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飛機(jī)腐蝕與防護(hù)技術(shù)淺析

2019-01-25 12:40:29 作者：李善勛來源：希德防務(wù) 分享至：

軍用飛機(jī)是空軍、海軍航空兵、陸軍航空兵的主要武器裝備，是我軍戰(zhàn)斗力的重要組成部分，具有極其重要的軍事地位。飛機(jī)在地面停放時(shí)由于不斷地受到溫度、濕熱、鹽霧、酸雨以及大氣中的S02、H2S等環(huán)境因素的作用，防護(hù)涂層會(huì)發(fā)生粉化、龜裂、起泡、剝落等現(xiàn)象導(dǎo)致防腐功能失效，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)腐蝕，造成結(jié)構(gòu)材料疲勞壽命大幅度下降。在飛行過程中，腐蝕環(huán)境和載荷的共同作用構(gòu)成的腐蝕疲勞則會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，使結(jié)構(gòu)的疲勞壽命顯著下降。

隨著服役日歷時(shí)間增加和近年來我國環(huán)境污染的惡化，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷發(fā)展速度呈現(xiàn)出明顯加快的趨勢(shì)，目前我國有些飛機(jī)己出現(xiàn)大面積腐蝕，局部結(jié)構(gòu)腐蝕損傷也十分嚴(yán)重。

艦載飛機(jī)極易發(fā)生嚴(yán)重腐蝕問題，國外經(jīng)驗(yàn)證明，要解決陸基飛行器向海上飛行器改型的問題，必須先攻克腐蝕防護(hù)難題。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，美國1994年至2004年的十年間，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。

圖1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕照片

飛機(jī)腐蝕的主要特點(diǎn)及重要性

飛機(jī)服役環(huán)境特點(diǎn)：

軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷主要取決于其服役環(huán)境因素（如溫度、濕度、降水、鹽霧及凝露、環(huán)境污染程度、日照時(shí)間、風(fēng)速等）以及飛機(jī)本身的抗腐蝕能力。與美國、俄羅斯等發(fā)達(dá)國家相比，我軍飛機(jī)的服役環(huán)境更加嚴(yán)酷，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕速率更快，特別是沿海和內(nèi)陸濕熱地區(qū)（如重慶等）服役環(huán)境更加嚴(yán)酷。總的來說，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕在沿海地區(qū)比內(nèi)陸地區(qū)嚴(yán)重，南方地區(qū)比北方地區(qū)嚴(yán)重。而在內(nèi)陸地區(qū)，濕熱地區(qū)比溫和干冷地區(qū)嚴(yán)重。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕：

影響軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的主要因素是：飛機(jī)結(jié)構(gòu)本身的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、維護(hù)維修和服役環(huán)境等。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件發(fā)生腐蝕主要取決于材料的成分和組織、構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式和受力狀態(tài)等。現(xiàn)役飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主體材料中易發(fā)生腐蝕的主要是鋁合金、鎂合金和高強(qiáng)度鋼，其中以鋁合金最為普遍和嚴(yán)重，特別是對(duì)晶間腐蝕敏感的LYl2CZ和LC4CS。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件腐蝕也和所處的服役環(huán)境密切相關(guān)，受環(huán)境的影響較大，腐蝕類型比較廣泛，眾多的影響因素也會(huì)產(chǎn)生耦合作用。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕環(huán)境一般是潮濕的環(huán)境，主要產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，包括液膜下的電化學(xué)腐蝕和局部浸沒在電介質(zhì)溶液中的電化學(xué)腐蝕。

腐蝕的部位：

主要集中在外場(chǎng)無法檢查，平時(shí)無法采取措施的機(jī)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部、機(jī)身蒙皮鉚接處、機(jī)翼、尾翼、起落架，以及可檢性較差的承力件、框架、機(jī)身密封艙等容易積水的部位。

腐蝕材料：

現(xiàn)役飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主體材料主要有LYl2CZ、LC4CS、30CrMnSiA、鎂合金等。調(diào)查表明，易發(fā)生腐蝕的材料主要是鋁合金、鎂合金和高強(qiáng)度鋼，其中以鋁合金最為普遍和嚴(yán)重，特別是對(duì)晶間腐蝕敏感的LYl2CZ和LC4CS。

腐蝕的外觀特征：

（1）鋁合金在飛機(jī)上大多用作承力構(gòu)件的型材及蒙皮。蒙皮的腐蝕一般是漆層大面積脫落、鼓包、產(chǎn)生點(diǎn)蝕。腐蝕嚴(yán)重部位集中于緊固孔周圍、接縫部位以及連接的結(jié)合面、蒙皮內(nèi)表面與緣條、長(zhǎng)桁、隔框接觸的部位等。通常機(jī)身、機(jī)翼和尾翼的下表面蒙皮比上表面蒙皮腐蝕嚴(yán)重。用作承力構(gòu)件的鋁合金型材，腐蝕損傷后緣條鼓起，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)層狀剝離，腐蝕產(chǎn)物是灰暗或灰白色的磷片狀產(chǎn)物。

（2）在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中使用較多的合金鋼材料是30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、40CrNiMoA等。鋼件腐蝕后輕者出現(xiàn)紅褐色銹層，重者出現(xiàn)蝕坑、疲勞裂紋等。一般來說，合金鋼的強(qiáng)度越高，耐蝕能力越差，對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性就越大。

腐蝕類型：

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中使用鎂或鈦合金材料。鈦合金的電極電位較高，一般不易發(fā)生腐蝕。鎂合金材料電極電位較低，在海洋環(huán)境條件下容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。從軍用飛機(jī)服役期間金屬材料所發(fā)生的腐蝕情況來看，可以劃分為如下典型的腐蝕類型：均勻腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕、孔蝕（點(diǎn)蝕或坑蝕）、晶間腐蝕（嚴(yán)重時(shí)表現(xiàn)為剝蝕）、腐蝕疲勞和氫損傷，另外還有磨損腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、絲狀腐蝕和微生物腐蝕等。

腐蝕的嚴(yán)重性：

（1）直接影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性；

（2）導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)加速腐蝕破壞；

（3）非金屬件老化及油液污染變質(zhì)；

（4）增加維護(hù)、維修工作的費(fèi)用和工作量；

（5）危及飛行安全；

（6）大大縮短飛機(jī)的使用壽命，影響飛機(jī)使用性能。

飛機(jī)腐蝕防護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

密封：選用高可靠性的密封劑和緩蝕劑避免雨水或清洗水從縫隙、溝槽、搭接部位流入或滲入機(jī)內(nèi)；通風(fēng)：設(shè)計(jì)通風(fēng)口蓋、通氣孔防止潮氣滯留機(jī)內(nèi)，侵蝕結(jié)構(gòu)和設(shè)備；排水：設(shè)計(jì)排水孔，使污水、積水盡快排除；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；折疊機(jī)翼：機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于折翻，轉(zhuǎn)角均圓滑過渡，合理選擇鍛件分模面，主應(yīng)力、流線方向和分模面匹配，提高鍛件的抗應(yīng)力腐蝕能力和承載能力。

選用綜合性能優(yōu)良的耐蝕材料：

全面綜合（強(qiáng)度、斷裂韌性、耐腐蝕性、輕量化、經(jīng)濟(jì)性等）在滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的前提下，盡可能選用耐蝕材料：

◆ 從設(shè)計(jì)、選材等即把腐蝕控制技術(shù)納入飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)；

◆ 建立分級(jí)的腐蝕性能評(píng)估方法供設(shè)計(jì)選材使用；

◆ 重要結(jié)構(gòu)材料都有比較全面的腐蝕性能數(shù)據(jù)；

◆ 較完備的高強(qiáng)度材料應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力強(qiáng)度門檻值。

圖2 國外先進(jìn)艦載直升機(jī)大量采用“三防”措施

采用新型先進(jìn)表面處理技術(shù)：

航空金屬制件表面采用鍍層、覆蓋層或沉積層，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。

飛機(jī)表面防護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向：

◆ 提高材料綜合防護(hù)性能及環(huán)保需求；

◆ 微弧氧化技術(shù)應(yīng)用；

◆ 冷噴涂技術(shù)的應(yīng)用；

◆ 離子鍍鋁替代鋼零件及緊固件鍍鎘；

◆ 高強(qiáng)度鋼、鈦合金高速火焰噴涂代鍍鉻技術(shù)；

◆ 鋁合金替代六價(jià)鉻的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜工藝；

◆ 替代鉻酸陽極化的陽極氧化工藝等；

◆ 無機(jī)鹽鋁涂層的應(yīng)用。

圖3 新型表面處理技術(shù)

采用新型防護(hù)涂層體系：

飛機(jī)蒙皮涂層體系多數(shù)為雙層防護(hù)體系

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：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。

歐洲、美國：向環(huán)保型、柔韌型、多功能體系等方向發(fā)展：

◆ 高性能水基環(huán)氧底漆；

◆ 聚氨酯彈性底漆；

◆ 無毒緩蝕底漆；

◆ 自底漆面漆；

◆ 抗雨蝕涂層。

脫水防銹劑的應(yīng)用：

脫水防銹劑有較強(qiáng)的滲透性，可以進(jìn)入極小的縫隙和孔內(nèi)，溶劑揮發(fā)后將結(jié)構(gòu)表面的水分和鹽份置換出來，并覆蓋一層具有防腐蝕作用的膜層。

海軍飛機(jī)的腐蝕是從結(jié)構(gòu)連接處開始的，裝配后，將脫水防銹劑噴灑在易于凝露的區(qū)域，尤其是結(jié)構(gòu)連接處，形成防腐蝕膜層。1997年部署在波斯灣某航母上的7架ES-3A型反潛機(jī)，2000年在大西洋艦隊(duì)、太平洋艦隊(duì)的幾十架S-3B型反潛機(jī)采用ACF-50脫水防銹劑，飛機(jī)腐蝕率大大降低。

先進(jìn)的腐蝕維護(hù)與修理技術(shù)：

針對(duì)飛行和停放過程中易沉積腐蝕性介質(zhì)，加速腐蝕過程，發(fā)展清洗、緩蝕、去濕、腐蝕修復(fù)等控制腐蝕發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用飛機(jī)專用清洗劑、脫水防銹劑、去濕防腐劑等。

圖4 腐蝕維護(hù)與修理

維護(hù)中采用多種腐蝕修復(fù)技術(shù)：

◆ 鋁合金阿洛丁（Aloding）化學(xué)氧化；

◆ 鎂合金鉻酸鹽化學(xué)氧化；

◆ 碳鋼表面磷化等。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕修復(fù)技術(shù)主要發(fā)展方向：

◆ 高速火焰噴涂（HVOF）代鉻技術(shù)；

◆ 電刷鍍技術(shù)和電刷陽極化技術(shù)可對(duì)零件的損傷鍍層進(jìn)行原位修理；

◆ 低氫脆刷鍍鎘用于飛機(jī)起落架鍍鎘零部件修理。

美海軍：

◆ 電刷鍍鋅-鎳和鋅-鈷技術(shù)；

◆ 電刷硫酸陽極化、鉻酸陽極化、硼酸-硫酸陽極化等。

俄羅斯航空材料研究院：

◆ 腐蝕膏技術(shù)；

◆ 冷鍍鋅涂層的應(yīng)用。

飛機(jī)材料、防護(hù)體系及構(gòu)件腐蝕監(jiān)檢測(cè)、環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)及日歷壽命評(píng)定：

美軍標(biāo)MIL-STD-810F規(guī)定了環(huán)境試驗(yàn)的通用要求及20多個(gè)試驗(yàn)方法，使試驗(yàn)質(zhì)量和可靠性得到極大提高。

多因子循環(huán)復(fù)合腐蝕試驗(yàn)機(jī)等質(zhì)量更高、用途更廣的試驗(yàn)設(shè)備，使環(huán)境試驗(yàn)從對(duì)現(xiàn)象的模擬向?qū)Ρ举|(zhì)規(guī)律的模擬發(fā)展。

飛機(jī)腐蝕損傷及腐蝕環(huán)境的原位監(jiān)測(cè)技術(shù)將以往的“發(fā)現(xiàn)腐蝕-進(jìn)行修復(fù)”的模式轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;預(yù)測(cè)腐蝕-進(jìn)行管理”的模式，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果決定飛機(jī)維護(hù)和管理策略。

針對(duì)典型腐蝕環(huán)境，借鑒國內(nèi)外全壽命期飛機(jī)腐蝕預(yù)防與控制的先進(jìn)理論和方法，開展腐蝕與防護(hù)綜合技術(shù)體系研究：

◆ 從設(shè)計(jì)入手改進(jìn)腐蝕控制設(shè)計(jì)；

◆ 研究和選用耐腐蝕性能更好的材料和表面防護(hù)體系；

◆ 采用先進(jìn)的腐蝕維護(hù)修理新材料和新工藝；

◆ 全方位開展材料環(huán)境失效性能測(cè)定與評(píng)價(jià)；

◆ 提出切實(shí)可行的腐蝕控制和防護(hù)措施。

典型表面防護(hù)技術(shù)

表面處理技術(shù)：

★ 鋁合金硼酸-硫酸陽極化；

★ 鋁、鎂、鈦合金微弧氧化技術(shù)；

★ 高強(qiáng)度鋼、鈦合金結(jié)構(gòu)件與緊固件離子鍍鋁技術(shù)；

★ 高強(qiáng)度鋼、鈦合金高速火焰噴涂代鍍鉻技術(shù)；