文 | 蔡健平 陸峰 吳小梅 北京航空材料研究院

腐蝕現(xiàn)象廣泛存在于自然界和工業(yè)環(huán)境中。由于航空產(chǎn)品使用范圍更廣 , 服役條件更為惡劣 , 在自然環(huán)境中和工作環(huán)境下 , 腐蝕問題會(huì)很突出。例如英、美空軍每架飛機(jī)每年因腐蝕造成的直接修理費(fèi)用在 11000 美元 ~52000 美元之間 , 而且腐蝕對(duì)飛行安全也造成很大威脅。又如渦輪是航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件 , 它在非常嚴(yán)酷的環(huán)境下工作 , 易受到高溫氧化和熱腐蝕的損害。通過防護(hù)提高渦輪葉片高溫性能，使其能在更高的溫度下工作已經(jīng)成為制約飛機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此開展航空產(chǎn)品的腐蝕與防護(hù)的研究具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。滯1. 航空材料的腐蝕與防護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)針對(duì)航空產(chǎn)品的腐蝕與防護(hù)的研究和應(yīng)用起始于上世紀(jì)五十年代 , 經(jīng)過幾十年的曲折發(fā)展 , 取得了很大進(jìn)步。目前在航空產(chǎn)品的常溫腐蝕與防護(hù)上 , 已經(jīng)進(jìn)入了向國(guó)際接軌的發(fā)展階段。在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫腐蝕和防護(hù)上 ,已經(jīng)研究成功多種發(fā)動(dòng)機(jī)部件所使用的中、高溫防護(hù)涂層 , 部分涂層進(jìn)入批量生產(chǎn)階段 , 有些研究工作達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。滯1.1 自然環(huán)境試驗(yàn)自然環(huán)境試驗(yàn)是在極端環(huán)境或典型環(huán)境條件下對(duì)航空產(chǎn)品及其材料、工藝、構(gòu)件進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性研究。戶外暴露試驗(yàn)是自然環(huán)境試驗(yàn)的基本手段 , 是研究材料和環(huán)境作用的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

我國(guó)已經(jīng)對(duì)純鋁及幾種常用的航空鋁合金進(jìn)行了二十多年的自戶外暴露試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)一般鋁及鋁合金在海洋、工業(yè)、濕熱鄉(xiāng)村和潮濕城市大氣暴露約3 年后 , 表面會(huì)布滿腐蝕產(chǎn)物 , 并伴有棕、灰、白、黑等均勻分布的點(diǎn)狀腐蝕產(chǎn)物。硬鋁 LY12 在酸雨地區(qū)有晶間腐蝕的傾向 , 而在濕熱或濕熱海洋性大氣中還會(huì)發(fā)生剝蝕。如圖 1 為 LY12 鋁合金萬(wàn)寧暴露十年后剝蝕的電子顯微鏡照片。

目前我國(guó)戶外暴露的試樣不僅有平板金屬試樣 , 還包括部分實(shí)際工程用的非金屬材料和受力件和構(gòu)件。在試驗(yàn)設(shè)備和研究能力方面 , 初步具備了齊全的環(huán)境試驗(yàn)和研究的條件。例如北京大氣試驗(yàn)站實(shí)驗(yàn)室面積已經(jīng)達(dá)到 900m 2 , 設(shè)有氣象觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室、材料性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室、微觀分析實(shí)驗(yàn)室、電化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、腐蝕實(shí)驗(yàn)室、腐蝕模擬加速實(shí)驗(yàn)室等。目前在戶外試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理、大氣腐蝕監(jiān)測(cè)器和大氣環(huán)境腐蝕性分類等方面的研究取得了不小的進(jìn)展。滯1.2 戶內(nèi)加速試驗(yàn)研究自然環(huán)境下戶外暴露試驗(yàn)是評(píng)價(jià)材料大氣腐蝕的基本方法 , 但試驗(yàn)的周期很長(zhǎng) , 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足材料研制、腐蝕控制、材料防護(hù)工程和科學(xué)研究的要求。

為了更好地滿足我國(guó)航空工業(yè)對(duì)快速評(píng)價(jià)材料環(huán)境適應(yīng)性的要求 , 北京航空材料研究院發(fā)展了一種綜合環(huán)境試驗(yàn)機(jī) , 并發(fā)展了一種針對(duì)航空鋁合金的綜合加速試驗(yàn)譜。表 1 是該綜合加速試驗(yàn)的加速試驗(yàn)譜。研究表明 , 同傳統(tǒng)的加速試驗(yàn)相比 , 該綜合加速試驗(yàn)?zāi)芨玫啬M航空鋁合金的大氣腐蝕。滯1.3 腐蝕機(jī)理和測(cè)試技術(shù)研究高強(qiáng)度航空材料在力學(xué) - 環(huán)境因素的交互作用下可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。因此開展應(yīng)力腐蝕的測(cè)試和研究是腐蝕和防護(hù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前已經(jīng)發(fā)展了一些應(yīng)力腐蝕敏感性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。這些試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在研究新研材料和引進(jìn)飛機(jī)材料的應(yīng)力腐蝕性能方面發(fā)揮了重要作用。另外也有人設(shè)計(jì)了一些非標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)來(lái)模擬試件的服役條件 , 試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際情況符合的較好。由于實(shí)際的應(yīng)力腐蝕往往發(fā)生在大氣環(huán)境中 , 所以設(shè)計(jì)了一種便攜式拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)器 , 用于開展戶外大氣應(yīng)力腐蝕的研究。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)往往由多種材料構(gòu)成 , 在一定條件下不同材料的相互接觸會(huì)導(dǎo)致接觸腐蝕和電偶腐蝕。研究者對(duì)鋼與鋁合金和鈦合金接觸時(shí)的電偶腐蝕和防護(hù)方法進(jìn)行研究 , 得到了很多對(duì)實(shí)際工程有指導(dǎo)價(jià)值的結(jié)論。隨著復(fù)合材料在航空產(chǎn)品上得到應(yīng)用 , 復(fù)合材料和金屬材料接觸時(shí)所引起的相容性問題開始得到人們的重視 , 并提出了一些防護(hù)措施。

某型飛機(jī)承力框下半框 7A04-T6 鋁合金與橡膠軟油箱接觸部位發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕裂紋故障。研究表明 : 這是由于在一定條件下橡膠抗老化涂層對(duì)鋁合金的接觸腐蝕所致。圖 3 是在相同相對(duì)濕度條件下 , 幾種橡膠抗老化涂層對(duì)鋁合金的接觸腐蝕作用。圖 3 表明的不同涂層對(duì)于接觸腐蝕有不同的作用 , 因此必須重視非金屬材料和金屬材料的接觸腐蝕。

總之 , 在腐蝕機(jī)理和測(cè)試技術(shù)研究方面 , 我國(guó)取得了不少成果 , 對(duì)指導(dǎo)工程應(yīng)用起到了重要作用。滯1.4 航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫防護(hù)涂層航空發(fā)動(dòng)機(jī)所用的高溫防護(hù)涂層一般可分成擴(kuò)散涂層 （diffusion coatings）和包覆涂層 （overlaycoatings） 目前我國(guó)已經(jīng)發(fā)展出多種發(fā)動(dòng)機(jī)部件所使用的鎳鎘擴(kuò)散涂層、滲 Al 、Al -Si 料漿涂層、滯Pt-Al 涂層、包覆型 MCrA lX 涂層、熱障涂層、抗氧化防脆化涂層、封嚴(yán)涂層等 , 部分涂層進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。滯MCrAIY 涂層是一種包覆性涂層 ,它克服了傳統(tǒng)鋁化物涂層與基體之間互相制約的弱點(diǎn) , 進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)材料的抗氧化的能力。圖 4 是通過真空電弧鍍技術(shù)在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上涂敷NiCoCrAlYHf 高溫防護(hù)涂層的樣件。

隨著航空燃?xì)廨啓C(jī)向高流量比、高推重比、高進(jìn)口溫度的方向發(fā)展 , 燃燒室中的燃?xì)鉁囟群蛪毫Σ粩嗵岣?,我國(guó)開展了熱障涂層 （therma l barriercoatings, 簡(jiǎn)稱 TBCs） 的研究。熱障涂層是由陶瓷隔熱面層和金屬粘結(jié)底層組成的涂層系統(tǒng) ZrO 2 是目前陶瓷隔熱面層中研究最多的成分 , 圖 5 是采用電子束物理氣相沉積 （EB-PVD） 方法制備的氧化鋯陶瓷隔熱層 , 可以看出隔熱層呈現(xiàn)柱狀晶組織、熱循環(huán)試驗(yàn)證明柱狀晶組織較普通的纖維狀組織具有更高的抗熱疲勞性能。另外我國(guó)還開展了納米陶瓷熱障涂層的研究 , 圖 6 是納米陶瓷熱障涂層 1100℃高溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線 , 該涂層氧化動(dòng)力學(xué)曲線呈比較明顯的拋物線形狀 , 在氧化進(jìn)行到 340h 才開始失效。

1.5 表面處理和防護(hù)技術(shù)的研究目前在航空工業(yè)中常見的表面處理和防護(hù)技術(shù)有電鍍、陽(yáng)極化、緩蝕劑、涂層等。為了滿足航空工業(yè)的需要 , 國(guó)內(nèi)開展了高強(qiáng)度鋼低氫脆無(wú)氰鍍鎘 - 鈦替代氯化銨鍍鎘的工藝應(yīng)用研究。研究發(fā)現(xiàn) , 鎘 - 鈦鍍層的耐蝕性優(yōu)于氯化銨鍍鎘鍍層 , 且其氫脆性能也優(yōu)于氯化銨鍍鎘鍍層。圖 7 為鍍鎘 - 鈦 + 鈍化后的鍍層微觀形貌。由于傳統(tǒng)的鋁合金鉻酸陽(yáng)極化會(huì)造成環(huán)境污染 , 而硫酸陽(yáng)極化會(huì)影響材料的疲勞性能。因此我國(guó)開展了硼酸 - 硫酸陽(yáng)極化工藝的應(yīng)用研究。結(jié)果表明 : 硼酸硫酸陽(yáng)極化耐蝕性滿足航空工業(yè)的要求 , 并且不降低材料的疲勞性能。

為了在日常飛機(jī)維護(hù)過程中防止和減緩腐蝕 , 研制了一種飛機(jī)用的硬膜型脫水防銹劑。該防銹劑施加在飛機(jī)表面，可自動(dòng)去除表面水分和鹽分 , 并很快形成透明硬膜、硬膜型防銹劑的特點(diǎn)是膜厚質(zhì)地較硬、不易破壞 , 耐磨、不沾灰 ,保護(hù)期一般可長(zhǎng)達(dá)半年至一年半時(shí)間 ,是飛機(jī)外場(chǎng)簡(jiǎn)便易行的一種防護(hù)材料。

鋁合金的化學(xué)氧化由于設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn) , 也廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)中。北京航空材料研究院研制的 CJ-23 型化學(xué)氧化工藝所得到的膜層耐蝕性好 , 成本低 , 在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。滯防腐涂層是提高飛機(jī)環(huán)境適應(yīng)性的最重要的防護(hù)手段之一 , 目前我國(guó)的防腐涂層正向高性能和環(huán)境友好等方向發(fā)展。另外國(guó)內(nèi)在防腐密封劑、憎水劑等方面的工程化也取得很大的進(jìn)步。滯2 航空材料的腐蝕和防護(hù)技術(shù)發(fā)展展望隨著我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展 , 對(duì)腐蝕和防護(hù)技術(shù)提出了更高的要求 , 因此我國(guó)的腐蝕和防護(hù)技術(shù)將會(huì)得到更大發(fā) 滯2.1 自然環(huán)境中的戶外暴露試驗(yàn)在戶外暴露試驗(yàn)方面 , 將進(jìn)一步提高試驗(yàn)網(wǎng)站的環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰退健Ｈ鐚?shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析和處理 ; 實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)對(duì)象主要及關(guān)鍵性能的現(xiàn)場(chǎng)檢。

將通過自然環(huán)境試驗(yàn)開展新材料和先進(jìn)材料環(huán)境適應(yīng)性及其環(huán)境失效行為研究。如復(fù)合材料、鋁鋰合金、阻尼鋁合金、新型鑄造鋁合金等新材料和先進(jìn)材料環(huán)境適應(yīng)性及其環(huán)境失效行為研究 , 為新材料和先進(jìn)材料的應(yīng)用提供依據(jù)。加強(qiáng)零件、部件、受力件、焊接件、涂層防護(hù)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性及其環(huán)境失效行為研究。加強(qiáng)整機(jī)環(huán)境適應(yīng)性及其環(huán)境失效行為研究。為提高整機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性提供方向、開展早期和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)檢測(cè)技術(shù)研究 , 研究材料在環(huán)境中早期失效的行為 , 為預(yù)測(cè)材料的長(zhǎng)期環(huán)境適應(yīng)性提供依據(jù) , 為實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè) - 防護(hù)的技術(shù)路線奠定基礎(chǔ)。滯2.2 戶內(nèi)加速試驗(yàn)及戶內(nèi)外試驗(yàn)之間的相關(guān)性應(yīng)根據(jù)我國(guó)的環(huán)境特點(diǎn)和航空材料體系和防護(hù)體系 , 研制具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的加速試驗(yàn)設(shè)備。使試驗(yàn)設(shè)備向多樣化、大型化、綜合化發(fā)展 ; 發(fā)展適合我國(guó)的加速試驗(yàn)方法 , 同時(shí)要在試驗(yàn)方法和試驗(yàn)手段上向國(guó)際接軌 , 滿足我國(guó)航空工業(yè)對(duì)快速評(píng)價(jià)材料環(huán)境適應(yīng)性的要求。滯2.3 加強(qiáng)腐蝕控制技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)一步提高已有腐蝕控制技術(shù)的工程應(yīng)用水平 , 發(fā)展高性能、環(huán)境友好的防護(hù)技術(shù)如氟涂料、高速火焰噴涂、微弧氧化、離子鍍鋁等技術(shù) , 以滿足新一代航空產(chǎn)品腐蝕與防護(hù)的要求。滯2.4 提高我國(guó)航空材料高溫防護(hù)技術(shù)和工程應(yīng)用水平在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上 , 大力開發(fā)新型高效涂層技術(shù) , 研究多元、多層及納米涂層以及高性能抗氧化防脆化防護(hù)涂層 , 加速涂層的應(yīng)用研究。重視采用電子束物理氣相 （EB-PVD） 等先進(jìn)技術(shù) ,從熱障涂層壽命、隔熱效果、質(zhì)量檢測(cè)等方面研究熱障涂層工藝及應(yīng)用技術(shù)。

2.5 加強(qiáng)腐蝕和防護(hù)工程管理加強(qiáng)控制腐蝕和防護(hù)措施、方案、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等的制訂 , 進(jìn)一步開發(fā)腐蝕和防護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。環(huán)境適應(yīng)性知識(shí)庫(kù)，進(jìn)行人員培訓(xùn) , 開展航空腐蝕工程系統(tǒng)控制技術(shù)研究。使將環(huán)境適應(yīng)性控制貫穿于設(shè)計(jì)、維護(hù)和日常管理上。滯3 結(jié)束語(yǔ)我國(guó)的腐蝕和防護(hù)研究在過去為我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn) ,在戶外暴露試驗(yàn)、戶內(nèi)加速試驗(yàn)研究、腐蝕機(jī)理和測(cè)試、航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫防護(hù)涂層以及表面處理和防護(hù)技術(shù)等方面都取得了不小成績(jī)。未來(lái)將重點(diǎn)發(fā)展自然環(huán)境試驗(yàn)、材料環(huán)境適應(yīng)性、戶內(nèi)加速試驗(yàn)及戶內(nèi)外試驗(yàn)之間的相關(guān)性、腐蝕控制技術(shù)及其應(yīng)用、航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫腐蝕和防護(hù)技術(shù)和腐蝕和防護(hù)的管理等方面。