醋酸鉀型除冰液薄液膜厚度對飛機用4130鋼腐蝕行為的影響

楊 麗,林修洲,梅擁軍,李 月,杜 勇,鄭興文,羅淑文

(1. 四川理工學院 材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，自貢 643000; 2. 中國民航局第二研究所，成都 610041)

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醋酸鉀型除冰液薄液膜厚度對飛機用4130鋼腐蝕行為的影響

楊 麗1,林修洲1,梅擁軍2,李 月1,杜 勇1,鄭興文1,羅淑文2

(1. 四川理工學院 材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，自貢 643000; 2. 中國民航局第二研究所，成都 610041)

搭建了薄液膜腐蝕試驗裝置，使用膨體聚四氟乙烯(E-PTFE)防水透氣膜準確控制了薄液膜厚度。利用電化學方法研究了質(zhì)量分數(shù)為5%的醋酸鉀型除冰液薄液膜厚度對飛機用4130基材鋼腐蝕行為的影響。結(jié)果表明：該體系腐蝕過程主要受陰極氧擴散控制，薄液膜下腐蝕產(chǎn)物的溶解與擴散過程對腐蝕速率有較大影響;不同液膜厚度下腐蝕體系的阻抗譜均只有一個時間常數(shù)，且溶液電阻隨液膜厚度增大而減小。當液膜厚度很薄(30 μm左右)時，腐蝕速率很低；隨液膜變厚，腐蝕速率先緩慢升高，然后迅速上升；在液膜厚度200 μm左右達到極值，然后快速下降；當膜厚進一步增大，接近全浸狀態(tài)，腐蝕速率又逐漸升高，并趨于穩(wěn)定。

4130鋼；醋酸鉀型除冰液；電解液膜；電化學測試

在世界航空史上，由于惡劣的冰雪天氣已引發(fā)多起空難事故[1-4]。在冰雪氣象條件下，通常使用機場道面除冰液消除跑道、滑行道及停機坪的積雪與結(jié)冰，這是航空業(yè)保持冬季運行安全必不可少的重要工作之一[5]。然而，飛濺到飛機起落架上的道面除冰液常引起其基體及其表面鍍鎘層的嚴重腐蝕，存在嚴重的安全隱患[6]。

4130鋼具有較高的強度、韌性、淬透性、熱強度等優(yōu)點，是飛機起落架零部件的重要基體材料。目前關于4130鋼焊接性能的研究較多，但關于其腐蝕性能的研究較少[7-11]。道面除冰液對4130鋼及表面鍍鎘層的腐蝕是在干濕交替及動態(tài)薄液膜環(huán)境中的復雜腐蝕過程。薄液膜腐蝕作為大氣腐蝕的重要研究內(nèi)容[12]，近年來已取得了很大進展[13-17]，但液膜厚度的穩(wěn)定控制一直是試驗的難點；同時，作為飛機起落架重要的基體材料，4130鋼在除冰液薄液膜下的腐蝕研究至今鮮見報道。防水透氣膜的使用可極大地降低因液體蒸發(fā)、震動等造成的膜厚變化，提高液膜厚度控制的精度和穩(wěn)定性[18]。本工作采用自行設計制作的薄液膜腐蝕試驗裝置，利用E-PTFE防水透氣膜穩(wěn)定控制液膜厚度，對飛機用4130鋼在醋酸鉀型除冰液薄液膜下的腐蝕行為進行了研究。

1　試驗

試驗材料為美國進口4130鋼(退火狀態(tài))，化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為：C 0.28,Cr 0.80,Si 0.15,Mn 0.40,Mo 0.25,S≤0.040,Ni≤0.030。將4130鋼線切割成φ12 mm×10 mm的試樣，試樣后端面焊接導線，環(huán)氧樹脂封樣后僅留一個前端面作為工作面，經(jīng)砂紙逐級打磨后,再用丙酮除油，蒸餾水沖洗，冷風干燥備用。

腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分數(shù)5%醋酸鉀型除冰液，用醋酸鉀型機場道面除冰液(中國民航局第二研究所提供)和去離子水配制。參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，鉑絲(φ0.25 mm)作為輔助電極繞于距離工作電極表面2 mm處，工作電極固定在置于可調(diào)水平臺的電解槽中，利用水平臺控制工作電極表面水平。將E-PTFE防水透氣膜固定于千分尺尖端，調(diào)節(jié)千分尺使透氣膜到工作電極表面距離為d，即薄液膜厚度。試驗時調(diào)節(jié)液膜厚度分別為30,90,150,200,240,350,600,1 000 μm。

利用CHI660E型電化學工作站進行電化學阻抗及極化曲線等測試。電化學阻抗測量頻率范圍為0.01～105Hz，激勵信號幅值為5 mV，極化曲線測量掃描速率為0.001 V/s。

2　結(jié)果與討論

2.1極化曲線

圖1為4130鋼在不同厚度除冰液薄液膜下浸泡2 h后測得的極化曲線。該體系溶液呈弱堿性，陰極反應主要為氧還原反應：

(1)

由圖1可見,陰極極化曲線可分為三個區(qū)域：區(qū)域I為開路電位附近的弱極化區(qū)，此區(qū)域腐蝕電流密度較??；區(qū)域II出現(xiàn)明顯的極限擴散電流，陰極過程主要受氧擴散控制，腐蝕速率較大；區(qū)域III開始發(fā)生析氫反應，腐蝕電流密度迅速增大[19]。陽極極化曲線顯示，在該薄液膜體系中，4130鋼易發(fā)生鈍化，主要原因可能是薄液膜層下，液相中Fe2+的含量達到飽和狀態(tài)[20]，也可能是除冰液中緩蝕劑的存在，使金屬表面生成保護性的氧化膜，從而使金屬達到鈍態(tài)。

對圖1數(shù)據(jù)進行擬合，得到4130鋼在不同厚度除冰液薄液膜下的腐蝕電化學參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1　不同厚度除冰液薄液膜下4130鋼的腐蝕電化學參數(shù)

由表1可知，當液膜厚度很薄(30 μm)時，腐蝕電流密度很低，隨著液膜厚度增大，腐蝕電流密度先緩慢升高，然后迅速上升，在液膜厚度200 μm左右達到極值，然后快速下降,當液膜厚度達到350 μm后，腐蝕電流密度又逐漸升高，并趨于穩(wěn)定。

2.2電化學阻抗測試

圖2為4130鋼在不同厚度除冰液薄液膜下的Nyquist圖和Bode圖。Nyquist圖只存在一半圓弧，表示該薄液膜體系的極化電阻主要來自液相傳質(zhì)阻力；Bode圖顯示不同液膜厚度下的阻抗譜均只有一個時間常數(shù)，高頻區(qū)阻抗模值表現(xiàn)為溶液電阻大小。

體系的電化學阻抗譜可用圖3所示的等效電路圖進行擬合分析，擬合結(jié)果如表2所示。其中：Rs為4130鋼與參比電極間的溶液電阻；Q為常相位角元件；Rp為極化電阻，反應金屬腐蝕的強度，通常用1/Rp表示腐蝕速率的大小。

由表2可知，隨著液膜厚度增加，溶液電阻逐漸減小。圖4為腐蝕速率(1/Rp)隨液膜厚度的變化趨勢,與腐蝕電流密度隨液膜厚度的變化趨勢(見表1)一致。當液膜厚度為30 μm左右，液膜層極薄，腐蝕產(chǎn)物的溶解與擴散受阻，電流分布不均勻，陰極氧還原反應受到抑制，腐蝕速率極?。浑S著液膜變厚，陽極腐蝕產(chǎn)物的溶解與遷移阻力減小，陽極反應受到促進；氧擴散阻力增加，抑制陰極反應的進行，但陽極反應受到的促進作用大于陰極反應受到的抑制作用，所以腐蝕速率增大；當液膜厚度大于200 μm后，氧擴散阻力進一步增大使陰極反應受到的抑制作用占主導地位，腐蝕速率逐漸減小；當薄液膜層厚度很大時，接近全浸狀態(tài)，金屬腐蝕產(chǎn)物的溶解與遷移容易，腐蝕反應主要受陰極氧擴散控制，腐蝕速率逐漸增大，并趨于穩(wěn)定。

表2　不同厚度除冰液薄液膜下4130鋼的EIS擬合結(jié)果

3　結(jié)論

(1) 飛機用4130鋼在醋酸鉀型除冰液薄液膜條件下，分別由極化曲線和電化學阻抗譜分析得到的腐蝕速率與液膜厚變化趨勢一致。當液膜厚度很薄時，腐蝕速率很低；隨液膜變厚，腐蝕速率先緩慢升高，然后迅速上升；在液膜厚度200 μm左右達到極值，然后快速下降；當液膜厚度進一步增加，接近全浸狀態(tài)，腐蝕速率又逐漸升高，并趨于穩(wěn)定。

(2) 該體系腐蝕過程主要受陰極氧擴散控制，薄液膜下腐蝕產(chǎn)物的溶解與擴散過程對腐蝕速率有較大影響。

(3) 該腐蝕體系在不同液膜厚度下的阻抗譜均只有一個時間常數(shù)，且溶液電阻隨著液膜厚度增加而減小。

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Effect of Electrolyte Layer Thickness of Potassium Acetate Type Deicing Fluid on Corrosion Behavior of 4130 Steel

YANG Li1, LIN Xiu-zhou1, MEI Yong-jun2, LI Yue1, DU Yong1, ZHENG Xing-wen1, LUO Shu-wen2

(1. Sichuan Province Key Laboratory for Corrosion and Protection of Materials, Sichuan University of Science &Engineering, Zigong 643000, China; 2. The Second Research Institute of CAAC, Chengdu 610041, China)

A test apparatus was set up and the thickness of electrolyte layer was controlled accurately using E-PTFE waterproof breathable film. The influence of the thickness of 5 mass% potassium acetate type deicing fluid electrolyte layer on the corrosion behavior of 4130 carbon steel for airplane was studied by electrochemical method. The results show that the corrosion processes in this system were mainly controlled by oxygen diffusion on cathode. The dissolution and diffusion of corrosion products under the electrolyte layer had great influence on corrosion rate. The impedance spectra of corrosion system in different thicknesses had one time constant, and the solution resistance decreased with the increase of thickness. When the layer thickness was thin (approximate 30 μm), the corrosion rate was tiny. With the increase of thickness, the corrosion rate increased gently at first, and then rose rapidly. When the thickness was about 200 μm, the corrosion rate reached an extremum and then decreased rapidly. When the electrolyte layer continuously increased in thickness, close to full immersion state, the corrosion rate increased gradually and then turned to be stable.

4130 steel; potassium acetate type deicing fluid; electrolyte layer; electrochemical test

10.11973/fsyfh-201604017

2015-03-24

國家自然科學基金(U1333103)； 四川省青年基金(2014JQ0036)； 四川理工學院特色科學方向培育工程項目(2014TS12)

林修洲(1974-)，教授，博士，從事材料失效與保護、材料表面工程等研究,linxiuzhou@163.com

TG172.3

A

1005-748X(2016)04-0350-04