氢脆和应力腐蚀开裂防护

为什么电镀铝

材料和机械工程师努力保护高强度组件免受过程和现场氢脆的双刃剑。25年来,alumplate的世界级工程一直在为棘手的航空航天问题开发解决方案。电镀铝是飞行安全关键和受控航空航天部件保护斗争的明确解决方案。

商用和军用飞机包括飞行安全关键组件,它们不是多余的,在加工过程中要经过严格检查。这些部件的故障可能会导致飞机的灾难性损失。关键承重部件需要高强度材料。这些材料对与电镀过程或服役腐蚀相关的氢脆(HE)非常敏感,特别是在负载下。

电镀过程是为了提高材料的耐腐蚀性,但如果处理不当,反而会降低材料的韧性。换句话说,保护涂层可能会有害地影响机械性能和性能。电镀后“烘烤”被规定来控制与电镀过程相关的HE。然而,由于氢是腐蚀的副产物,因此HE不能在现场使用。

电镀铝在航空航天保护涂层中是无可比拟的,因为它能最大限度地减少电镀和现场腐蚀引起的HE问题。让我们的电镀工程师使用我们独特的溶剂型铝电镀技术为您的应用设计定制的解决方案。

用于控制氢脆的镀铝

国防部航空航天OEM测试已经证实电镀铝是用于苛刻应用的高强度部件的最佳选择(1)。起落架、销、紧固件、执行器、活塞、气缸、齿轮外壳和其他高强度部件在许多情况下具有非冗余的关键结构或承重目的。188bet滚球平台这些部件的故障可能导致整个车辆的灾难性故障,并可能危及车内人员。

关键和飞行安全部件非常适合铝电镀工艺。多个航空航天和地面飞行器项目的机械测试没有发现HE,也没有发现与水基镀层相关的机械性能退化或疲劳损耗。

图1:金相分析显示镀铝高强钢无脆化现象。相比之下,镀镉、锌、锌镍、锡和有机镀层的钢则表现出脆裂的晶间开裂特征。

电镀铝是高强度钢、不锈钢、钛、铝和对氢脆(HE)敏感的结构金属的最佳涂层选择。这些材料需要涂层来保护它们不受使用环境的影响。然而,镀膜过程和镀膜本身可能导致基体的氢脆。

氢脆降低了高强度材料的韧性,使它们容易在低于设计应力时过早失效。一个更令人不安的技术因素是,与氢脆相关的失效通常是突然的和灾难性的,裂纹快速扩展和断裂的应力水平远远低于材料的固有断裂强度。

HE的机理涉及单原子氢(质子或H+阳离子)的吸收。足够高的H+浓度可以使两个氢离子结合成气态H2分子。氢分子可以聚集在一起,在材料内部产生压力。这些应力降低了材料的韧性,它限制裂纹扩展的能力,使它们更脆。众所周知,高强度钢弹簧因氢脆而开裂时,会发出爆裂的声音。

镀铝最大限度地减少氢脆暴露

电镀工艺对高强度零件的脆化有重要影响。化学和电解水镀工艺如镉、锌、锌-镍、镍、锡-锌和锡在预处理和电镀步骤中产生氢气。镀液中可以加入添加剂以降低氢气的产生,但在湿法电镀过程中氢气总是存在的。酸活化步骤和实际镀液产生的氢可以被吸收到大块材料。

高强度部件通常在水基电镀后进行热处理,以分散或驱除氢。镀镉或镀镍后的关键部件通常要在375°F下进行23小时的HE烘烤。然而,即使在HE烘烤之后,潜在的氢仍可能残留在基体中,影响其力学性能。

铝电镀过程减轻了HE的担忧。高强度钢的涂层采用简单的两步工艺,包括喷砂和镀铝,最少的清洁和脱脂预处理。

非水镀铝工艺是非质子的;它不含任何游离氢(质子或H+)。在铝电沉积过程中,不可能脆化高强度材料。

电镀铝限制环境辅助开裂和应力腐蚀开裂

高强度组件在腐蚀环境下的使用应力可以用纯铝电镀防止现场脆化。镉、锌镍和IVD铝在载荷作用下表现出氢脆失效。

高强度钢在使用过程中可能会发生HE(称为“现场脆”或“现场再脆”)。

机械测试表明,电镀铝是该领域唯一能减少环境辅助开裂和应力腐蚀开裂发生的涂层。经过机电测试的镀铝钢在理想和可控的延性模式下失败,没有脆化的证据。镀有镉、锌镍、镍、锌、锡、锡锌和铝填充的环氧树脂的高强度钢在低于预期的负载下以脆性方式失效,并与现场脆化有关。

在使用中,涂覆的高强度材料仍然存在氢脆的风险。涂层的通常目的是延缓、限制和减缓贱金属的腐蚀。屏障涂层防止腐蚀,直到它们被破坏,腐蚀环境与基底相互作用。牺牲涂层通过更好地溶解和减缓材料腐蚀提供额外的电化学(电)保护,即使在它们被破坏后。在这两种情况下,腐蚀最终会导致氢的生成。游离氢的形成通常与环境腐蚀、水或水分(H2O)或其他腐蚀环境(如SO2或CO2)的还原和氧化反应有关。

表面的游离氢吸附可能导致暴露在环境中的氢脆。当这种类型的脆化导致部件失效时,通常称为环境辅助开裂(EAC)。

高强度组件在负载下,由于在使用中的腐蚀,更有可能发生氢脆。高应力和腐蚀是导致断裂的共同过程;裂纹可能在腐蚀(2)的影响下自发产生并增长和传播。在役部件的应力腐蚀裂纹(SCC)的特点是在低负载下过早失效,或仅伴随腐蚀出现故障。

电镀铝保护高强度钢易于现场脆化

在使用过程中,镀铝高强部件的现场脆化、应力腐蚀开裂和环境辅助开裂(EAC)倾向较低。在对电镀铝、镉、锌镍和IVD铝包覆件的化学-机械复合拉伸试验中,化学-机械试验中出现了氢脆现象。电镀铝保护的零件在腐蚀槽中在负载下没有脆化。

各种涂层的上升步进负载(RSL)测试表明,电镀铝是保护易发生现场脆化失效的钢的最佳选择。RSL试验测定了涂层试样在3.5% NaCl溶液中的断裂强度。用这种方法可以测量涂层和基体的机械和电化学响应。该试验代表了高强度钢在有盐水存在的腐蚀性环境中在负载下的行为。

根据断口强度和断口形貌评价了涂层钢的氢脆倾向。断裂强度报告为一个阈值比:包覆试样的断裂应力/未包覆试样的断裂应力。电镀铝的试样在应力上与未电镀的试样相近。镀上其他涂层的试样在较低阈值时失效。图2总结了结果。

图2:在3.5% NaCl溶液中具有不同涂层的高强钢的机电测试。电镀铝与未涂覆试样具有相似的破坏和相同的应力。

更重要的是,电镀铝试样的断口表面显示出预期的韧窝“太妃苹果”韧性断口。含有其他涂层的试样表现为脆性断裂,表面呈“冰糖”状,表明由氢脆引起的晶间开裂。有代表性的显微照片见图1。

这项研究最终确定了电镀铝作为关键高强度钢构件的首要保护涂层。

来源:

(1) NAVAIR机械试验,高强度钢接头试验方案(HSS JTP), F-35闪电II项目,4340钢的Cd替代涂层腐蚀性能,NACE, 2007年12月,P1792。

(2)韦斯特,约翰M.,基本腐蚀和氧化,第二版,Ellis Horwood Limited

(3)张海东,涂层钢对环境破坏的敏感性,密歇根理工大学

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