摘要：C01型膜盘联轴器是安装在某船舶露天甲板上的。在船舶航行过程中,甲板上会溅入大量海水,经过联轴器两端的风机作用,膜盘联轴器服役于高浓度海水盐雾中,这对膜盘联轴器上连接螺栓的耐蚀性提出了更高的要求。膜盘材料为TC4钛合金,因此在考虑螺栓材料耐蚀性的同时,应确保其
C01型膜盘联轴器是安装在某船舶露天甲板上的。在船舶航行过程中,甲板上会溅入大量海水,经过联轴器两端的风机作用,膜盘联轴器服役于高浓度海水盐雾中,这对膜盘联轴器上连接螺栓的耐蚀性提出了更高的要求。膜盘材料为TC4钛合金,因此在考虑螺栓材料耐蚀性的同时,应确保其与TC4钛合金不会形成明显的电偶腐蚀。
15-5PH（0Cr15Ni5Cu4Nb）不锈钢具有很好的表面光滑性和尺寸稳定性,且加工性能好,力学性能优良,耐一般环境腐蚀[1-3]。15-5PH不锈钢是在17-4PH不锈钢的基础上发展起来的一种马氏体沉淀硬化不锈钢,其不仅广泛应用于航空、航天以及核电等尖端领域,而且在海洋工程设备中（如与各种海水接触的高压容器、螺旋桨、传动轴承和船体的外壳等）的使用也日益增多,因此适合作为高浓度海水盐雾环境中的紧固件材料[4-6]。C01型膜盘联轴器紧固件材料为15-5PH不锈钢,长期运行后多次出现不明原因的腐蚀断裂现象[7],因此需要寻找适用于高盐雾环境中的联轴器材料。15-5PH不锈钢的力学性能及C01膜盘联轴器紧固件的力学性能及要求如表1所示,可以看出,15-5PH不锈钢的力学性能满足C01膜盘联轴器的力学性能要求。但15-5PH不锈钢是否满足联轴器的耐蚀性要求,还需要进一步研究。
表 1 15-5PH不锈钢力学性能及要求
Table 1. Mechanical properties and requirements of 15-5PH stainless steel
项目抗拉强度/（N·mm-2）屈服强度/（N·mm-2）断面收缩率/%硬度/HB15-5PH力学性能1 3101 20555331要求值≥1 030≥835≥45≥331目前,关于15-5PH不锈钢与TC4钛合金（C01型膜盘联轴器常用材料）耦合使用时的腐蚀研究相对较少。笔者通过点蚀试验、缝隙腐蚀试验、应力腐蚀试验、疲劳腐蚀试验、电偶腐蚀试验和模拟腐蚀试验等,对15-5PH不锈钢的耐蚀性进行了研究。以期为15-5PH不锈钢在高盐雾环境钛合金膜盘联轴器中的应用提供参考。
按照GB/T 17897-2016《不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》开展点蚀试验,具体试验参数如下：试验溶液为6%（质量分数,下同）FeCl3溶液；试验时间为72 h；溶液温度为55 ℃,采用三个平行试样,见图1。
图 1 点蚀试样宏观形貌
Figure 1. Macrographs of samples after pitting corrosion
按照GB/T 10127-2002《不锈钢三氯化铁缝隙腐蚀试验方法》开展缝隙腐蚀试验,具体试验参数如下：试验溶液为6% FeCl3溶液；试验时间为72 h；溶液温度为55 ℃,缝隙腐蚀示意见图2。
图 2 缝隙腐蚀试验示意
Figure 2. Schematic diagram of crevice corrosion
按照GB/T 15970.7-2000《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分：慢应变速率试验》开展试验,具体试验参数如下：拉伸应变速率为10-6 /s；腐蚀介质为模拟海水溶液（3.5%NaCl溶液）；试验温度为室温。试样尺寸如图3所示。
图 3 慢应变速率拉伸试样尺寸
Figure 3. Dimensions of slow strain rate tensile specimens
按照GB/T 20120.2-2006《金属和合金的腐蚀腐蚀疲劳试验第2部分：预裂纹试样裂纹扩展试验》开展试验,试样尺寸如图4所示。疲劳腐蚀试验参数如下：最大应力360 MPa；最小应力0 MPa；应力频率10 Hz；最大循环周期106次；腐蚀介质为海水；试验在常温下进行。
图 4 疲劳腐蚀拉伸试样尺寸
Figure 4. Dimensions of tensile specimens for fatigue corrosion
参考GB/T 15748-2013《船用金属材料电偶腐蚀试验方法》开展试验,使用多通道电偶腐蚀仪记录电偶腐蚀电位和电流,具体试验参数如下：腐蚀介质为天然海水；试验时间为15 d；试验温度为室温。
由图5可见：经过点蚀试验后,15-5PH不锈钢表面点蚀坑数量较多,且点蚀坑深度较深。点蚀质量损失测量结果表明,三个平行试样的质量损失相近,平均质量损失为4.571 5 g。点蚀深度统计结果表明：15-5PH不锈钢的点蚀深度相对较大,见表2。点蚀试验结果表明15-5PH不锈钢具有较强的点蚀敏感性,且点蚀坑主要向纵深发展[8-9]。
图 5 15-5PH不锈钢经过点蚀试验后的表面宏观形貌
Figure 5. Macro surface morphology of 15-5PH stainless steel after pitting test before (a) and after (b) acid pickling
表 2 点蚀坑深度统计结果
Table 2. Pit depth statistics results
由图6可见：人工缝隙处发生了优先腐蚀,其他部位也发生了不同程度的点蚀。缝隙腐蚀质量损失测量结果表明：三个平行试样的腐蚀质量损失较为接近,平均质量损失为2.633 g,远小于由点蚀试验导致的腐蚀质量损失。缝隙腐蚀试验结果表明15-5PH不锈钢具有缝隙腐蚀敏感性,实际应用过程中应尽量避免出现这种缝隙工况[10-11]。
图 6 15-5PH不锈钢缝隙腐蚀试验后的形貌
Figure 6. Morphology of 15-5PH stainless steel after crevice corrosion test before (a) and after (b) acid pickling
由图7可见：在空白和海水环境中,15-5PH不锈钢的应力-位移曲线在弹性阶段基本重合,表明海水环境对15-5PH不锈钢的力学行为没有显著影响[12]。
图 7 15-5PH不锈钢的慢拉伸应力-位移曲线
Figure 7. Stress-displacement curves of 15-5PH stainless steel with slow strain tension
由表3可见：15-5PH不锈钢的抗拉强度敏感性比值、断后伸长率敏感性比值和断口收缩率敏感性比值均接近1,可以认为其在海水中没有显著的应力腐蚀敏感性[13]。
编号抗拉强度/MPa断后伸长率/%断口收缩率/%15-5-空白-11 1505.3332.3515-5-空白-21 1586.8043.7515-5-空白-31 1437.8749.9415-5-海水-11 1509.0357.1015-5-海水-21 1666.3044.5015-5-海水-31 1367.3737.59敏感性比值1.001.151.10由图8可见：在两种试验环境中,试样断口处都发生了较为明显的颈缩,高倍下可见明显的韧窝组织,试样断裂为典型的韧性断裂,结合敏感性数据进一步表明15-5PH不锈钢在海水中没有显著的应力腐蚀敏感性。
图 8 15-5PH不锈钢在不同环境中经慢应变拉伸试验后的断口微观形貌
Figure 8. Microstructure of 15-5PH stainless steel after slow strain tension in blank (a, b) and sea water (c, d) enrironment
经过106次的疲劳腐蚀试验,所有参与测试的试样均未发生疲劳断裂。
图9是15-5PH不锈钢在疲劳试验过程中,有效弹性模量随循环周期次数的变化情况,可以看出,在整个循环周期内,所有试样的有效弹性模量都没有明显的波动,说明试样的力学性能没有受到试验过程的影响。在给定的疲劳应力工况下,可以认为试样没有明显的疲劳腐蚀敏感性[14-15]。
图 9 15-5PH疲劳试样的有效弹性模量变化
Figure 9. Change of effective elastic modulus of 15-5PH stainless steel fatigue specimens
15-5PH不锈钢与等面积TC4钛合金耦合后,在海水中浸泡前后的形貌如图10所示。可以看出,试样浸泡在海水中的部分表面,较试验前略暗,但没有发生明显的腐蚀。试样用于固定的位置有少量的腐蚀产物痕迹,酸洗后可以看到腐蚀产物区域存在轻微的腐蚀坑[16]。
图 10 15-5PH不锈钢经15 d电偶腐蚀试验前后的表面宏观形貌
Figure 10. Galvanic corrosion morphology of 15-5PH stainless steel before (a) and after (b) galvanic corrosion for 15 d
由表4可见：15-5PH不锈钢试样的腐蚀质量损失较小,其年腐蚀速率小于2 μm[17]。
表 4 15-5PH不锈钢的电偶腐蚀速率
Table 4. Galvanic corrosion rates of 15-5PH stainless steel
试样编号15-5PH-115-5PH-215-5PH-3腐蚀速率/（mm·a-1）0.001 90.001 60.001 5图11为15-5PH不锈钢与钛合金的耦合电位和电流变化趋势,可以看出电流整体较小,但电流和电位都有一定的波动性。
图 11 15-5PH不锈钢与钛合金耦合电流和电位
Figure 11. Coupling potential (a) and current (b) between 15-5PH stainless steel and titanium alloy
（1）15-5PH不锈钢在三氯化铁溶液中发生了点蚀和缝隙腐蚀,该材料具有点蚀和缝隙腐蚀敏感性。
（2）15-5PH不锈钢在海水环境中没有明显的应力腐蚀和疲劳腐蚀（当前疲劳应力条件）敏感性。
（3）15-5PH不锈钢在海水中与钛合金耦合时没有明显的腐蚀现象,即没有显著的电偶腐蚀敏感性。
（4）15-5PH不锈钢在海水环境中表现出较为明显的缝隙腐蚀敏感性。
（5）在露天的海洋盐雾环境中,15-5PH不锈钢可以作为TC4钛合金膜盘的紧固件,但要注意避免缝隙腐蚀的发生。
文章来源——材料与测试网
来源：夏琳科技讲堂