隨著現(xiàn)代運輸對飛機減重和機內空間利用率要求的不斷提高，大大促進了超高強度鋼技術和結構件制造技術的不斷進步和完善，超高強度鋼已成為制造大型橋梁、螺旋槳軸及飛機起落架等通用工程構件的必然選擇[1,2,3]。AISI4340高強度鋼是美國20世紀40年代研制的高強度中碳低合金鋼，經(jīng)淬火和低溫回火后抗拉強度可達1900 MPa以上，AMS4340M在4340鋼的基礎上增加了Si、V等元素的含量，進一步提高了材料的綜合性能，因此，廣泛應用于飛機起落架的制造[4,5]。我國幅員遼闊，地理環(huán)境差異大，飛機起落架在長期服役過程中，復雜的腐蝕環(huán)境會加劇起落架的材料損傷，造成重大損失。

林修洲等[6]采用浸泡、電化學等分析方法研究了飛機起落架鍍鎘4130鋼在不同甲酸鉀薄液膜厚度下的腐蝕行為，4130合金鋼在甲酸鉀除冰液中的腐蝕主要受氧擴散控制，薄液膜下腐蝕產(chǎn)物沉積對腐蝕過程產(chǎn)生較大影響；在高濃度甲酸鉀溶液中，鍍鎘4130鋼腐蝕速率較高，腐蝕電位隨液膜厚度減小而正移，腐蝕速率隨液膜厚度減小先增大后減小。張曉云等[7]研究了40CrNi2Si2MoVA高強度鋼在不同海洋性大氣環(huán)境中的應力腐蝕行為，應力腐蝕主要為沿晶開裂，裂紋起源于表面產(chǎn)生腐蝕的部位，逐漸向內部擴展，隨著應力水平的增大， 二次裂紋明顯增加。Ramamurthy等[8]研究了外加應力大小對4340鋼和3.5NICrMOV鋼在30 ℃蒸餾水中應力腐蝕開裂行為的影響，試驗采用淬火態(tài)4340汽輪機轉子作為試驗材料，在30 ℃的蒸餾水浸泡腐蝕中施加線性增加的應力，結果表明：AMS4340鋼在所有外加應力速率下均發(fā)生應力腐蝕開裂，且裂紋擴展速率均隨外加應力速率的增加而增加，SEM測試表明，應力腐蝕斷口形貌為沿晶斷裂和穿晶斷裂組成的混合模式。Hazan等[9]采用拉曼光譜對AISI4340合金在3.0%NaCl溶液中的腐蝕產(chǎn)物進行了表征：為了分析不同浸泡時間下的腐蝕產(chǎn)物，作者在840 ℃對氧化層進行熱處理，拉曼光譜測試表明，腐蝕產(chǎn)物主要為FeO、Fe2O3、Fe3O4，外層氧化膜主要為Fe2O3，內層氧化膜主要為FeO；AISI4340合金鋼的合金元素對氧化層的特征譜沒有影響。于美等[10]研究了40CrNi2Si2MoVA鋼在模擬海水中的腐蝕行為，在全浸環(huán)境中，合金表面首先發(fā)生點蝕，隨著腐蝕的進行，自腐蝕電位有負移的趨勢，自腐蝕電流密度有增大的趨勢。

目前對于AMS4340M高強度鋼腐蝕行為的研究開展較少，由于AMS4340M合金鋼的Si和Ni含量較高 （約為1.72%），其耐蝕性關于電化學實驗結果和其他分析方法所得結果相關性缺乏深入研究，本文作者根據(jù)某地區(qū)飛機的實際服役環(huán)境，采用浸泡腐蝕、動電位極化、電化學阻抗、掃描電鏡 （SEM）、XRD等測試技術對AMS4340M鋼的電化學性能、腐蝕產(chǎn)物成分和形貌進行分析，進一步掌握AMS4340M高強度鋼在服役過程中的腐蝕特征、變化規(guī)律，為AMS4340M高強度鋼的設備的研制和使用提供基礎技術支持。

1 實驗方法

實驗采用某航空公司提供的AMS4340M鋼，材料狀態(tài)為供貨態(tài)。化學成分 （質量分數(shù)，%）：C 0.43，Si 1.72，Mn 0.84，Cr 0.77，Mo 0.39，Ni 1.72，P 0.01，S 0.004，V 0.08，余量為Fe。顯微組織如圖1所示，供貨態(tài)4340M鋼的顯微組織母材晶粒較細且分布較為均勻，回火馬氏體晶粒尺寸約為20 μm，其中觀察到的白色組織為回火馬氏體，黑色組織為殘余奧氏體，碳化物區(qū)分程度較低，這說明供貨態(tài)組織較為均勻，無缺陷。

圖1   AMS4340M鋼顯微組織

電化學測試前，將4340M鋼切割成10 mm×10 mm×10 mm作為電極、金相、浸泡腐蝕試樣。金相試樣打磨拋光后用2.5 mL HNO3+1.5 mL HCL+1 mL HF+95 mL H2O侵蝕。使用去離子水和NaCl配置3.5%（質量分數(shù)）NaCl溶液，浸泡腐蝕試樣打磨至2000#，拋光清洗后浸泡，浸泡標準參照GB10124-88《金屬材料均勻腐蝕全浸實驗方法》，浸泡工作環(huán)境溫度約為30 ℃，浸泡時間為2，60和720 h。浸泡結束后使用去離子水沖洗試樣表面，待表面干燥后采用3Dvison掃描儀、光學顯微鏡 （OM）、NANOSEM 450場發(fā)射掃描電子顯微鏡 （SEM） 觀察不同浸泡時間下的腐蝕形貌，采用D8ADVANCE-A25型X射線衍射儀 （XRD） 對試樣腐蝕表面直接進行物相分析，X射線采用Cu靶，波長λ=1.5406 nm，2θ角范圍為20°~80°，掃描步長為0.020498°，步長時間為0.38 s。

電化學測試試樣經(jīng)打磨、清洗后使用環(huán)氧樹脂鑲嵌，進一步打磨、拋光后采用 CHI650E 型電化學分析儀測量AMS4340M鋼在室溫下 （30 ℃左右） 的開路電位 （OCP）、極化曲線、電化學阻抗、Mott-Schottky曲線，采用Ec-lab軟件分析Tafel極化曲線數(shù)據(jù)。實驗采用三電極體系，Pt為輔助電極，飽和甘汞電極 （SCE） 為參比電極，AMS4340M鋼為工作電極，工作電極自腐蝕電位測試時間為3600 s。動電位掃描法測量極化曲線掃描速率為0.15 mV/s，電化學阻抗掃描范圍為105~10-2 Hz，施加的正弦波幅值為5 mV。Mott-Schottky曲線測試頻率為1000 Hz，激勵信號為交流幅值5 mV，掃描范圍為-0.5~+0.3 V，掃描步長20 mV。

2 結果與討論

2.1 浸泡腐蝕形貌觀察

圖2為AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中浸泡不同時間的腐蝕形貌。在浸泡腐蝕的初始階段，如圖2a，基體呈金屬光澤，未見黃褐色銹層。隨著浸泡時間的延長，基體表面的腐蝕程度加深，但基體仍呈金屬光澤，如圖2b，在局部放大區(qū)域可以觀察到點蝕特征。浸泡720 h以后基體表面繼續(xù)保持金屬光澤，基體表面的點蝕程度有所增大，如圖2c，通過局部放大的SEM照片可以觀察到較大、較深的腐蝕坑。整體來看，在浸泡腐蝕的過程中，基體表面的腐蝕較為均勻，隨著腐蝕的進行，在基體表面會產(chǎn)生點蝕坑，點蝕坑隨著浸泡時間的延長腐蝕程度逐漸加深，這與碳鋼以及低合金鋼在全浸狀態(tài)下的腐蝕形式較為類似[7,8,9,10]。

圖2   AMS4340M鋼浸泡不同時間的腐蝕形貌

圖3給出了AMS4340M鋼浸泡720 h基體表面的XRD譜，基體α-Fe的衍射峰和Si元素的衍射峰較強，Si元素以置換固溶體的形式存在，這與材料的組織物相分析基本一致，其中Fe2O3和Fe3O4的衍射峰較弱，從XRD結果上看，浸泡腐蝕過程中基體表面的腐蝕產(chǎn)物較少。以上研究表明：AMS4340M鋼的耐腐蝕性能較好，基體表面腐蝕較為均勻，浸泡240 h以后基體表面仍呈金屬光澤，未見黃褐色銹層。此外，AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中表現(xiàn)為局部明顯的點蝕特征，通常認為，金屬表面的點蝕特征與溶液里活潑的Cl-相關[11,12]。較高的Cl-濃度會使金屬表面鈍化膜內的氧空位減少，會產(chǎn)生大量的金屬離子空缺，多余的金屬離子空缺在金屬基體/鈍化膜界面局部堆積，金屬表面鈍化膜的生長則受到抑制，鈍化膜的穩(wěn)定性有所降低。因此，鈍化膜在較低的電位下就可以發(fā)生局部溶解或者受力破裂，發(fā)生點蝕[13,14]。AMS4340M鋼中Si的含量較高，在浸泡腐蝕過程中，合金表面鈍化膜內形成的SiO2會提高鈍化膜的穩(wěn)定性，增強合金的耐點蝕性能[15]，所以，在3.5%（質量分數(shù)）NaCl溶液中AMS4340M鋼的耐腐蝕性較好，點蝕腐蝕程度較弱，整體表現(xiàn)為均勻腐蝕。

圖3   AMS4340M鋼腐蝕表面XRD譜

2.2 電化學分析

2.2.1 動電位極化曲線

圖4為AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線，表1給出了不同腐蝕時間下AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中的極化曲線擬合結果。合金表現(xiàn)為典型的鈍化極化曲線特征，在腐蝕的初始階段，合金的活化鈍化特征較為明顯，隨著浸泡時間的延長，鈍化電位逐漸正移。自腐蝕電位 （Ecorr） 隨腐蝕時間的延長逐漸增大，浸泡2 h和浸泡30 h以后合金的自腐蝕電位 （Ecorr） 較為接近，約為-450 mV，浸泡240 h時合金的自腐蝕電位最正，約為-225 mV，這說明在腐蝕初期階段，隨著腐蝕時間的延長，合金的耐腐性能有所提高。自腐蝕電流密度 （Icorr） 隨著浸泡時間的延長逐漸減小，合金的腐蝕速率逐漸減弱。在腐蝕初期階段，基體表面的鈍化膜處于形成階段，因此，基體的腐蝕速率較大，隨著腐蝕時間的延長，基體表面的鈍化膜更為穩(wěn)定，對基體的保護作用較好，因此，基體的腐蝕速率進一步減小。其中，陽極Tafel斜率βa隨腐蝕時間的延長逐漸增大且變化較大，陰極Tafel斜率βc隨腐蝕時間的延長變化較小，即陰極極化曲線形狀大致相同，Tafel斜率βc變化不大，這表明AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中由陽極活化控制，隨著時間的正移，合金的耐腐蝕性增強。

圖4   AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中的極化曲線
表1   不同腐蝕時間下AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中的極化曲線擬合結果

2.2.2 電化學阻抗譜 （EIS）

圖5為AMS4340鋼在3.5%NaCl溶液中浸泡不同時間的EIS。從Nyquist和Bode圖可以看出：AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中的阻抗譜在高頻階段和低頻階段均由一個容抗弧組成，這表明AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中的腐蝕過程受電荷轉移控制，因此，在圖5c的Bode圖中僅有1個較大的容抗弧。通常情況下容抗弧的圓弧的半徑越大，試樣的總阻抗越大[16]。在浸泡的開始階段 （2 h），容抗弧半徑最小，這說明在浸泡開始階段，試樣的耐腐性能最差。浸泡腐蝕30 h時，容抗弧半徑有所增加，因此基體的耐腐蝕性能增強。浸泡腐蝕240 h時，AMS4340M合金的容抗弧半徑最大，這說明隨著腐蝕時間的延長，合金表面形成的鈍化膜對基體的保護越來越強。從圖5b中可以看出，隨著腐蝕時間的延長，AMS 4340M鋼的總阻抗逐漸增大，這與圖5a的分析結果一致。在圖5c的Bode圖的高頻區(qū) （104~106 Hz） 范圍內相位角接近于零度，表明在高頻區(qū)的阻抗主要為溶液阻抗[17]；在中低頻區(qū) （10-1~101 Hz） 范圍內，AMS4340M鋼的相位角達到最大值θmax，接近-80?，通常情況下相位角接近-90?時，可以認為試樣表面的鈍化膜趨于一個純電容絕緣層，對試樣的保護能力較強，隨著浸泡時間的延長，基體的相位角均未發(fā)生明顯減小，說明試樣表面的鈍化膜致密度穩(wěn)定性較好，鈍化膜對試樣的保護能力較強。圖6為AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中EIS的等效電路，采用R（Q（RW）） 等效電路對圖5的實驗結果進行擬合，Rs為溶液電阻，Rct和Q分別代表漏電電阻和雙電層電容的常相位角元件，ZW為Warburg阻抗，擬合參數(shù)如表2所示。Rs隨浸泡時間的延長變化較小，約為30 Ω·cm2。Rct隨浸泡時間的延長逐漸增加，說明腐蝕速率逐漸減小，這與動電位極化曲線的分析結果一致。

圖5   AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中的電化學阻抗譜

圖6   AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中的等效電路

表2   AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中的EIS擬合結果

2.2.3 Mott-Schottcky （MS） 曲線

為了進一步分析鈍化膜特征，實驗分析了浸泡不同時間狀態(tài)下試樣的Mott-Schottcky曲線。通常情況下，金屬元素的氧化物和氫氧化物多表現(xiàn)為半導體性能，鋼表面的鈍化膜往往表現(xiàn)出特有的半導體特征，進而影響基體的腐蝕行為。合金鋼表面鈍化膜的半導體特性主要有p型半導體特性和n型半導體特性兩種。Mott-Schottcky （MS） 曲線能夠表征電位與空間電荷層電容的關系，MS曲線斜率絕對值越大，鈍化膜缺陷密度越低，膜層越致密[18,19]。圖7給出了浸泡不同時間下樣品的MS曲線，浸泡30和240 h樣品的MS曲線斜率主要均為正，表明在開路電位下樣品表面生成的鈍化膜為 n型半導體。對于n型半導體，施主濃度ND反映了電荷在鈍化膜內的遷移能力，施主濃度ND越高，電荷遷移越容易進行，鈍化膜溶解速率越大[20]。在-0.5~0.3 V內整個MS曲線的線性程度較好，采用EC-Lab軟件對施主濃度ND和平帶電勢進行擬合、計算，浸泡30 h狀態(tài)下施主濃度ND為2.83×1015 cm-3，平帶電位Efb為-0.577 V；浸泡240 h狀態(tài)下施主濃度ND為3.05×1016 cm-3,平帶電位Efb為-1.48 V。浸泡240 h條件下基體表面的MS曲線斜率小于30 h條件下基體表面的MS曲線，浸泡240 h狀態(tài)下施主濃度ND較大，這表明浸泡30 h時基體表面的鈍化膜較為致密，隨著腐蝕時間的延長，金屬離子空缺在鈍化膜界面的堆積使鈍化膜局部發(fā)生溶解，鈍化膜的致密度下降，因此，在腐蝕時間較長時，基體表面出現(xiàn)了較小的點蝕坑。

圖7   AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中鈍化膜的M-S曲線

3 結論

（1） 供貨態(tài)AMS4340M鋼的母材主要由回火馬氏體、殘余奧氏體、碳化物組成。浸泡720 h后試樣表面仍呈金屬光澤。隨著腐蝕時間的增加，基體表面的點蝕坑逐漸增大。XRD測試表明，腐蝕界面基體主要由α-Fe組成，F(xiàn)e2O3和Fe3O4的衍射峰較弱，說明基體表面的腐蝕產(chǎn)物較少，耐蝕性較好。

（2） AMS4340M鋼在3.5%NaCl溶液中處于陽極溶解狀態(tài)，Tafel極化曲線表明：隨著腐蝕時間的增加，基體的自腐蝕電位呈增大趨勢，自腐蝕電流密度逐漸減小，合金的腐蝕速率逐漸減小。

（3） 在浸泡腐蝕初期階段，AMS4340M合金鋼容抗弧半徑隨腐蝕時間的增大逐漸增大，合金的耐腐蝕性能有所提高。

（4） AMS4340M鋼表面形成的鈍化膜表現(xiàn)為n型半導體特征，隨著浸泡時間的延長，施主濃度ND增大，最大為3.05×1016 cm-3。