本文首先介紹了飛機結構中的電偶腐蝕現象，然后介紹了電偶腐蝕的基本概念與影響因素，最后簡要介紹了飛機結構中控制電偶腐蝕的方法，并給出了控制飛機結構中電偶腐蝕問題的方法思路與建議。

    文\ 杜東興 吳志勇 趙黎寧 中國工程物理研究院 

       機械制造工藝研究所飛機結構中的電偶腐蝕現象飛機在使用過程中，隨著服役時間的增加，腐蝕引起的損傷與破壞更加突出，因此腐蝕是老齡飛機結構失效的主要原因。美國空軍后勤中心（ALC） 對二十多種現役飛機的詳細調查，結果表明，開裂與腐蝕各占飛機全部損傷事故的百分之三十和百分之二十，而開裂往往是由腐蝕造成，腐蝕使裂紋在使用載荷作用下疲勞擴展。我國對一些類型現役機種的腐蝕調查同樣表明，腐蝕狀況也比較突出，特別是對海軍使用的各型飛機，腐蝕問題更為普遍和嚴重。

      由于飛機不同部位對材料性能的要求不同，致使在飛機結構中采用大量不同種類的結構材料，而異類結構材料的接觸使用常常導致電偶腐蝕問題十分突出。據文獻報道，1971 年，一架Vanguard 型飛機，由于廁所污水所引起的接頭腐蝕破壞（電偶腐蝕造成），造成載有六十多人的飛機墜毀。近些年來，據調查分析，由于腐蝕造成的飛機結構破壞，導致飛機墜毀的案例屢見不鮮。圖1 所示為土耳其某航空公司的波音737 型飛機墜毀現場。

      據2002 年中國對飛機腐蝕調查，我國的飛機結構普遍存在的電偶腐蝕問題表現在下述區域： （1） 絕大部分的飛機后貨艙地板與地板梁搭接處的電偶腐蝕；（2） 大部分飛機的機腹下部天線與機腹的搭接處等結構件與連接件的電偶腐蝕。
 

   
圖1 波音飛機及其墜毀現場

 

    電偶腐蝕基本概念

      當兩種電極電位不同的金屬或合金相接觸并放入電解質溶液中時，即可發現電極電位較低金屬腐蝕加速，而電位較高的金屬腐蝕反而減慢，這種在一定條件下產生的電化學腐蝕，即由于同電極電位較高的金屬接觸而引起腐蝕速度增大的現象，稱為電偶腐蝕或異種金屬腐蝕。電偶腐蝕基本原理圖如圖2 所示。
 

    圖2 電偶腐蝕基本原理圖
 

       電偶腐蝕加速效應極大地促進了電極電位較低金屬的腐蝕，造成結構失效、材料浪費，引發安全事故。電偶腐蝕與互相接觸的金屬在溶液中的實際電位有關，產生電偶腐蝕的動力來自兩種不同金屬接觸的實際電位差。一般來說，兩種金屬的電極電位差愈大，電偶腐蝕愈嚴重，它是產生電偶腐蝕的必要條件，但它不能決定腐蝕電偶的速率。電偶腐蝕作為一種普遍的腐蝕現象，可誘導甚至加速應力腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、氫脆等腐蝕過程的發生。典型不銹鋼螺釘與中碳鋼板材連接使用后的電偶腐蝕現象如圖3 所示。
 

    圖3 不銹鋼螺釘與中碳鋼板材連接后的電偶腐蝕現象



圖4 飛機蒙皮結構的電偶腐蝕現象
 

    電偶腐蝕的影響因素

       1、幾何因素的影響

       陰極與陽極相對面積比對電偶速率有著重要的影響。陰、陽極面積比的比值愈大，則陽極電流密度愈大，從而陽極金屬腐蝕速率越大。在氫去極化腐蝕的情況下，陰極上的氫過電位與電流密度有關，陰極面積越大，則電流密度越小，氫過電位也越小，越容易發生氫去極化，因而陽極腐蝕速率加快。在氧去極化腐蝕的情況下，若過程由氧離子化過電位所控制，則陰極面積的增大導致氧過電位降低，因而陽極腐蝕速率加快；如果過程由氧擴散所控制，則陰極面積增大能接受更多的氧發生還原反應，因而腐蝕電流也增大，由此導致陽極腐蝕加速。所以，飛機結構中小陽極和大陰極式的電偶結構是很危險的。如圖4 所示，為未經表面處理飛機結構件連接后，環境試驗后，飛機蒙皮結構與鉚釘連接處嚴重的腐蝕現象。因為鉚釘與蒙皮之間存在電位差，且鉚釘材料的電位較高，蒙皮材料電位較低，兩者連接后構成異種金屬電偶腐蝕，鉚釘材料（高電位）加速蒙皮材料（低電位）結構腐蝕，使得在未經過表面處理控制連接后的鋁合金蒙皮鉚釘孔周圍電偶腐蝕非常嚴重。

    2、環境因素的影響

       環境因素的性質如介質的組成、溫度、電解質溶液的電阻、溶液的pH 值、環境工況條件的變化等因素均對電偶腐蝕有重要的影響。如圖5 所示為飛機某結構在腐蝕環境下的發生嚴重電偶腐蝕現象。
 

圖5 飛機某結構在腐蝕環境下的電偶腐蝕現象
 

    3、 材料自身因素的影響

      影響接觸腐蝕首要因素是被接觸材料本身，材料本身材質狀態、合金元素種類與含量以及物理化學性能等都會影響到材料發生接觸腐蝕的傾向。據有關文獻研究報道，在30 ℃，3.5%NaCl 水溶液中，與鈦合金TC4 偶對，鋁合金LY12 的電偶腐蝕敏感性比LC4 低；不銹鋼Cr17Ni2 的腐蝕電流比結構鋼3oCrMnSiA 低100 倍。

    飛機結構中電偶腐蝕控制技術

       目前，在國內外的航空工業上，控制飛機結構電偶腐蝕的措施主要歸納為以下兩大方面：

    1、采用合理的鍍層或化學轉化膜

      金屬覆蓋層技術是指在金屬基體上覆蓋一層或多層金屬涂層（或鍍層）的技術，以達到保護基體金屬、防止基體金屬腐蝕的目的。金屬覆蓋層技術主要包括電鍍、化學鍍、熱浸鍍、熱噴鍍等。根據使用目的的不同，可將金屬覆蓋層分為防護性覆蓋層、防護裝飾性覆蓋層和功能性覆蓋層三大類。采用此方法將材料表面改性，使相接觸的材料具有相近的電位，從而有效地防止電偶腐蝕。

     化學轉化膜技術是采用化學或電化學方法在金屬表面上形成附著力良好的穩定化合物膜層的技術，包括氧化膜或者發藍技術、陽極氧化技術、磷酸鹽成膜技術、鉻酸成膜技術、草酸鹽技術等，金屬的化學轉化膜主要用于防銹、防蝕、耐磨以及冷加工的潤滑和涂裝的底層。

     如圖6 所示，為鍍層技術、陽極氧化與化學轉化膜技術在某結構件材料中的應用。總之，選用金屬覆蓋層作為飛機結構基體金屬的腐蝕控制與防護措施時，既要根據飛機結構基體金屬的種類和性質，飛機結構的使用環境和條件來確定金屬覆蓋層的材料類型，也要根據基體材料的表面狀態、飛機的結構形式、基體與覆蓋層的相容性等因素來考慮選擇適當的金屬覆蓋層制備技術。

   
圖6 鍍層技術、陽極氧化與化學轉化膜技術在飛機某結構件材料中的應用
圖7 飛機內倉某結構防電偶腐蝕涂料的應用
 

    2、涂漆或涂膠

       非金屬覆蓋層技術是將非金屬涂料覆于材料表面形成具有一定功能并牢固附著的無機非金屬涂層，防護涂層應有盡可能低的透水性、透氧性、透離子性以及良好的工藝性如附著力、固化收縮率等。據文獻報道，采用環氧鋅黃底漆、雙組分密封膠防護可以有效地防止不銹鋼與鋁合金和鈦合金接觸產生的電偶腐蝕。采用涂密封膠的方法則是控制電偶腐蝕的常用工程技術方法，如圖所示7 所示為飛機內倉某結構防電偶腐蝕涂料的應用。

    結束語

      總之，在制定飛機結構中防止或減少電偶腐蝕的方法時，首先我們要明確電偶腐蝕的影響因素。如前所述，形成電偶腐蝕的主要三因素：材料、接觸和環境，控制電偶腐蝕根本措施也就是要從這三方面入手。首先要合理的選材，適當地進行表面改性或表面涂鍍層處理，以降低或消除電偶腐蝕；其次從設計方案進行考慮，盡量避免或減少異種材料的接觸，對于無法避免的接觸要對其進行絕緣隔離，同時要保證精密配合，盡量避免狹小縫隙的形成；最后控制工件的環境因素，避免潮濕環境、水汽、鹽霧，加強通風，定時清理工件的懸著物或附著物，消除工作環境中的懸著物；同時可以利用密封膠或密封漆將工件與工作環境隔離，如緊固件涂漆密封，消除電偶腐蝕。

    參考文獻

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作者簡介

       杜東興，男，1984年9月出生，博士，工程師，現就職于中物院機械制造工藝研究所表面處理中心，主要研究方向為：金屬材料的腐蝕及表面工程技術。

責任編輯：班英飛

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