腐蝕現(xiàn)象在人類生產(chǎn)和使用的各類材料中普遍存在， 每年由于腐蝕引起的材料失效給人類社會(huì)帶來(lái)了巨大的損失 。由于服役環(huán)境復(fù)雜多變 , 不同構(gòu)成材料相互配合影響 ,導(dǎo)致航空材料在飛行器的留空階段 、 停放階段遭受多種不同種類的腐蝕 ,增加了飛行器的運(yùn)營(yíng)成本 ,對(duì)飛行器的功能完整性和使用安全性造成嚴(yán)重的危害。英美空軍每架飛機(jī)每年因腐蝕造成的直接修理費(fèi)用為 11 000 ～ 55 000美元之間。

    1985年 8月 12日， 日本一架 B 747客機(jī)因應(yīng)力腐蝕斷裂而墜毀 , 死亡 500余人 。因此航空材料的腐蝕防護(hù)技術(shù)研究對(duì)航空業(yè)的發(fā)展具有舉足輕重的作用 。

    航空材料的腐蝕分類

    飛行器中包含多種不同的航空材料 , 這些材料的種類不同 ,所處工作環(huán)境不同， 導(dǎo)致航空材料的腐蝕具有多樣性。從腐蝕的類型劃分， 可分為 ：環(huán)境作用的電化學(xué)腐蝕 、 飛行器主要承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕、高溫環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)高溫腐蝕及意外腐蝕 。

    環(huán)境作用下的電化學(xué)腐蝕

    電化學(xué)腐蝕的兩個(gè)基本條件是電位差和電解質(zhì)溶液。飛行器結(jié)構(gòu)中， 不同的結(jié)構(gòu)由于承擔(dān)的功能不同， 使用不同性質(zhì)的材料。例如 ,飛行器的蒙皮多采用具有出色延展性而強(qiáng)度相對(duì)較低的鋁合金， 起落架和龍骨梁則多選用高強(qiáng)度的合金鋼 。不同材料電極電位不同，如果直接接觸存在腐蝕的隱患 ; 即便是同種材料， 由于材料內(nèi)部不可避免地存在雜質(zhì)相或者材料本身即由電極電位不同的多相組成， 也有腐蝕的隱患 。因此， 構(gòu)成飛行器的航空材料客觀上都存有電化學(xué)腐蝕的可能 。僅有電極電位差 , 而沒有在電極間傳遞電荷的電解質(zhì)溶液 ,并不會(huì)形成導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象的腐蝕電池。

    但現(xiàn)實(shí)中飛行器的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象說(shuō)明電解質(zhì)溶液在飛行器中普遍存在 。

    作為一種中遠(yuǎn)程的運(yùn)輸工具 , 飛行器的工作特點(diǎn)決定了其工作環(huán)境變化遠(yuǎn)大于其它人造工具。飛行器在工作中時(shí)常需要穿越溫度 、濕度差異較大的氣候帶 ,特別是我國(guó)疆域遼闊， 秦嶺淮河以南廣大地區(qū)普遍為亞熱帶 、 熱帶濕潤(rùn)氣候， 航空材料不可避免地需要在潮濕的氣候環(huán)境中服役 ; 甚至因?yàn)闀円箿夭钭兓?在結(jié)構(gòu)中會(huì)因?yàn)榻Y(jié)露而積水 。空氣中的C O 2 、S O 2 等氣體吸附在鋁合金等航空材料的潮濕表面并電離生成電解質(zhì)溶液， 為金屬材料發(fā)生吸氧腐蝕提供了必要條件。飛行器內(nèi)存在大量的結(jié)構(gòu)連接間隙，造成電化學(xué)腐蝕的蔓延。長(zhǎng)期運(yùn)行在海洋環(huán)境中的飛行器的環(huán)境腐蝕問題更為突出。海洋環(huán)境的特點(diǎn)是空氣濕度特別高且大量存在 C l- 離子。 C l - 離子對(duì)電化學(xué)腐蝕的促進(jìn)作用遠(yuǎn)大于 C O 2 、S O 2 , 且 C l-離子可以直接穿透目前大部分抗氧化防護(hù)涂層而破壞航空材料 。

   飛行器主要承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕

    應(yīng)力腐蝕是應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用下的材料破壞形式。應(yīng)力腐蝕僅發(fā)生在特定的腐蝕環(huán)境和材料體系中， 其特點(diǎn)是造成此種破壞的靜應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度 ,斷裂形式為沒有塑性變形的脆斷，且主要由拉應(yīng)力造成 。

    以起落架的應(yīng)力腐蝕為例 ,飛行器的起落架結(jié)構(gòu)為飛行器的主要受力結(jié)構(gòu)之一 , 當(dāng)飛行器處于停放狀態(tài)時(shí)，起落架的輪軸受拉應(yīng)力作用， 可能在相應(yīng)的腐蝕介質(zhì)作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕 。起落架材質(zhì)一般為鍍鉻的高強(qiáng)鋼 ,鉻鍍層強(qiáng)度高 、 耐磨但鍍層較脆，容易在飛行器起降的交變載荷作用下沿缺陷剝落而失效。由于清洗、結(jié)露等原因起落架的輪軸容易積水 ,且雜質(zhì)容易在起降和清洗過(guò)程中附著在輪軸處，形成與之匹配的應(yīng)力腐蝕溶液 ,造成應(yīng)力腐蝕。飛行器上容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的部位還包括：

    （ 1） 廚房和廁所下面的區(qū)域 。濕氣在有地板梁的上緣條上聚集 , 這就使得服役時(shí)間越久的飛機(jī)越容易出現(xiàn)腐蝕。

    （ 2） 機(jī)身頂部。由于冷凝水在機(jī)身上部結(jié)構(gòu)聚集 ,加上受到拉伸應(yīng)力的作用， 更容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。

    （ 3） 機(jī)身下半部。機(jī)身下半部結(jié)構(gòu)中在門入口、廚房和貨艙門附近區(qū)域特別容易出現(xiàn)腐蝕 。

    （ 4） 框架 、 桁條、 止裂帶也時(shí)常出現(xiàn)。

    （ 5） 粘接的結(jié)構(gòu) - 機(jī)身蒙皮 。人們發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力和濕氣的情況下 ,熱粘接 （ 250華氏度 ） 起來(lái)的結(jié)構(gòu)有分層的趨勢(shì)： 蒙皮的鼓包 、 變形或丟失的緊固件頭部 ,容易出現(xiàn)蒙皮裂紋 。

    （ 6） 壓力隔框。通常出現(xiàn)在隔框上位置最低的地方， 特別是排水設(shè)備不夠或沒被維護(hù)過(guò)的地方。

    （ 7） 大翼和安定面梁 。裂紋曾出現(xiàn)在梁的各種不同位置，而這些位置的腐蝕卻非常難以探測(cè) 、 去除和修理 。例如， 在上蒙皮或下蒙皮和梁緣條的水平片之間 ; 在腹板和梁緣條的垂直片之間； 在梁下緣條的水平片的上表面上 ,有聚水構(gòu)造的地方； 緣條上緊固件孔之間 。

    （ 8） 大翼中段 、 主起落架上面的承壓艙板 。大翼中段的上表面以及沖壓空氣整流腔下蒙皮的下表面 ,很容易出現(xiàn)腐蝕。在某型號(hào)飛機(jī)上， 主輪艙前段上部?jī)A斜的承壓艙板與大翼中段的后梁相接， 這就構(gòu)成了潛在的聚水構(gòu)造。

    （ 9） 特別明顯的例子是貨艙門平衡彈簧的應(yīng)力腐蝕斷裂。

    由于應(yīng)力腐蝕多發(fā)生于飛行器結(jié)構(gòu)的承力結(jié)構(gòu) ,造成腐蝕的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度 ,且沒有塑性變形，使其更不易被察覺， 造成的后果更具有災(zāi)難性。另外 ,氫脆可降低應(yīng)力腐蝕發(fā)生的門檻值。

    高溫環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)高溫腐蝕

    對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言 , 其主要腐蝕形式為高溫氧化腐蝕， 見圖 1。目前民航發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是大推力 、 高效率、低油耗和長(zhǎng)壽命。只有提高渦輪進(jìn)口的燃?xì)鉁囟龋拍芴峁└叩脑鰤罕群土髁勘?,提高推力并降低油耗。所以發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的抗高溫腐蝕性能極其關(guān)鍵 。對(duì)此主要可采取以下幾種方法： ①在保證性能的前提下提高葉片材料本身的熔點(diǎn)及高溫抗氧化能力； ②采用與基體材料親和力更好 、 高溫性能更好的抗氧化保護(hù)涂層； ③對(duì)葉片材料采用“氣冷 ”設(shè)計(jì) ,令冷卻空氣在葉片表面形成保護(hù)氣膜 。

圖 1　 簡(jiǎn)單的渦輪示意圖
( 由左向右溫度逐漸降低, 前端溫度最高)

    目前在航空領(lǐng)域最成熟和應(yīng)用最廣泛的材料是鎳基超合金。鎳基超合金具有良好的綜合機(jī)械性能 : 高溫強(qiáng)度 、室溫韌性和抗氧化性 , 但其極限使用溫度為 1 100 ～ 1 150℃，已達(dá)到其熔點(diǎn)的 85%,再進(jìn)一步提高使用溫度的潛力不大 。而當(dāng)前 , 對(duì)新一代高溫結(jié)構(gòu)材料的使用溫度要求達(dá)到 1 600℃左右， 按0. 8T m計(jì)算材料的最高使用溫度 , 則材料的熔點(diǎn)至少需要達(dá)到 2 000℃以上 。鈮 （ 鉬 ）- 硅化物基合金由于其高溫強(qiáng)度和低溫?fù)p傷容限的良好平衡而顯示出誘人的應(yīng)用前景 ,可替代現(xiàn)有的鎳基合金超高溫材料。因此 ,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外把鈮基和鉬基結(jié)構(gòu)材料作為研究開發(fā)葉片后繼材料的主要方向。

    涂層保護(hù)方面 , 目前主要是采用等離子噴涂技術(shù)和滲鋁（ 硅） 涂層。在國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域， 等離子噴涂制備熱障涂層的工藝已經(jīng)在某新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪導(dǎo)向葉片和隔熱屏等零件上成功應(yīng)用， 并獲得了國(guó)家科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。同時(shí)滲鋁（ 硅） 工藝由于相對(duì)簡(jiǎn)單 ,且與新興的鈮 （ 鉬 ）- 硅化物基合金親和力較好，近年來(lái)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

    優(yōu)秀的 “氣冷 ”設(shè)計(jì)可以在使用現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上有效降低葉片表面溫度數(shù)百 K , 但由于冷卻需在葉片內(nèi)部設(shè)計(jì)氣道，并在葉片表面分布足夠的氣孔，因此不僅要對(duì)氣道分布進(jìn)行合理規(guī)劃 ,還需要對(duì)葉片進(jìn)行復(fù)雜的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和試驗(yàn) 。

    意外腐蝕

    飛行器服役中還存在意外腐蝕。這種腐蝕與飛行器的設(shè)計(jì) 、 選材及運(yùn)行環(huán)境無(wú)關(guān) ,完全是由人為不當(dāng)操作造成 。例如 , 2000年馬來(lái)西亞航空公司運(yùn)送一批強(qiáng)酸性的草酰氯至印度。由于托運(yùn)方瞞報(bào)液態(tài)強(qiáng)腐蝕性貨品，導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重泄漏 ,造成飛機(jī)嚴(yán)重受損 。飛機(jī)因空客公司修理成本估算報(bào)告認(rèn)為飛機(jī)已無(wú)修理價(jià)值而報(bào)廢。與前述的其它 3種航空材料的腐蝕類型不同 , 通過(guò)加強(qiáng)飛行器的管理可完全避免意外腐蝕的發(fā)生 。

    基于型號(hào)開發(fā)的航空材料綜合腐蝕防護(hù)體系

    腐蝕防護(hù)技術(shù)伴隨飛行器的誕生 , 已經(jīng)發(fā)展多年 。自從金屬成為飛行器的主要結(jié)構(gòu)材料以來(lái)， 由于腐蝕導(dǎo)致的飛行器維護(hù)成本大增甚至導(dǎo)致機(jī)毀人亡的航空事故發(fā)生 ,航空材料的腐蝕防護(hù)的重要性日益提升。防護(hù)技術(shù)也從單一的腐蝕零部件修復(fù)、更新發(fā)展到預(yù)先的噴漆 、防水保護(hù)等 。但仍然處于一種被動(dòng)狀態(tài)，防護(hù)工作相對(duì)滯后且時(shí)有疏漏 ,缺乏對(duì)腐蝕現(xiàn)象的主動(dòng)控制。

    由于航空材料的腐蝕根本上是一種自然現(xiàn)象，無(wú)法真正消除而只能加以控制。現(xiàn)代防護(hù)技術(shù)傾向于保證飛行器在服役期內(nèi)其航空材料不因腐蝕失效 。為達(dá)到這個(gè)目的， 勢(shì)必需要從型號(hào)的總體論證階段就對(duì)航空材料的腐蝕防護(hù)進(jìn)行總體規(guī)劃， 按照飛行器的總體需求編訂腐蝕防護(hù)大綱 （ 以下簡(jiǎn)稱大綱 ） ,以此展開該型號(hào)的腐蝕防護(hù)工作 。例如， 某型號(hào)的飛行器大量使用復(fù)合材料， 那么大綱中應(yīng)對(duì)復(fù)合材料的腐蝕特性做出說(shuō)明， 介紹防護(hù)方法并對(duì)其必要程度進(jìn)行分級(jí)。當(dāng)進(jìn)入到型號(hào)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)階段 ,腐蝕防護(hù)人員應(yīng)根據(jù)大綱要求 ,編訂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腐蝕防護(hù)手冊(cè)和選材手冊(cè)。輔助飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材 ,應(yīng)避免型號(hào)中出現(xiàn)易腐蝕結(jié)構(gòu)和選材失誤，并且對(duì)腐蝕關(guān)鍵部位進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

    型號(hào)的裝配制造階段 ,腐蝕防護(hù)人員應(yīng)根據(jù)大綱要求 ,配合質(zhì)量保障人員編訂生產(chǎn)工藝 。避免生產(chǎn)裝配過(guò)程中不當(dāng)操作留下腐蝕隱患 , 消除裝配過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力， 指導(dǎo)暴露部件的腐蝕防護(hù)工作。

    在飛行器的服役階段 ,根據(jù)大綱編訂腐蝕維護(hù)手冊(cè)，劃分航空材料腐蝕維護(hù)的等級(jí) , 制定腐蝕問題的檢查辦法和相應(yīng)的處理措施， 消除飛行器的腐蝕隱患 ,使之正常運(yùn)行或者建議其退出服役 。至此 ,伴隨型號(hào)開發(fā)的分階段腐蝕防護(hù)工作可總結(jié)為一個(gè)防護(hù)體系， 其流程如圖 2所示 。防護(hù)體系的建立緊跟型號(hào)開發(fā)的進(jìn)度，從大綱出發(fā)，層層展開 ,保證航空材料的腐蝕防護(hù)工作主動(dòng) 、 及時(shí)和全面到位 。同時(shí) ,防護(hù)體系具有自我完善的特點(diǎn) 。建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù) , 收集型號(hào)開發(fā)各階段工作的反饋信息 , 其完備性將隨著型號(hào)累積而逐步提高。最終可為型號(hào)開發(fā)工作提供極大的便利， 將航空材料的腐蝕破壞危險(xiǎn)降到最低。

圖 2　 基于型號(hào)開發(fā)的防腐體系

    結(jié)論

    航空材料的腐蝕主要分為四種 , 任其發(fā)展將會(huì)提高飛行器的運(yùn)營(yíng)成本，造成災(zāi)難性的安全事故； 因此對(duì)其進(jìn)行腐蝕防護(hù)是關(guān)系到飛行器正常運(yùn)行不可或缺的工作 。建立一套基于型號(hào)開發(fā)的綜合腐蝕防護(hù)體系和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，有助于主動(dòng) 、 即時(shí)和全面的開展腐蝕防護(hù)工作。

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