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艦載飛機(jī)腐蝕控制與防護(hù)技術(shù)

2017-11-15 11:51:10 作者：孫盛坤,孫志華,湯智慧等來(lái)源：裝備環(huán)境工程分享至：

1 艦載飛機(jī)服役環(huán)境分析

隨著我國(guó)深海遠(yuǎn)海戰(zhàn)略的實(shí)施，艦載飛機(jī)以航空母艦為載體，并隨航母在廣泛水域內(nèi)活動(dòng)，艦載飛機(jī)的停機(jī)貯存和工作環(huán)境非常特殊。主要表現(xiàn)為：

1）整個(gè)使用壽命期內(nèi)，在航母上起飛、著落、停機(jī)及海上飛行，長(zhǎng)期暴露于含鹽量高的海洋大氣環(huán)境中，航母的活動(dòng)范圍多數(shù)在溫暖潮濕的海面（據(jù)美軍統(tǒng)計(jì)占總時(shí)間的82%），使飛機(jī)又長(zhǎng)期處于濕熱的環(huán)境中，其溫度、濕度、Cl-含量較內(nèi)陸地區(qū)高得多。

如我國(guó)萬(wàn)寧熱帶濕潤(rùn)性海洋氣候，Cl-含量是西雙版納熱帶雨林氣候的百倍以上，Cl-具有較強(qiáng)的侵蝕性，會(huì)加重結(jié)構(gòu)的腐蝕。

2）以燃油為動(dòng)力時(shí)，艦面和其他艦載機(jī)排放大量含硫煙氣，以及艦面工作人員生活排放的腐蝕性氣體等，使艦載機(jī)處于酸性腐蝕氣氛中，硫酸根含量較高。美軍在不同航母上測(cè)得的pH 值和SO42-濃度見(jiàn)表1，可見(jiàn)，pH 值為酸性，最低可達(dá)到2.4，具有較強(qiáng)的腐蝕性。

3）艦面機(jī)庫(kù)內(nèi)擁擠、潮濕，易于各種微生物生長(zhǎng)。

4）受海浪和海風(fēng)拍打，船體傾斜與搖擺，以及起飛、著艦和海面作業(yè)影響，誘發(fā)出結(jié)構(gòu)振動(dòng)、沖擊、沖蝕等。

這些因素均導(dǎo)致艦載飛機(jī)處于極其苛刻惡劣的腐蝕環(huán)境中，經(jīng)常面臨腐蝕與應(yīng)力載荷雙重作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件失效的威脅。

2 艦載飛機(jī)腐蝕問(wèn)題

艦載飛機(jī)由于受到海浪沖刷、鹽霧腐蝕、霉菌腐蝕、高溫輻射、高溫水蒸氣等多種因素耦合作用，極易發(fā)生金屬件腐蝕、非金屬件老化、油液易污染變質(zhì)等嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題。腐蝕問(wèn)題已成為決定艦載飛機(jī)壽命、保證技戰(zhàn)術(shù)水平的關(guān)鍵因素。一方面腐蝕可削弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，破壞結(jié)構(gòu)的完整性，影響裝備的正常使用，甚至危及飛行安全。另一方面，在使用壽命期內(nèi)，由于腐蝕防護(hù)與控制不當(dāng)以致發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，致使停飛檢修，增加外場(chǎng)維護(hù)強(qiáng)度和成本，不但造成人力和物力的巨大損失，更影響飛機(jī)的安全性和出勤率，重者將縮短飛機(jī)的設(shè)計(jì)使用壽命，甚至機(jī)毀人亡，其損失難以用經(jīng)濟(jì)損失來(lái)估量。由于腐蝕而引發(fā)的損傷和事故在國(guó)內(nèi)外均有慘痛的教訓(xùn)，如1983 年一架美國(guó)F-18 飛機(jī)，由于不銹鋼油管接頭發(fā)生晶間腐蝕，造成飛機(jī)墜毀；1980 年一架前蘇聯(lián)蘇-27 飛機(jī)，由于機(jī)身腐蝕引起結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致機(jī)毀人亡；1985 年日本一架波音747 客機(jī)由于增壓艙段端框腐蝕斷裂而墜毀，一次死亡500 多人；1981 年臺(tái)灣一架波音747客機(jī)因機(jī)身下部腐蝕，蒙皮變薄，產(chǎn)生孔洞和裂紋，在壓力作用下導(dǎo)致空中解體。

美國(guó)海軍明確提出結(jié)構(gòu)及設(shè)備嚴(yán)重、廣布的腐蝕損傷已成為當(dāng)前航空裝備頭等重要的安全問(wèn)題。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，美國(guó)1994 年至2004 年的10 年間，每年約1 億平均維修工時(shí)用于解決腐蝕及腐蝕檢查工作。平均7.6 維修小時(shí)/飛行小時(shí)，占整個(gè)檢查維修時(shí)間的36%。引發(fā)安全事故224 件，涉及飛機(jī)227 架，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10 億美元/年。僅F/A-18 系列艦載飛機(jī)用于腐蝕防護(hù)與控制的年度費(fèi)用總計(jì)約5.7 億美元。我國(guó)亞丁灣護(hù)航任務(wù)是我國(guó)海軍迄今為止深入海洋最遠(yuǎn)、時(shí)間最久的任務(wù)，多種直升機(jī)在此任務(wù)中暴露出了嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題[1]，飛機(jī)不得不提前進(jìn)入大修，因腐蝕所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上千萬(wàn)。

3 艦載飛機(jī)腐蝕防護(hù)與控制的發(fā)展思路

英、美等國(guó)空軍、海軍將飛機(jī)腐蝕控制研究發(fā)展為防護(hù)系統(tǒng)工程學(xué)，貫穿設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、使用全過(guò)程。完善頂層管理，以指導(dǎo)艦載飛機(jī)全面腐蝕控制的研究，確保腐蝕控制系統(tǒng)工程的全面貫徹執(zhí)行質(zhì)量保證。

加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使艦載飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更適應(yīng)海洋服役環(huán)境的需要，提高整機(jī)的防腐蝕能力。根據(jù)海洋服役的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材需求，進(jìn)行材料研制、腐蝕性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)和表面防護(hù)技術(shù)研究。加強(qiáng)使用中的維護(hù)/維修，共同開(kāi)展生產(chǎn)過(guò)程、使用過(guò)程中的腐蝕控制技術(shù)和維修維護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用，全面提高海洋服役飛機(jī)的使用壽命。

例如美國(guó)對(duì)艦載飛機(jī)腐蝕問(wèn)題高度重視，成立了由美國(guó)國(guó)會(huì)監(jiān)察、國(guó)防部監(jiān)管、各軍種主管，自頂向下、面向產(chǎn)品全壽命周期、基礎(chǔ)研究與工程研發(fā)相結(jié)合的腐蝕管理及組織機(jī)構(gòu)。發(fā)布了一系列法令對(duì)各部門(mén)的職責(zé)進(jìn)行規(guī)定，各軍種腐蝕管理辦公室，每年向國(guó)防部遞交工作報(bào)告和下一年度預(yù)算，國(guó)防部每年12 月向國(guó)會(huì)遞交工作報(bào)告和下一年預(yù)算，內(nèi)容納入海洋科學(xué)部（OSD）腐蝕戰(zhàn)略規(guī)劃。

4 艦載飛機(jī)腐蝕控制與防護(hù)技術(shù)

4.1 綜合防護(hù)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量防止或減小腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，并將抗腐蝕設(shè)計(jì)思想貫徹到設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用整個(gè)過(guò)程中。在選用合理的材料和防護(hù)體系的同時(shí)，應(yīng)控制機(jī)體結(jié)構(gòu)環(huán)境，杜絕滲漏。飛機(jī)無(wú)論是飛行或停放期內(nèi)，均應(yīng)保證密封，防止水及其他介質(zhì)進(jìn)入機(jī)體內(nèi)部，并加強(qiáng)通風(fēng)、排水、可達(dá)性以及抗應(yīng)力腐蝕設(shè)計(jì)等。同時(shí)應(yīng)細(xì)化易腐蝕連接件（緊固件、軸承等）、特殊結(jié)構(gòu)（折疊、軸套、起落架等）的設(shè)計(jì)，注重貼合面、鉚釘?shù)任恢玫姆雷o(hù)。有效控制電偶腐蝕，不允許有電偶腐蝕傾向的構(gòu)件之間相互接觸。針對(duì)折疊機(jī)翼，機(jī)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單、易于折翻、轉(zhuǎn)角均圓滑過(guò)渡，并進(jìn)行合理選擇鍛件分模面，主應(yīng)力、流線方向和分模面匹配等，提高鍛件的抗應(yīng)力腐蝕能力和承載能力。

4.2 選用綜合性能優(yōu)良的耐蝕材料

針對(duì)可能出現(xiàn)的腐蝕類(lèi)型選擇相應(yīng)的耐腐蝕材料，尤其在易產(chǎn)生腐蝕和不容易維護(hù)的部位，應(yīng)盡量選擇耐腐蝕性能好的材料，所選用的材料應(yīng)具有相容性。應(yīng)按材料-環(huán)境組合體系選擇合適的材料及熱處理狀態(tài)，應(yīng)盡量避免選擇對(duì)腐蝕敏感的熱處理狀態(tài)，避免選擇會(huì)引起應(yīng)力腐蝕和氫脆敏感性的表面加工工藝。

4.3 阻蝕密封技術(shù)

采用鉻硫化體系、環(huán)境友好的低密度緩蝕改性聚硫密封劑，提高粘接能力和防腐蝕性能。同時(shí)加強(qiáng)精細(xì)密封施工工藝的應(yīng)用，如螺釘用密封帽、專(zhuān)用的施工修正工具以及采用雙組分單包裝等。增加貼合面密封，內(nèi)部貼合面做傳統(tǒng)陽(yáng)極化處理并涂底漆。托板螺母采用濕裝配，采用聚硫密封劑做貼合面密封作為加強(qiáng)防護(hù)，在低濕度環(huán)境下進(jìn)行濕裝配施工。可拆卸緊固件采用不硫化密封膩?zhàn)樱谰镁o固件采用硫化密封劑。

4.4 新型先進(jìn)表面處理技術(shù)

金屬零件應(yīng)采用鍍層、覆蓋層或沉積層，以提高材料制件的耐蝕性、耐磨性、導(dǎo)電性、減摩性、隔熱性、裝飾性等。目前飛機(jī)表面處理技術(shù)向提高材料綜合防護(hù)性能及環(huán)保需求方向發(fā)展，如低氫脆無(wú)氰鍍鎘-鈦（Cd-Ti）技術(shù)、高耐蝕硬鉻鍍層封孔技術(shù)、耐中溫離子鍍鋁技術(shù)（IVD）、高速火焰噴涂技術(shù)（HVOF）替代電鍍硬鉻、爆炸噴涂技術(shù)、代替鉻酸環(huán)保陽(yáng)極氧化技術(shù)、提高與漆層及密封劑結(jié)合強(qiáng)度的溶膠-凝膠表面處理技術(shù)、中溫?zé)o機(jī)鹽鋁涂層技術(shù)等。

4.5 高性能表面防護(hù)涂料

有機(jī)防護(hù)涂層是飛機(jī)腐蝕防護(hù)的重要材料之一。

現(xiàn)代海軍飛機(jī)蒙皮涂層體系多數(shù)為雙層防護(hù)體系，即底漆采用結(jié)合力和耐蝕性能良好的環(huán)氧聚酰胺涂層，面漆使用耐候性、耐化學(xué)介質(zhì)及耐久性較好的脂肪族聚氨酯涂層。兼具有防潮拒水、高柔韌性、“三防”涂層是最佳解決方案。全機(jī)外表面采用耐濕熱抗鹽霧表面涂料，如目前最新研制了鋁合金用QH-15 防腐環(huán)氧底漆、結(jié)構(gòu)鋼用H06-1011H 防腐環(huán)氧底漆、復(fù)合材料用H06-1371 防潮環(huán)氧底漆以及與面漆QFS-15耐候聚氨酯磁漆配套的新型防護(hù)涂層體系。局部腐蝕環(huán)境惡劣的區(qū)域，如艦載預(yù)警機(jī)特有的盥洗室、登機(jī)艙門(mén)門(mén)檻等腐蝕嚴(yán)重區(qū)域采用專(zhuān)用的重防腐涂料，如BFJ-1901-1 薄型重防腐底漆。艙內(nèi)除了進(jìn)行底漆的噴涂外，在結(jié)構(gòu)孔和縫隙、連接部位噴涂滲透型防銹劑進(jìn)行補(bǔ)充防護(hù)，如YTF-3 高閃點(diǎn)硬膜脫水防銹劑。

4.6 機(jī)載電子設(shè)備等成品件的腐蝕控制技術(shù)

針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備腐蝕問(wèn)題，美海航指揮系統(tǒng)制訂了機(jī)載電子設(shè)備腐蝕預(yù)防及控制計(jì)劃，采用注射成型增強(qiáng)聚合材料制作電子設(shè)備罩和箱體材料，替代不銹鋼和石墨復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料，避免接觸腐蝕。以硅烷偶聯(lián)劑為主要成分的熱固型凝膠和熱塑型凝膠用于電子元器件和殼體表面防護(hù)，隔絕濕氣和腐蝕性介質(zhì)的侵入，同時(shí)可避免電鍍工藝對(duì)環(huán)境的污染。研制機(jī)載電子設(shè)備專(zhuān)用清洗劑、腐蝕緩蝕劑及相應(yīng)的設(shè)備和方法，有效清除污染物及腐蝕產(chǎn)物，確保電子設(shè)備的固有性能。應(yīng)用3M 氧化劑吸收紙有效吸收環(huán)境中H2S，SO2，NO2，O3，HCl，Cl2 等腐蝕性介質(zhì)，保障電子產(chǎn)品的存貯穩(wěn)定性。

4.7 生產(chǎn)過(guò)程中的腐蝕控制

艦載機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程要經(jīng)歷入廠、保管、鑄造、鍛造、熱處理、機(jī)械加工、焊接、膠接或膠焊、特種加工、表面防護(hù)、裝配成品、防護(hù)包裝等一系列過(guò)程。在這些生產(chǎn)過(guò)程中，不得損害飛機(jī)所要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)和耐環(huán)境侵蝕的能力，必須做好原材料從驗(yàn)收入庫(kù)直到制造組裝完畢整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的腐蝕控制，尤其是在熱加工過(guò)程中不能損傷材料固有的耐蝕性，而且通過(guò)加工過(guò)程，尤其是表面防護(hù)要進(jìn)一步提高制件的耐蝕性。這就需要進(jìn)行全過(guò)程的腐蝕控制，只有證明不會(huì)損傷材料固有耐蝕性的工藝才能使用。

4.8 艦上腐蝕控制維護(hù)/維修技術(shù)

飛機(jī)在交付之后的外場(chǎng)使用過(guò)程中，其機(jī)體結(jié)構(gòu)在海洋性氣氛等強(qiáng)腐蝕環(huán)境條件作用下，不可避免地會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕破壞。因此，外場(chǎng)使用維護(hù)過(guò)程中的腐蝕控制對(duì)于飛機(jī)的使用和壽命至關(guān)重要。采用清洗、緩蝕、艦上快速腐蝕修復(fù)技術(shù)等可以有效控制腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。

1）清洗劑。艦載飛機(jī)在停放和飛行期間，表面會(huì)沉積鹽霧、灰塵、油污等。這不僅影響飛機(jī)外觀，而且成為腐蝕的誘發(fā)因素。清潔飛機(jī)既可以保持美觀，又是防止腐蝕發(fā)生的手段。美國(guó)海軍針對(duì)艦載飛機(jī)規(guī)定了具體的清洗頻率，如當(dāng)飛機(jī)在海洋上空在低于一定高度飛行后，應(yīng)每天對(duì)飛機(jī)進(jìn)行清洗等，大大減緩了飛機(jī)的腐蝕。目前用于飛機(jī)的清洗劑種類(lèi)、特點(diǎn)、用途及相關(guān)產(chǎn)品見(jiàn)表2。

2）緩蝕防銹劑。脫水防銹劑具有極強(qiáng)的滲透能力和水置換能力，噴涂或刷涂在飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)上，可自動(dòng)去除表面及縫隙中水分和鹽分，并很快形成一層透明的硬膜，對(duì)飛機(jī)上鋼、銅、鋁、鎂、鎘、鋅等多種金屬均有良好防護(hù)作用。脫水防銹劑的種類(lèi)、用途及相關(guān)產(chǎn)品見(jiàn)表3。

3）去腐蝕產(chǎn)物膏。在外場(chǎng)使用維護(hù)過(guò)程中，原位快速結(jié)構(gòu)鋼/鋁合金的腐蝕膏維護(hù)/維修技術(shù)對(duì)于飛機(jī)的使用和壽命至關(guān)重要，它可快速、有效地去除生成的腐蝕產(chǎn)物，同時(shí)在清理部位形成一層耐腐蝕涂層以及與漆膜結(jié)合良好的底層，保證局部腐蝕部位維護(hù)、修理的需要。如ALT-1 鋁合金去腐蝕產(chǎn)物膏和LYG-2 鋁合金局部化學(xué)氧化膏以及鋼零件用BT-1 軟膏和BT-2G 軟膏，分別適用于處理鉻含量不低于18%的高耐蝕性不銹鋼和處理鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～18%的不銹鋼及30CrMnSiA。

5 艦載飛機(jī)全面腐蝕控制研究重點(diǎn)發(fā)展方向及建議

應(yīng)建立完善的頂層管理制度，成立腐蝕防護(hù)與控制辦公室或腐蝕防護(hù)聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，確立責(zé)任制，完善機(jī)制管理、制定控制文件，建立飛機(jī)腐蝕控制管理體系、完善的飛機(jī)腐蝕控制文件體系以及飛機(jī)腐蝕控制人員培訓(xùn)系統(tǒng)。由設(shè)計(jì)所、應(yīng)用研究單位、生產(chǎn)廠以及使用單位相關(guān)人員共同組成，隨型號(hào)進(jìn)度解決腐蝕防護(hù)難點(diǎn)問(wèn)題，為機(jī)關(guān)和腐蝕控制決策提供技術(shù)支持。

在論證、設(shè)計(jì)、選材、制造和維護(hù)的全壽命周期內(nèi)貫徹和體現(xiàn)腐蝕預(yù)防與控制理念，多學(xué)科交叉，需要設(shè)計(jì)、密封技術(shù)、防護(hù)技術(shù)、涂層技術(shù)、維護(hù)技術(shù)等專(zhuān)業(yè)協(xié)同作用。應(yīng)重視使用過(guò)程中的腐蝕控制，加強(qiáng)維護(hù)/維修技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，如定期清洗飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)、及時(shí)清除表面的鹽分和油污等。發(fā)展和應(yīng)用快速的維護(hù)/維修技術(shù)，以控制腐蝕的發(fā)生和發(fā)展，及時(shí)進(jìn)行修理，減少維修成本比，避免重大安全事故的發(fā)生，保障戰(zhàn)斗力和使用壽命。

未來(lái)我國(guó)航空材料的腐蝕與防護(hù)應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持全壽命周期、體系化的發(fā)展思路，系統(tǒng)規(guī)劃飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕與防護(hù)技術(shù)體系。未來(lái)發(fā)展的技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)包括長(zhǎng)壽命涂層、環(huán)保表面處理工藝、海洋環(huán)境先進(jìn)防護(hù)技術(shù)、腐蝕損傷原位監(jiān)檢測(cè)及自修復(fù)/外場(chǎng)快速修復(fù)技術(shù)、環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)等方面。

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