嚴(yán)酷環(huán)境中飛機(jī)異種材料連接結(jié)構(gòu)的防腐蝕措施
2022-01-14 01:54:16
changyuan
裝備的腐蝕與使用環(huán)境密切相關(guān)，腐蝕對(duì)裝備的危害極大，不僅會(huì)降低裝備的使用壽命，還會(huì)嚴(yán)重影響和制約裝備的戰(zhàn)技性能和使用安全。近年來，飛機(jī)越來越頻繁地服役于高溫、高濕、高鹽霧和強(qiáng)紫外線的嚴(yán)酷環(huán)境中，隨著服役時(shí)間的增加，飛機(jī)的腐蝕速率大增，飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、垂尾、平尾等異種金屬或?qū)щ姺墙饘俨牧蠈?duì)接或相互接觸的部位由于防護(hù)不足，發(fā)生腐蝕的情況越來越普遍。
近兩年來，筆者跟蹤和收集了某型飛機(jī)在嚴(yán)酷環(huán)境中的腐蝕情況，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕約占飛機(jī)總腐蝕的60%以上。
在嚴(yán)酷環(huán)境中，飛機(jī)異種材料連接結(jié)構(gòu)處的涂層會(huì)提前失效，出現(xiàn)鼓包、開裂、粉化，甚至出現(xiàn)基體腐蝕，對(duì)于飛機(jī)某些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位，一旦產(chǎn)生腐蝕將嚴(yán)重影響后續(xù)的腐蝕修理，也會(huì)給飛行安全帶來嚴(yán)重隱患。
嚴(yán)酷環(huán)境特點(diǎn)
我國地域遼闊，具有內(nèi)陸、海洋、寒帶、溫帶、亞熱帶等各種氣候環(huán)境，各地氣候以及大氣中各種腐蝕介質(zhì)含量的差異，對(duì)飛機(jī)的腐蝕影響也各不相同。
本文所指的嚴(yán)酷環(huán)境是整體呈熱帶海洋季風(fēng)性氣候，年均氣溫27~28℃、平均相對(duì)濕度80%以上、氯離子沉降量達(dá)到1.0mg/（100 cm2·d）以上且年均輻照量大于6000MJ/m2，具有高溫、高濕、高鹽霧和強(qiáng)輻照“三高一強(qiáng)”綜合特點(diǎn)的環(huán)境，這類地區(qū)有時(shí)還存在極強(qiáng)降雨和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，環(huán)境非常惡劣。
飛機(jī)等裝備在此嚴(yán)酷環(huán)境中使用，腐蝕速率及故障率會(huì)成倍增加，飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)材料和機(jī)載成品等在嚴(yán)酷環(huán)境中的暴露試驗(yàn)結(jié)果表明，飛機(jī)在此環(huán)境中的腐蝕/老化速率是在內(nèi)陸地區(qū)的10~15倍；典型飛機(jī)防護(hù)涂層在重慶、青島等地區(qū)戶外大氣中暴露5年也無明顯老化現(xiàn)象，但在此嚴(yán)酷環(huán)境中暴露1年就明顯失光，出現(xiàn)腐蝕。
異種材料連接結(jié)構(gòu)
目前，飛機(jī)常用異種材料的連接結(jié)構(gòu)主要有兩種。如圖1所示，A、B、C為異種材料，材料A和材料B為搭接或膠接狀態(tài)；或者材料A與材料B和材料C之間為螺接或鉚接狀態(tài)。
（a） 搭接或膠接
（b）螺接或鉚接
圖1 飛機(jī)常用異種材料的連接形式
主要腐蝕特征
根據(jù)近年來飛機(jī)腐蝕情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，一些飛機(jī)在早期防腐蝕設(shè)計(jì)時(shí)，受限于已定的材料、防腐蝕涂層、施工工藝和考核驗(yàn)證，并未考慮其在嚴(yán)酷環(huán)境中的使用，這導(dǎo)致飛機(jī)的腐蝕呈現(xiàn)“早、快、廣、重、難、險(xiǎn)”六大特點(diǎn)，即腐蝕起始時(shí)間早、速度快、范圍廣、損傷程度重、維護(hù)保障難、安全風(fēng)險(xiǎn)大，尤其是飛機(jī)異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕非常突出，主要表現(xiàn)如下：
1
異種金屬材料在連接或?qū)涌p隙處發(fā)生腐蝕
嚴(yán)酷環(huán)境中，材料連接或?qū)涌p隙處易積存鹽分、水汽、凝露等，形成腐蝕介質(zhì)，若不及時(shí)處理，對(duì)接處或縫隙處極易出現(xiàn)腐蝕，如表面涂層出現(xiàn)鼓包、開裂、粉化、掉塊和脫落等，若兩種材料的電位差較大，低電位材料會(huì)作為陽極，出現(xiàn)電偶腐蝕，進(jìn)一步加劇腐蝕。如在飛機(jī)上廣泛使用的鈦合金與其他金屬連接或接觸時(shí)，由于鈦合金電位較高，與其相連的低電位金屬首先出現(xiàn)腐蝕，如圖2和圖3所示。
圖2 進(jìn)氣道唇口處腐蝕
圖3 進(jìn)氣道防護(hù)網(wǎng)拉桿腐蝕
此外，高電位的不銹鋼材料與鋁合金蒙皮接觸，蒙皮會(huì)首先出現(xiàn)腐蝕，如圖4所示。
圖4 加油口周圍腐蝕
2
蒙皮緊固件螺釘孔發(fā)生腐蝕
在嚴(yán)酷環(huán)境中，飛機(jī)蒙皮表面緊固件螺釘孔的腐蝕普遍且嚴(yán)重，尤其是一些工藝口蓋由于裝配或經(jīng)常打開，螺釘與螺釘孔的縫隙密封變差甚至縫隙增大，更大的縫隙易吸濕、吸潮后形成腐蝕介質(zhì)，飛機(jī)蒙皮上的螺釘主要為30CrMnSiA鋼，蒙皮一般為2024、LY12CZ等鋁合金，根據(jù)GJB 1720-1993《異種金屬的腐蝕與防護(hù)》，2024、LY12CZ等鋁合金比30CrMnSiA鋼更加活潑，鋁合金蒙皮電位低于鋼螺釘電位，腐蝕介質(zhì)如果滲入到螺釘孔，螺釘與蒙皮接觸部位就易發(fā)生電偶腐蝕。腐蝕發(fā)生時(shí)，螺釘孔邊的涂層首先出現(xiàn)鼓包，如果受到強(qiáng)紫外線照射，涂層易發(fā)生脆化，再加上氣流的作用，鼓包的涂層就會(huì)發(fā)生撕裂、掉塊等現(xiàn)象。
3
垂尾和水平尾翼邊緣處的腐蝕
復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用非常廣泛，目前飛機(jī)的垂尾和水平尾翼幾乎都采用復(fù)合材料，其邊緣處大多是在復(fù)合材料表面噴金屬鋁后再涂防護(hù)層，但由于氣流沖擊等因素的作用，邊緣防護(hù)層極易破損。在嚴(yán)酷環(huán)境中，破損的邊緣易吸潮吸濕，形成腐蝕介質(zhì)，而復(fù)合材料電位普遍高于表面噴的金屬鋁，因此邊緣處的鋁層容易產(chǎn)生腐蝕，出現(xiàn)鼓包、開裂，甚至掉塊等。
腐蝕原因及影響因素
導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的原因錯(cuò)綜復(fù)雜。就嚴(yán)酷環(huán)境中典型飛機(jī)異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕而言，主要有三方面：
1
結(jié)構(gòu)抗腐蝕設(shè)計(jì)的“先天不足”是嚴(yán)酷環(huán)境中飛機(jī)腐蝕的根本原因
飛機(jī)在抗腐蝕設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是早期機(jī)型，并未考慮飛機(jī)長時(shí)間在嚴(yán)酷環(huán)境中的使用，主要體現(xiàn)在以下三方面：
① 表面防護(hù)涂層結(jié)構(gòu)防腐蝕涂層體系的抗老化與防護(hù)性能較差。有些型號(hào)的飛機(jī)，在嚴(yán)酷環(huán)境中服役1~2年就會(huì)出現(xiàn)明顯的失光、失色，甚至出現(xiàn)腐蝕。
② 施工工藝存在缺陷。如鋁合金結(jié)構(gòu)表面通常采用陽極化后噴涂底漆，但裝配前會(huì)鉆連接孔，必然會(huì)破壞結(jié)構(gòu)表面的完整性，裝配時(shí)裸露的連接孔通常也未進(jìn)行密封防護(hù)處理，滿足擰緊即可，尤其是經(jīng)常要開啟的表面口蓋的螺栓孔，腐蝕嚴(yán)重。另外飛機(jī)蒙皮連接部位的縫隙處，噴涂的防護(hù)涂層經(jīng)常出現(xiàn)薄厚不均、結(jié)合力低，腐蝕介質(zhì)滲入后，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生腐蝕。
③ 結(jié)構(gòu)密封排水設(shè)計(jì)缺陷與措施不合理的問題普遍存在。雖然有些結(jié)構(gòu)采用了密封排水處理，但其有效性和環(huán)境適應(yīng)性并沒有得到試驗(yàn)驗(yàn)證。如機(jī)翼對(duì)接部位由于密封防水設(shè)計(jì)不合理，盡管采用了密封膠條或膩?zhàn)硬济芊馓幚?，還經(jīng)常出現(xiàn)滲漏水、積水、潤滑脂變質(zhì)和結(jié)構(gòu)腐蝕等現(xiàn)象。
2
異種材料間存在電偶腐蝕，加速了腐蝕的發(fā)生和發(fā)展
在飛機(jī)異種材料連接結(jié)構(gòu)中，由于存在縫隙，嚴(yán)酷環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)容易滲入并長期滯留其中，形成腐蝕介質(zhì)，同時(shí)異種材料相互接觸，存在腐蝕電位差，產(chǎn)生電偶腐蝕。
發(fā)生電偶腐蝕需要3個(gè)基本條件：
① 存在腐蝕性電解質(zhì)溶液；
② 在同一腐蝕介質(zhì)中存在電位差異較大的異種金屬或?qū)щ姺墙饘伲?/span>
③ 金屬或非金屬間存在導(dǎo)電連接。
這3個(gè)條件既相互獨(dú)立又彼此緊密聯(lián)系和相互依存。發(fā)生電偶腐蝕時(shí)，陽極反應(yīng)為金屬失電子變成金屬離子，而陰極則是H2O和O2得電子生成OH-，或是H+得電子生成H2，電偶腐蝕基本原理如圖5所示。
圖5 電偶腐蝕基本原理
影響電偶腐蝕的主要因素包括腐蝕電位差、使用環(huán)境和腐蝕介質(zhì)電導(dǎo)率及pH等。從腐蝕電位差來看，一般情況下，電位差越大，腐蝕越嚴(yán)重。當(dāng)兩種金屬的腐蝕電位差＞0.25V時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕；復(fù)合材料與金屬材料耦合時(shí)，若電位差＞50mV，腐蝕也會(huì)發(fā)生，且隨著電位差的增大，電流會(huì)趨于一個(gè)極限值。
從使用環(huán)境看，在嚴(yán)酷環(huán)境中，尤其是干濕交替環(huán)境，溫度升高，濕度增大，都會(huì)加快飛機(jī)連接結(jié)構(gòu)的陰、陽極的反應(yīng)，增大腐蝕速度。對(duì)于腐蝕介質(zhì)電導(dǎo)率，一般介質(zhì)電導(dǎo)率越大，腐蝕越嚴(yán)重。在大氣環(huán)境中，飛機(jī)連接結(jié)構(gòu)的腐蝕首先集中在離接觸點(diǎn)較近的陽極表面上，形成局部腐蝕，而后隨著溶液電導(dǎo)增大，逐漸形成均勻腐蝕。
此外，腐蝕介質(zhì)的pH與電偶腐蝕也息息相關(guān)，尤其在酸雨地區(qū)，飛機(jī)連接結(jié)構(gòu)的腐蝕成倍增加，對(duì)于鋁合金連接結(jié)構(gòu)件，當(dāng)腐蝕介質(zhì)pH小于4時(shí)，pH越低，腐蝕速度越大；pH為4~9時(shí)，與pH幾乎無關(guān)；當(dāng)pH為9~14時(shí)，隨著pH增加，腐蝕加速。
3
外場使用維護(hù)措施不完善也是產(chǎn)生腐蝕的主要原因
就目前我國一些飛機(jī)的使用情況，大多數(shù)飛機(jī)仍處于“飛少停多”的狀態(tài)，飛機(jī)維護(hù)措施是否完善，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕至關(guān)重要。一些飛機(jī)在早期設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮到在嚴(yán)酷環(huán)境中的長期使用，飛機(jī)使用維護(hù)規(guī)程等技術(shù)文件中缺少關(guān)于針對(duì)嚴(yán)酷環(huán)境中飛機(jī)連接結(jié)構(gòu)的腐蝕檢查及維護(hù)措施，且腐蝕預(yù)防與控制技術(shù)手段不完備。此外，現(xiàn)有的飛機(jī)腐蝕修理工藝和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，只適用于一般環(huán)境而非嚴(yán)酷環(huán)境。
另外，飛機(jī)在嚴(yán)酷環(huán)境中使用，氣流、雨水等對(duì)異種材料連接結(jié)構(gòu)的沖刷作用，也是加速飛機(jī)產(chǎn)生腐蝕的原因之一。
腐蝕防護(hù)措施
目前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)措施很多，如選用合適的結(jié)構(gòu)材料和設(shè)計(jì)以降低電位差，采用涂、鍍層的表面處理以增大接觸電阻，采用密封或使用惰性材料填充等使金屬間絕緣等。然而每種防腐蝕措施，都有其應(yīng)用范圍和條件，對(duì)于飛機(jī)異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)，應(yīng)從防護(hù)效果、施工難易和經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合考慮。
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合理選材及連接部位防腐蝕設(shè)計(jì)
合理的結(jié)構(gòu)選材及連接部位防腐蝕設(shè)計(jì)是非常重要的，可以從源頭遏制腐蝕的發(fā)生。
（1）在結(jié)構(gòu)選材時(shí)，要減少異種金屬的連接或相互接觸，若不可避免，應(yīng)盡量選用電位差或電偶序相近的材料，如選擇飛機(jī)蒙皮上緊固件時(shí)，在滿足性能和功能要求的前提下，盡量選擇與蒙皮材質(zhì)相同或電位差（電偶序）相近的材料?？梢詤⒖糋JB 1720-1993《異種金屬的腐蝕與防護(hù)》中金屬及合金在3.5% NaCl溶液中的電偶序的排序。
（2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，尤其是當(dāng)鎂合金、鋁、鋅及合金與銅、鈦合金、不銹鋼等互相連接時(shí)，應(yīng)在連接點(diǎn)或面采取適當(dāng)措施，防止電偶腐蝕。如蒙皮結(jié)構(gòu)件的搭接處應(yīng)密封鉚接，蒙皮盡量按順氣流方向，由前搭后、由上搭下，并在搭接寬度的貼合面間涂有高黏結(jié)力密封劑進(jìn)行密封鉚接等；另外在裝配時(shí)，螺釘盡量選用濕裝配的方式等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮飛機(jī)在使用過程中應(yīng)便于維護(hù)、維修和更換，也要考慮密封、排水、除濕的問題，選用的絕緣材料和密封材料要求不吸水、不含腐蝕性成分等。
（3）由不同金屬材料或?qū)щ姺墙饘俨牧辖M成的構(gòu)件，應(yīng)盡量避免大陰極（電位較正的材料）、小陽極（電位較負(fù)的材料）的組合，盡可能增大陽極面積，減少陰極面積。如用作導(dǎo)電連接件，連接前應(yīng)在異種金屬間墊入相容的金屬墊片，或者在陰極零件表面鍍覆一層與陽極零件相容的金屬鍍層；不作導(dǎo)電的連接件，連接前應(yīng)在異種金屬間墊入不吸水、吸潮的非金屬墊、襯墊或密封膠等。
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表面防護(hù)方法
當(dāng)兩種材料不允許直接接觸，而又必須選用時(shí)，可根據(jù)使用條件、設(shè)計(jì)要求、使用維護(hù)的方便性和經(jīng)濟(jì)性原則，采取表面防護(hù)措施，避免兩種材料直接接觸。
（1）涂、鍍層的表面防護(hù)。利用有機(jī)涂層的高阻隔屏蔽性能將金屬面與電解質(zhì)隔離，將陰陽極物理屏蔽以阻止或減緩金屬的腐蝕。而鍍層是用耐蝕性較強(qiáng)的金屬或非金屬來覆蓋耐蝕性較弱的金屬，將主體金屬與腐蝕性介質(zhì)隔離以達(dá)到防腐蝕的目的，材料表面涂、鍍層是目前防止腐蝕最經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用最普遍的方法。
（2）密封劑和惰性材料等隔離防護(hù)。如果條件允許，可以采用密封劑和惰性材料填充在異種材料間，可以使材料間產(chǎn)生絕緣，避免產(chǎn)生腐蝕電池，能有效阻止腐蝕。
（3）緩蝕劑和潤滑油脂等防護(hù)。緩蝕劑具有優(yōu)異的水置換性能和防銹性能，涂覆在材料表面，可去除表面水分和鹽分，并很快形成一層透明的膜，防止產(chǎn)生腐蝕電解質(zhì)。利用緩蝕劑和潤滑油脂等可以進(jìn)行短期和臨時(shí)的腐蝕防護(hù)。
3
維護(hù)與局部腐蝕修復(fù)
嚴(yán)酷環(huán)境中，加強(qiáng)飛機(jī)的使用維護(hù)和腐蝕修復(fù)也是減少和控制飛機(jī)腐蝕發(fā)生和發(fā)展，提高裝備可靠性的重要措施。
（1）加強(qiáng)日常維護(hù)中的腐蝕檢查。依據(jù)飛機(jī)在嚴(yán)酷環(huán)境中的使用情況和異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕特點(diǎn)，制定針對(duì)性的腐蝕檢查大綱，并結(jié)合日常維護(hù)工作，定期進(jìn)行腐蝕檢查（檢查周期一般約為10天）。
（2）飛機(jī)定期清洗。清洗可以去除表面腐蝕介質(zhì)，阻止其在材料表面聚集而產(chǎn)生腐蝕電解質(zhì)，能有效減少產(chǎn)生腐蝕的外在因素，起到抑制或減緩腐蝕的作用。清洗應(yīng)嚴(yán)格按照維護(hù)手冊(cè)規(guī)定，采用專用清洗劑，要特別注意異種材料連接結(jié)構(gòu)在縫隙和搭接區(qū)域的徹底清洗和干燥。嚴(yán)酷環(huán)境中飛機(jī)的清洗周期約為7天。
（3）加強(qiáng)干燥除濕工作。濕度是發(fā)生異種材料連接結(jié)構(gòu)腐蝕的重要條件之一，干燥除濕可以有效減少和降低腐蝕。嚴(yán)酷環(huán)境中，濕度大且雨水多，要利用空調(diào)機(jī)或除濕機(jī)等定期對(duì)飛機(jī)的內(nèi)外表面、設(shè)備艙、起落架艙等部位進(jìn)行通風(fēng)干燥、除濕，去除飛機(jī)表面和內(nèi)部的潮濕空氣。嚴(yán)酷環(huán)境中，干燥除濕周期為1~2天。
（4）局部腐蝕修復(fù)。一旦發(fā)現(xiàn)腐蝕損傷，必須采取臨時(shí)防護(hù)和有效補(bǔ)救性措施及時(shí)進(jìn)行局部修復(fù)，防止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展。局部腐蝕修復(fù)應(yīng)不破壞原結(jié)構(gòu)的可檢性，修復(fù)時(shí)不應(yīng)引起二次腐蝕。修復(fù)前，先評(píng)估腐蝕損傷性，對(duì)于沒有超過飛機(jī)修理手冊(cè)中規(guī)定的區(qū)域，可以涂覆緩蝕劑作為臨時(shí)修補(bǔ)手段；腐蝕損傷剛好接近容許極限時(shí)，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，并縮短腐蝕檢查間隔，加強(qiáng)監(jiān)控；若腐蝕損傷已影響到飛機(jī)正常使用和飛行安全，且不能進(jìn)行局部修復(fù)，必須進(jìn)行部件更換。
結(jié) 語
（1）嚴(yán)酷環(huán)境中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕普遍且嚴(yán)重，整體呈現(xiàn)出“早、快、廣、重、難、險(xiǎn)”六大特點(diǎn)，異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要腐蝕形式，給飛機(jī)的使用、維護(hù)和飛行帶來了難度和安全隱患。
（2）嚴(yán)酷環(huán)境中，飛機(jī)異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕主要表現(xiàn)在連接結(jié)構(gòu)的縫隙處腐蝕、蒙皮緊固件螺釘孔邊腐蝕和飛機(jī)垂尾、水平尾翼的邊緣腐蝕等，主要原因是結(jié)構(gòu)抗腐蝕設(shè)計(jì)“先天不足”、異種材料間存在電偶腐蝕和外場使用維護(hù)措施不完善等。
（3）針對(duì)嚴(yán)酷環(huán)境中飛機(jī)異種材料連接結(jié)構(gòu)腐蝕的特征和原因，提出了結(jié)構(gòu)選材及抗腐蝕細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、表面防護(hù)體系、使用維護(hù)和局部腐蝕修復(fù)等綜合防護(hù)措施，盡可能減少、降低和避免飛機(jī)在嚴(yán)酷環(huán)境中的腐蝕，確保飛行安全。