航空发动机用离子镀银紧固件的耐酸性盐雾性能研究

詹兴刚，胡军林，刘 燕，李 祥，林修洲，裴烈勇，袁光生，詹永琴，黄 丽，韩珍梅

（1.贵州航天精工制造有限公司，贵州 遵义 563000；2.天津市紧固连接技术企业重点实验室，天津 300300；3.四川轻化工大学材料学院，四川 自贡 643000）

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，为航空器提供飞行所需动力的发动机，作为飞机的心脏，被誉为“工业皇冠上的明珠”，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。航空发动机因高可靠性、高强度、高耐温、高耐蚀、高抗疲劳等特性要求，配套紧固件多采用高温合金，主要类别包括铁基（GH2132、GH3030等）、镍基（GH4169、GH738等）及钴基（GH159等）三类，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作，并具有较高的高温强度，良好的抗氧化、抗腐蚀性能、疲劳性能及断裂韧性等综合性能。因高温环境下工作的紧固件需定期拆装，紧固件的腐蚀问题制约了连接可靠性［1-5］，所以多采用镀银处理，满足紧固件高温服役、常温拆装工况下的润滑及耐蚀性能要求。目前大量应用的是电镀银工艺，其工艺成熟，且易于批量生产，但该工艺制备的镀层存在氢脆风险，同时，航空发动机日常维护拆卸过程中偶发粘结、咬死、变色等问题，影响着发动机维修进度和可靠性［6-10］。因此，研究一种耐蚀性好、结合强度高、纯度高的润滑耐蚀银层制备工艺具有重要意义。真空离子镀银是在真空环境下在紧固件表面形成银薄膜的工艺，制备的镀层致密、结合强度高，工艺过程无氢脆风险，绿色环保，是较为理想的替代工艺方法。

随着“深海战略”的推进实施，各类航空航天装备全域服役，对舰载装备为例的各类型号及配套零部件提出了耐192 h酸性盐雾的试验要求。国内外开展了多种材料的耐酸性盐雾性能研究［11-13］。镀银层的前后处理对其耐蚀性能影响显著，打底镍层［14］、外加涂覆保护剂［15-17］都可以提升材料的耐腐蚀性能。为满足航空发动机所有高温合金螺纹紧固件的耐蚀润滑性能，本文考察了真空离子镀银紧固件的耐酸性盐雾性能，不同前后处理工艺对产品耐蚀性能的影响，优选了工艺以满足航空发动机对配套紧固件的各项性能要求。

1 试验

1.1 试验样件

选择不同材料牌号、不同种类和规格发动机螺栓螺母进行镀层制备和性能验证，样件信息见表1。

表1 样件清单Tab.1 List of samples

1.2 工艺流程

紧固件表面处理流程为：验收→除油→喷砂→活化→预镀镍→装炉→真空离子镀银［18-19］（I.V.D.Ag）→出炉→后处理（成膜→去膜→浸亮）→涂覆保护剂→检验。

其中真空离子镀银的工艺流程为：抽真空（≤10-3Pa，≥20 min）→离子刻蚀（≤10-1Pa，≥20 min）→离子轰击（≥6 min）→离子镀银（≥6 min）→中频磁控溅射镀银（≥30 min）→直流镀银（≥90 min）。镀银层的厚度为5～8 μm。

1.2.1 预镀镍

工艺1（采用Ap.Ni表示）：先采用氯化物镀镍，随后采用化学镀镍；化学镀镍包括碱性化学镀镍、酸性化学镀镍两个步骤，以及固化热稳定。镀层厚度范围2～4 μm。

工艺2（采用Ep.Ni表示）：先采用氯化物镀镍，随后采用氨基磺酸盐镀镍。镀层厚度范围2～4 μm。

1.2.2 涂覆保护剂

镀银层后处理后分别采用商品化的HTAg-2000防变色剂、LD-4310保护剂、BK保护剂三种处理方式，室温涂覆2～3次，每次涂覆时间15～30 s。

1.3 性能检测

按T/CSEA 15—2021《真空磁控溅射镀银工艺及质量检验》规定检验镀层各项性能［20］。产品的酸性盐雾试验参照GJB 150.11A《军用装备实验室环境试验方法，第11部份：盐雾试验》执行，其中喷雾采用乙酸调整氯化钠盐溶液pH至3.5，然后按照24 h喷雾、24 h停止喷雾进行干燥交替循环试验。每24 h记录1次样件的腐蚀现象，试验周期满足192 h即停止试验。

2 结果与讨论

2.1 镀层剖面形貌及成分分析

图1为镀银螺母剖面形貌图及镀层成分先扫描结果。图1（a）和图1（b）为螺母内螺纹牙顶镀层剖面形貌，从图中可以看出，预镀镍和镀银层没有明显的界面，镀层整体厚度为4～9 μm。选择图1（b）中A到B位置进行了成分线扫描，得到镀层成分的渐变情况见图1（c）。可以看到，从基体向镀层过渡的区域，镍含量显著升高，为预镀镍层。涂覆保护剂的厚度都非常薄，且主要成分为高分子有机物，通过扫描电镜和SEM难以直接观测。但通过肉眼观察可发现镀层表面亮度有轻微变化。

图1 镀层剖面形貌及成分线扫描结果Fig.1 Profile morphology of the coating and its component line scanning results

2.2 GH738紧固件耐酸性盐雾性能

GH738紧固件采用了不同的预镀处理和保护剂处理后，耐酸性盐雾试验结果见表2，其中Ap.Ni预镀的产品试验结束后外观见图2。从表2结果可知，预镀前处理方式对产品最终的耐腐蚀性能影响不明显，无论是否采用预镀镍工艺，都未改变产品最终的腐蚀状态。不同的保护剂对紧固件的耐酸性盐雾性能影响显著，采用HTAg-2000和BK保护剂都能很好地防止产品及银层出现腐蚀现象，可满足192 h的酸性盐雾试验要求；而LD-4310保护剂则无法通过酸性盐雾试验考察。GH738高温合金是γ相沉淀强化镍基高温合金材料，具有良好的耐燃气腐蚀能力、较高的屈服强度和疲劳性能，工艺塑性良好，组织稳定。广泛应用于航空发动机转动部件，使用温度≥815℃，可以用来生产冷轧、热轧板材、管材、带材、丝材、锻件、铸件以及紧固件等。酸性试验后紧固件产品出现的绿色腐蚀产物推测为镍的化合物，黑点为银镀层及其夹杂物在试验过程中产生的腐蚀产物。

表2 GH738紧固件耐酸性盐雾试验结果Tab.2 Acid salt spray test results of GH738 fasteners

图2 经192 h酸性盐雾试验后自锁螺母外观（Ap.Ni处理）Fig.2 Appearance of self-lock nut after 192 h acid salt spray test（Ap.Ni treatment）

2.3 GH4169紧固件耐酸性盐雾性能

GH4169紧固件采用了不同的预镀处理和保护剂处理后，耐酸性盐雾试验结果见表3，其中Ap.Ni预镀的产品试验结束后外观见图3。从表3结果可知，与GH738材料紧固件类似，预镀前处理方式对产品最终的耐腐蚀性能影响不明显，无论是否采用预镀镍工艺，都未改变产品最终的腐蚀状态。不同的保护剂对紧固件的耐酸性盐雾性能影响显著，采用HTAg-2000和BK保护剂都能很好的防止产品及银层出现腐蚀现象，可满足192 h的酸性盐雾试验要求；而LD-4310保护剂则无法通过酸性盐雾试验考察。BK保护剂在与氯化物镀镍+氨基磺酸盐镀镍匹配时，出现了轻微的涂层剥落现象。

图3 经192 h酸性盐雾试验后十二角头螺栓外观（Ap.Ni处理）Fig.3 Appearance of twelve-point bolt after 192 h acid salt spray test（Ap.Ni treatment）

GH4169高温合金是以体心四方和面心立方的相沉淀强化的镍基高温合金材料，在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能以及良好的加工性能、且焊接性能良好。制造各种形状复杂的零部件，在宇航、核能、石油工业、挤压模具以及在航空发动机紧固件领域应用较广。GH4169自身耐蚀性较好。后处理采用浸涂LD-4310纳米保护剂后耐蚀性较差，≤48 h后表面变绿带黑点。不同预镀镍前处理方式经酸性盐雾试验，耐蚀性时间依次为：Ep.Ni 120 h＞Ap.Ni 96 h＞无预镀镍48 h，结果见图4。

2.4 GH2132紧固件耐酸性盐雾性能

GH2132紧固件采用了不同的预镀处理和保护剂进行处理，Ep.Ni预镀的产品试验结束后外观见图5，耐酸性盐雾试验结果见表4。耐蚀性高温合金（GH2132）是Fe-25Ni-15Cr基高温合金材料，加入钼、钛、铝、钒及微量硼综合强化，在650℃以下具有高的屈服强度和持久、蠕变强度，并且具有较好的加工塑性和满意的焊接性能，适合制造在650℃以下长期工作的航空发动机高温承接部件，如涡轮盘、压力机盘、转子叶片及紧固件等。从表4和图6中分析结果显示，GH2132自身耐蚀性一般，在真空离子镀银前采用了不同的预镀镍处理、防银变色后处理，得到预镀层及后处理的关系：（1）192 h酸性盐雾试验时间从长到短：Ep.Ni＞Ap.Ni＞无预镀镍；（2）HTAg-2000防变色剂＞BK保护剂＞LD-4310保护剂。GH2132紧固件通过预镀底层（Ep.Ni、Ap.Ni）后采用合适后处理（HTAg-2000防银变色剂、BK保护剂）银层基本能满足192 h酸性盐雾试验要求，后处理采用浸涂LD-4310纳米保护剂后耐蚀性很差，≤48 h后表面变绿带黑点。而不加预镀底层采用任何后处理后耐蚀性试验均不合格。

图5 192 h酸性盐雾试验后自锁螺母外观（Ep.Ni处理）Fig.5 Appearance of self-lock nut after 192 h acid salt spray test（Ep.Ni treatment）

表4 GH2132紧固件耐酸性盐雾试验结果Tab.4 Acid salt spray test results of GH2132 fasteners

图6 GH2132紧固件的耐蚀性Fig.6 Corrosion resistance of GH2132 alloy fasteners

3 结论

本文研究了GH2132、GH4169、GH4738三种高温合金紧固件不同工艺及后处理方法对产品耐酸性盐雾性能的影响，得出高温合金真空离子镀银层的酸性盐雾性能与预镀层及保护剂的关系。

（1）预镀层关系对酸性盐雾性能的改善效果为：Ep.Ni优于Ap.Ni，预镀镍优化无预镀镍。

（2）涂覆保护剂能有效提升紧固件的耐酸性盐雾性能，效果优劣排序为：HTAg-2000防变色剂＞BK保护剂＞LD-4310保护剂。