЛИТНОЙ КОРРОЗИИ НА ТЯГОВЫХ АВИАЦИОННЫХ ТРУБАХ

В. С. Синявский, докт. техн. наук (ОАО «ВИЛС», e-mail: info@oaovils.ru)

Определены возможные пути повышения сопротивления межкристаллитной коррозии (МКК) труб авиационного назначения из сплава Д16Т. Даны рекомендации по замене раствора при испытании на МКК. Предложено заменить контроль МКК на контроль сопротивления коррозионному растрескиванию. Объяснено появление расслаивающей коррозии при выявлении МКК.

Ключевые слова: сопротивление межкристаллитной коррозии, коррозионное растрескивание, расслаивающая коррозия, скорость охлаждения, режимы закалки, технология изготовления, ориентировка структуры.

Problems of Intercrystalline Corrosion Occurred on Aircraft Drawing Tubes.

V.S. Sinyavskiy.

Possible ways for an improvement in resistance to intercrystalline corrosion (ICC) occurred on aircraft D16T alloy tubes have been determined. Recommendations concerning replacement of solution for intercrystalline corrosion testing are made. It is proposed to replace ICC test by corrosion cracking resistance test. Occurrence of exfoliation corrosion during detection of ICC is explained. -(îî)- Key words: intercrystalline corrosion resistance, corrosion cracking, exfoliation cor- "(i*)-

rosion, cooling rate, quenching conditions, production technology, structural orientation.

Вопрос о коррозионном разрушении авиационных тяговых труб был описан в работе [1]. В ней было показано, что трещины, возникшие при эксплуатации на внешней поверхности труб из сплава Д16Т, произошли вследствие коррозионного растрескивания под напряжением (КР). Однако тогда не делали заключений о различии в механизме КР и межкристаллитной коррозии (МКК) [1, 2], было ясно, что развитие коррозионных повреждений в обоих случаях проходило по границам рекристалли-зованных зерен. Казалось очевидным, что для исключения разрушений необходимо сократить чувствительность к МКК или исключить ее полностью. Однако уже в работе [3] было показано, что для исключения МКК сплава Д16Т необходима скорость охлаждения садки не ниже 1100 °С/с. Видимо, по этой причине как при использовании старой технологии (нагрев -выдержка - перенос - охлаждение горизонтальной садки), так и новой (нагрев - вы-

держка - погружение вертикальной садки в охлаждающую ванну), невозможно полностью устранить чувствительность к МКК.

В работе ставилась задача повысить сопротивление МКК или рассмотреть возможные способы этого.

Контроль на МКК ведется в растворе 1 по ГОСТ 9.021-74, т. е. в растворе 3 % NaCl + 1 % HCl в течение 24 ч. После закалки в вертикальных печах не удается получить трубы без МКК и даже с регламентированной ее глубиной в пределах, например, ТУ 1-92-90-84 (0,15 мм). Разброс получается весьма значительный (табл. 1). Причем трубы с разной толщиной стенки имеют примерно одинаковые значения максимальной глубины МКК: нижние (0,15-0,25 мм) и верхние (0,80-0,90 мм). Когда выявлялись трещины на поверхности труб в эксплуатации, было ясно, что это трещины коррозионного растрескивания. Однако для контроля выбрали МКК, а не КР. Сам инициатор

Таблица 1

Статистические данные по сопротивлению МКК труб авиационного назначения

Имеют МКК

Толщина стенки, мм Число испытанных партий Число партий Сум-мар-ный % Интервал максимальных глубин, мм

1 82 2 3,2 0,6-0,95

1,5 472 24 5,1 0,2-0,85

2,0 228 24 10,5 0,15-0,80

2,5 160 24 15,0 0,25-0,90

3,0 51 19 37,3 0,25-0,90

3,5 17 6 35,5 0,25-0,90

4,0 24 9 37,5 0,25-0,85

5,0 37 20 54,0 0,25-0,85

этого в своей книге [3] писал, что алюминиевые сплавы в эксплуатации корродируют с кислородной деполяризацией. Там же он применял только такие методы: раствор 3 % №0! + 0,1 % Н2О2, 15 сут., испытания в морской воде и в камере солевого тумана. Однако в то время на КР надо было испытывать 90 сут., и автор работы [2] считал очевидным, что процессы МКК и КР ведут себя идентично для сплава

Д16Т и взаимовлияют. В отечественной практике был регламентирован только раствор с кислотой, т. е. определяющий коррозию с водородной деполяризацией.

Между тем в США и в странах, где используют стандарты ASTM, межкристаллитную коррозию определяют только в растворе NaCl + H2O2. При этом с целью сокращения длительности испытаний, которые в работе [2] составляли 15 сут., были увеличены концентрации растворов NaCl до 5,7 %, H2O2 до 0,3 % и температура до 30 °С. Время испытаний при этом установили 6 ч.

Во время разработки отечественного ГОСТ 9.021-74 ВИАМ и ВИЛС ввели раствор США в качестве второго. Затем в совместной работе по разработке международного стандарта ISO 11646:1995 оба раствора были включены в него. При этом было регламентировано, что раствор 5,8 % NaCl + 0,3 % H2O2 (метод А) применяли при оценке термообработки, а 3 % NaCl + 1 % HCl (метод B) - при определении влияния химического состава. Тем не менее, ВИАМ до сегодняшнего дня не ввел эти положения в ТУ 1-92-90-84 и ОСТ 1 -00038-71, что нанесло большой вред стабилизации коррозионного контроля.

Замена раствора 1 на раствор 2 позволяет уменьшить глубину МКК в 2-3 раза (табл. 2).

Таблица 2

Влияние режимов закалки и методики испытаний на сопротивление МКК и РСК труб (темплеты 40 х 4 х 350 мм) из сплава Д16Т (скорость опускания садки 0,9 м/с, температура воды 20 °С)

Номер п/п Режим закалки Максимальная глубина МКК, мм, с внешней стороны* Сопротивление РСК, балл

T °C т, мин раствор 1 (3 % NaCl + 1 % HCl) раствор 2 (5,7 % ЫаО! + 0,3 % Н2О2) внешняя сторона внутренняя сторона

1 480 25 0,20 Нет 6 7

2 495 25 0,98 0,11 5 6

3 500 25 0,35 0,11 5 6

4 500 50 0,35 Нет 5 6

5 505 15 0,25 Нет 5 6

6 505 25 0,20 0,08 6 7

7 505 50 0,55 Нет 6 7

8 510 25 0,63 Нет 5 6

9 520 25 1,37 трещины пережога 1,20 трещины пережога 6 7

10 530 25 2,30 трещины пережога 1,02 трещины пережога 6 7

С внутренней стороны МКК отсутствовала.

Таблица 3

Влияние температуры охлаждающей воды темплетов 40 х 4 х 500 мм на сопротивление МКК (температура нагрева под закалку 495 °С, выдержка 25 мин) при скорости опускания 6,9 м/с

Температура воды, °С

Максимальная глубина МКК с внешней стороны, мм

раствор 1

раствор 2

20 0,20 0,15 5 6

40 0,25 0,20 3 5

50 0,38 0,15 4 6

52 0,40 0,22 4 5

56 0,73 0,25 5 7

68 0,52 0,27 5 7

РСК, балл

с внешней стороны

с внутренней стороны

Рис. 1. Типичная структура труб:

а - с внешней; б - с внутренней стороны трубы (шлиф продольный), х 200

По табл. 2 в растворе 2 в половине случаев МКК отсутствовала, в остальных - глубина ее не превышала норм, предусмотренных в ТУ 1-99-90-84 и ОСТ 1-00038-71. При испытании в растворе 1 глубина МКК превышала нормы, иногда значительно. Все испытанные режимы закалки не влияли на величину МКК. Пережог фиксировали в обоих растворах в виде характерных трещин (п/п 9-10). МКК развивалась только с внешней стороны труб, с внутренней она отсутствовала. При этом заметно возрастала чувствительность к расслаивающей коррозии (РСК): с 5-6 балла на внешней стороне и до 6-7 на внутренней, что можно объяснить различиями в структуре.

С внешней стороны анизотропия зерен была значительно меньше, отношение продольного размера зерна к поперечному составляло 1,5-2,5. С внутренней стороны это отношение увеличивалось до 8-11 (рис. 1), соответственно появлялась РСК и затруднялось развитие МКК.

Понижение температуры охлаждающей воды до 20 °С позволяет существенно уменьшить чувствительность к МКК (табл. 3). Однако в реальных условиях закалки садки можно получить другие результаты (рис. 2). Так, если в начальное время температура воды в непосредственной близости к садке « 20 °С, то в конце погружения она составляет 95 °С. Поэтому для регулирования температуры необходимо интенсивное перемешивание. Сопротивление МКК на внутренней поверхности труб такое же, как показано в табл. 2, т. е. коррозия на этой поверхности отсутствует, соответст-

о

100 90 80

!«>■«.■/ л.- .. У ^г^ШМвй:-

а 70 § 60 £ 50 I 40

о

к 30 а 30

Н 20 10

0

Конец погружения

- Начало

погружения

...... .........

10

12 14

16 т, с

Рис. 2. Изменение температуры воды в непосредственной близости от садки труб массой270кг

Таблица 4

Влияние технологии изготовления труб

(0 40 х 4) на сопротивление МКК

Максимальная

глубина МКК с внеш-

Технология изготовления ней стороны*, мм

раствор 1 раствор 2

Волочение без правки 0,53 0,30

Волочение,правка 0,38 0,15

растяжением

Волочение, правка 0,45 Нет

на рожковой машине

Прокатка без правки 0,40 0,25

Прокатка, 0,65 0,35

правка растяжением

Прокатка, правка 0,32 0,22

на рожковой машине

Прессование без правки 0,27 0,23

Прессование, 0,35 0,22

правка растяжением

Прессование, правка Нет Нет

на рожковой машине

То же, другая серия 0,65 0,10

* С внутренней стороны МКК отсутствует.

венно, и сопротивление РСК на внешней поверхности составляет 3-5 баллов, на внутренней 5-7 баллов. Следовательно, на внутренней поверхности РСК представляет определенную опасность. Однако эта поверхность на тяговых трубах в меньшей мере подвергается воздействию агрессивной среды.

Были изучены и различные технологические схемы изготовления труб. В табл. 4 показано небольшое влияние технологии изготовления труб на сопротивление МКК. Тем более, что снижение чувствительности к МКК сопровождается понижением сопротивления РСК.

С самого начала применения труб для систем управления в авиации было ясно, что речь идет о коррозионном растрескивании, а не о межкристаллитной коррозии. Однако автор предложений о контроле МКК исходил из неправильных в то время представлений о сходстве в механизме этих видов разрушения для Д16Т. Неправильным был также выбор метода контроля, в котором коррозия проходила с водородной деполяризацией. При испытании на МКК в кислом растворе выявляются случаи КР (рис. 3) и РСК [3]. Однако все они классифицировались как разновидности МКК.

Рис. 3. Вид коррозионного растрескивания на трубах 0 40 х 4 мм из сплава Д16Т при испытаниях на МКК, х 200

Таблица 5

Влияние температуры нагрева под закалку и охлаждающей воды на сопротивление коррозионному растрескиванию темплетов (0 40 х 4 х 150 мм) труб из сплава Д16 (кольцевые образцы, а = 0,75ст02)

Условия закалки Время до раз-рушения, сут. Металлографические исследования после испытания 90 сут. на КР

Характер коррозии Максимальная глубина коррозии, мм

500 °С ^ 20 °С >90 Транскрис- 0,20

таллитная,

питтинг

505 °С ^ 20 °С >90 То же 0,25

510 °С ^ 20 °С >90 - " - 0,12

495 °С ^ 50 °С >90 Трещины 0,45

МКК

495 °С ^ 50 °С >90 То же 0,36

495 °С ^ 52 °С >90 - " - 0,45

495 °С ^ 56 °С >90 0,52

Были проведены испытания на КР при ст = 0,75ст0,2 (табл. 5). Образцы, закаленные по разным режимам не разрушились в течение 90 сут. Однако при закалке в воде с температурой 20 °С после испытаний были обнаружены только транскристаллитные поражения. Следовательно, образцы не чувствительны к КР.

Образцы закаленные в воде с температурой 50 °С после испытаний имели межкристал-литную структуру, т. е. они подвержены КР, но выявить его за более короткое время не удалось.

Это удалось сделать в работе по исследованию МКК и КР при переходе закалки листов из селитровых ванн в конвейерный агрегат [4]. Было показано, что в тех случаях, когда чувствительность к МКК увеличивается, сопротивление КР, напротив, возрастает. Удалось также исключить МКК при закалке с температуры 500 °С, при ликвидации остановок конвейера и интенсивном охлаждении .

Из представленных данных видно, что для контроля коррозии тяговых труб из сплава Д16Т более целесообразно определять их сопротивление коррозионному растрескиванию. Сегодня, используя модифицированную установку «Сигнал», можно разработать методику контроля КР длительностью до 10 сут.

Также важен вопрос о влиянии различных операций закалки на скорость охлаждения (табл. 6).

Для исследования интенсивности охлаждения использовали темплеты труб диаметром

40 х 4 х 350 мм с заделанными в них термопарами, изготовленными из термопарного провода ПКН-ХК-0,2, которые зачеканивали в отверстия диаметром 1 мм. При температуре воды 20 °С и скорости опускания труб в воду 10,75 м/с при индивидуальном охлаждении темплетов удалось несколько приблизится к критической скорости закалки. Однако при температуре воды выше 40 °С vохл уменьшалась с 800 до 200 °С/с, т. е. в область, достаточно чувствительной к МКК. Так же снижение vохл наблюдали в случае привязки темплетов к реальной садке при температуре воды 20 °С. Таким образом, изменение реальных скоростей охлаждения подтвердило невозможность существенного снижения МКК при существующей методике испытаний. В то же время показало, что уменьшение температуры воды в закалочном баке в отличие от МКК резко повышает сопротивление КР. А именно эта величина определяет надежность эксплуатации труб в авиации. В целом анализ представленных результатов показывает возможность некоторого повышения сопротивления к МКК. Это связано с кардинальным изменением принятой методики. Кроме того, показано, что обычная технология не позволяет полностью решить эту проблему. По результатам работ, проведенным в ОАО «ВИЛС», установили, что это возможно, используя технологию, изменяющую структуру на атомном уровне [4, 5]. Для этого необходимо проведение обстоятельных объемных исследований.

Таблица 6

Влияние параметров закалки на скорость охлаждения (Уохл, °С/с) отрезков темплетов (0 40 х 4 х 350 мм) раздельно и привязанных к садке

Температура воды Т, °С Скорость °С/с, 500-100 °С, отдельно Цохл, °С/с, в садке

^нач ^кон опускания в воду Ц-,п, м/с с внешней стороны с внутренней стороны внешняя внутренняя

20 21 0,1 571 454 - -

20 21 0,75 820 512

22 26 0,75 - - 247 247

21 22 1,10 870 483 - -

41 42 0,90 444 294 - -

53 57 0,80 267 250 - -

60 62 1,00 183 182 - -

Выводы

1. Для снижения чувствительности к меж-кристаллитной коррозии тяговых авиационных труб из сплава Д16Т в первую очередь необходимо изменить состав раствора для испытания: вместо 3 % NaCl + 1 % HCl ввести раствор 2 по ГОСТ 9.021-74 и методике ISO 11646: 6,8 % NaCl + 0,3 % H2O2, поддерживать температуру закалочной воды около 20 °С. Ввести интенсивное перемешивание воды в период опускания садки в закалочный бак для исключения локальных перегревов.

2. С целью максимального приближения скорости охлаждения при закалке к значениям

критической скорости требуется изменить согласование нагрева и охлаждения с тем, чтобы при минимальном времени переноса из печи в закалочный бак обеспечить незамедлительное полное погружение садки в воду с интенсивным перемешиванием.

3. Целесообразно заменить контроль МКК на контроль КР. Для этого необходимо разработать пригодную для производства методику испытания на коррозионное растрескивание. Переход на контроль КР позволит кардинально изменить технологию, которую легче будет регулировать и позволит обеспечить надежность труб в эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Павлов С.Е. Межкристаллитная коррозия и коррозия под напряжением труб из сплава Д16Т // В сб.: Труды «ВИАМ». 1957. № 7. С. 218-235.

2. Павлов С.Е. К вопросу о коррозионном растрескивании алюминиевых сплавов // В сб.: Труды «ВИАМ». 1957. № 7. С. 184-198.

3. Павлов С.Е. Коррозия дуралюмина. - М.: Оборон-гиз, 1949. - 211 с.

4. Гостева З.В., Синявский В.С., Захаров Е.Д. и др. Коррозионная стойкость листов из сплава

Д16 // Технология легких сплавов. 1965. № 6. С. 31-36.

5. Синявский В.С., Вальков В.Д., Калинин В.Д.

Коррозия и защита алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1986. - 368 с.

6. Синявский В.С. Дислокационно-электрохимический механизм коррозии под напряжением алюминиевых сплавов как основа создания новых способов антикоррозионной защиты// Технология легких сплавов. 2011. № 3. С. 79-84.

-Ф-

-Ф-