Кавитационное разрушение. Коррозия под действием направленной струи, фреттинг-коррозия и эрозия
Кавитационное разрушение алюминия происходит в турбулентной жидкости. Оно проявляется в виде питтинговых изъязвлений, которые могут быть достаточно глубокими и приводят к повреждению защитной оксидной пленки на поверхности. При турбулентном движении жидкости образуются участки с пониженным давлением и небольшие пузырьки. Если пузырьки контактируют с металлом, то защитная оксидная пленка испытывает их удары, что приводит к нарушению сплошности пленки и появлению питтингов. Восстановление давления до нормального вызывает появление ударной волны при сокращении пузырьков. С течением времени этот процесс может привести к образованию коррозионноусталостного поражения, и с поверхности металла при механическом воздействии движущейся жидкости в пораженном участке могут отламываться кусочки. Таким образом, кавитационное разрушение может происходить в результате или коррозии, или механического воздействия, или совместного действия этих двух факторов. При умеренной кавитации доминирует хиимический механизм разрушения, который может быть предотвращен использованием катодной защиты. В более тяжелых случаях превалирует механическое воздействие и катодная защита бесполезна. В этом случае разрушения можно избежать только путем устранения кавитации, для чего необходимы конструктивные изменения в оборудовании. Обзор данных по этому вопросу опубликован в работе. В работе приведены некоторые сведения о кавитационных разрушениях в алюминиевых сплавах.
Совместное влияние кавитации и эрозии в автомобильных водяных помпах определяют по стандартной методике ASTM. Этот вид испытаний предусматривает либо оценку износа материала помпы, либо определение количества частиц металла в рабочей жидкости. Чанс исследовал влияние кавитации на литейный алюминиевый сплав 319 в охлажденных жидкостях с ингибиторами и без них. В слабоингибированном охладителе (рис. 7.12) унос металла втрое больше расчетного, полученного по выходу по току (при этом предполагается только механический унос). Напротив, при высоком содержании ингибитора значения потери массы и уноса металла, полученные при эксперименте, хорошо согласуются с расчетными данными.
Коррозия под действием направленной струи относится к кавитационному разрушению и может происходить наряду с ним; разрушение этого вида вызывается струей движущейся жидкости, соударяющейся с поверхностью металла под углом. Такая струя может находиться и внутри жидкой системы. Пузырьки воздуха, увлекаемые струей, усиливают ее воздействие. В литературе имеются ограниченные данные относительно коррозионной стойкости алюминия в этих условиях, но, вероятно, она хуже, чем у других металлов.
Струя пара высокого давления, бьющая по алюминиевой поверхности, например в тройнике системы трубопроводов из алюминия, вызывает образование сквозного эрозионного отверстия на участке соударения. Известны случаи сквозной эрозии под действием направленных струй в теплообменниках, например в экранирующих алюминиевых плитах и трубопроводах.
Паяные алюминиевые автомобильные радиаторы могут разрушаться при эксплуатации под действием направленной струи охлаждающей жидкости, движущейся с высокой скоростью. На рис. 7.13 показано образование сквозной эрозионно-коррозионной канавки в трубке паяного радиатора из сплава 6951, разрушившейся после пробега, равного 19312 км. В работе исследована коррозионная стойкость алюминиевых сплавов для радиаторов в среде направленных струй при их скоростях до 40 м/с. После испытаний участок соударения оставался блестящим и был окружен участками с черным налетом, содержащим частицы металлической меди.
В этом случае образуется локальный элемент, где частицы меди, выделившиеся из охлаждающей жидкости, образуют катодный участок вокруг участка соударения, играющего роль анода.
Повреждение алюминиевых поверхностей, вызванное ударами дождевых капель, имеющих высокую скорость при порывистом ветре, изучено при осмотре военных самолетов. При скоростях от 90 до 148 м/с (от 322 до 530 км/ч) поражения происходили либо посредством вязкого разрушения мелких частиц составляющих, либо вырывом целых зерен по типу межкристаллитного разрушения. Поверхности обшивки самолета, подверженные опасности повреждения под действием дождевых потоков, покрывают специальными защитными покрытиями.
Эрозионная коррозия. Когда скорость потока жидкости, движущейся над поверхностью алюминия, выше определенной величины, на поверхности могут образовываться канавки, что, по-видимому, является результатом механического и химического воздействия. Это не происходит при скоростях потока менее 3 м/с.
Геринг исследовал влияние высокоскоростного потока морской воды на поведение алюминия, использовав метод замера поляризационного сопротивления для оценки уноса металла и потери массы. Типичные данные для сплава 5456 показывают, что при скоростях потока от 3 до 10 м/с величина уноса постоянна и совпадает с расчетной, однако при более высоких скоростях быстро возрастает. Потери массы были на порядок больше расчетных значений, полученных по результатам замеров поляризационного сопротивления, что свидетельствует о механическом воздействии потока и подтверждает данные работы для случая слабоингибированного охладителя в системе автомобильного двигателя.
Явления, рассмотренные в предыдущих разделах, свидетельствуют о том, что коррозионные поражения всех трех видов сходны между собой и могут происходить одновременно. Они имеют общий механизм — повреждение поверхностной оксидной пленки путем механического воздействия с последующей локализованной коррозией. Потеря массы за счет коррозии может сопровождаться снижением либо механических, либо усталостных свойств, либо эрозией.
Отрицательное действие кавитации, соударения с направленными потоками и эрозионной коррозии может быть сведено к минимуму различными способами. Кавитация в автомобильных водяных помпах может быть минимальной при достаточной концентрации ингибитора в охладителе. Величина налетов в алюминиевых радиаторах, вызывающих образование сквозных коррозионно-эрозионных поражений, может быть уменьшена путем совершенствования конструкции радиатора и использования соответствующего ингибитора. Например, трубы круглого сечения не подвержены образованию налетов. Алюминиевые обшивки корпусов высокоскоростных судов необходимо применять с катодной защитой. Системы наложенной защиты, позволяющие избежать перезащиты, разработаны военно-морскими силами США и др.
Фреттинг-коррозия — это процесс износа, при котором на плотно контактирующих алюминиевых поверхностях под влиянием давления в месте контакта образуются небольшие потертости при относительном перемещении поверхностей при вибрации. Фреттинг может происходить даже при полном отсутствии инородных частиц или песка. Участки потертости имеют одинаковые очертания на контактирующих поверхностях. Эти пятна сходны с неглубокими питтингами, в которых содержится черный порошок в виде вкраплений в поверхность. Черный порошок представляет собой мелкораздробленный оксид алюминия (например, корунд), который образуется только при очень высоких температурах при сухом окислении в процессе трения.
Фреттинг-коррозия часто наблюдается при транспортировке упакованных листов или круглых листовых заготовок, и иногда ее называют дефектом транспортировки. Наблюдается она также на поверхности плотноупакованных труб после транспортировки. Чувствительность к фреттинг-коррозии возрастает с увеличением чистоты поверхности. Объем поражений можно уменьшить, применяя плотную упаковку, предотвращающую относительное перемещение деталей в пачке. Предпочтительно использование смазки и бумажных прокладок между слоями в упаковке. Анодирование алюминия значительно уменьшает опасность фреттинг-коррозии.
Фреттинг-коррозия возникает на трубах теплообменников в местах крепления и в болтовых или заклепочных соединениях конструций рам грузовых автомобилей. Процесс развивается быстрее при контакте алюминия с алюминием, чем алюминия с другим металлом. Например, для предотвращения или уменьшения вибрации теплообменников можно сместить места крепления экранов, увеличить рабочее сечение теплообменника или толщину экрана, изогнуть трубу или подвесить ее на пружине. В заклепочных соединениях внахлестку следует обращать внимание на то, чтобы детали соединения не смещались относительно друг друга в эксплуатации. В соединениях со шпильками участки, опасные с точки зрения фреттинг-коррозии, необходимо выносить из зоны максимальных напряжений. Пораженные участки снижают усталостные свойства деталей.
Испытания на фреттинг-коррозию могут быть проведены на установке усталостного типа, оборудованной приспособлением для воспроизведения условий фреттинга. Ценная монография по этому вопросу опубликована Уотерхаузом.