劉建華 北京航空航天大學(xué)二級教授、長聘教授、博士生導(dǎo)師

 

    隨著人民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，飛機成為了人們旅游外出的重要交通工具。2018年春節(jié)期間（2月15日-21日），共運送旅客 1140 萬人次，民航運行安全平穩(wěn)。同時，飛機也作為重要的軍事力量成為了國防中不可或缺的一部分。第五代戰(zhàn)斗機F-22，F(xiàn)-35，T-50，殲 20 和殲 31 等，代表了各國頂尖的飛1用飛機，都希望在安全穩(wěn)定的運行前提下，服役時間更長，功能更加齊全，成本逐步降低。然而，腐蝕是一個自然現(xiàn)象，在飛機中的腐蝕也是不可避免的一個問題。航空界因腐蝕問題造成的飛行事故頻頻發(fā)生，不僅直接影響飛行安全，還給航空機務(wù)工程工作帶來了沉重的負(fù)擔(dān)，并造成維修費用的提高和飛機壽命的降低。隨著人們的不斷重視，對如何保證飛機運行安全研究的不斷深入，針對于飛機行業(yè)的腐蝕與防護(hù)問題也逐步系統(tǒng)和完善。現(xiàn)在從以下幾個方面做簡單的介紹。

    一、飛機行業(yè)的發(fā)展歷程

 

    1. 飛機的發(fā)展

 

    1903 年萊特兄弟制造的第一架飛機“飛行者 1 號”在美國北卡萊納州試飛成功，完成了人類想要翱翔天空的夢想。從此，飛機成為了現(xiàn)代文明不可缺少的交通工具。1910 年出現(xiàn)了最早的噴氣式發(fā)動機。而在 1942 年德國澳海因成功的制造出第一架噴氣式飛機（如圖 2 所示），并在二戰(zhàn)中噴氣式飛機大顯身手。在 1947 年，由美國貝爾公司成功試飛沖破音障的飛機。而如今，科技發(fā)展了半個多世紀(jì)，飛機的種類，數(shù)量，功能都有了翻天覆地的變化。如圖 3 所示，追求高速，高靈活度的戰(zhàn)斗機；追求安全，穩(wěn)定的大型客機；追求更大運輸能力的運輸機等。不同類型的飛機出現(xiàn)體現(xiàn)了科技的進(jìn)步和完善，代表了我們不斷追求卓越的毅力。

圖1 萊特兄弟

 

圖2 第一架噴氣式飛機

 

    2. 飛機行業(yè)腐蝕研究發(fā)展

 

    在追求性能優(yōu)異的飛機同時，飛機由于腐蝕帶來的嚴(yán)重人員財產(chǎn)損失引起了各方廣泛的關(guān)注。目前，飛機的服役期一般都要在 20 年以上。從飛機的整體情況來看，飛機結(jié)構(gòu)腐蝕比機械疲勞問題更為嚴(yán)重。在航空史上，因腐蝕問題造成的飛行事故屢屢發(fā)生，如 1985年 8 月 12 日，日本一架 X747 客機因應(yīng)力腐蝕斷裂而墜毀，死亡達(dá) 500 余人。英國彗星式客機和美國 FII 娥斗機墜毀事件，是國際上著名的應(yīng)力腐蝕典型事故。在各方的共同努力下，不斷完善對飛機行業(yè)腐蝕的研究，預(yù)防和維護(hù)，提高飛機的安全性，穩(wěn)定性。

 

    腐蝕對飛機結(jié)構(gòu)的危害極大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。第一，腐蝕使結(jié)構(gòu)承力截面減小、使結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部位從非臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕R界狀態(tài)，從而改變了應(yīng)力應(yīng)變的分布情況，引起應(yīng)力集中，增加飛機飛行安全隱患，甚至導(dǎo)致飛機出現(xiàn)重大事故，例如，2002 年美國一架 F15 戰(zhàn)斗機由于尾翼結(jié)構(gòu)腐蝕斷裂在空中解體。在民航方面，1981 年 8 月臺灣一架波音 747 客機因機身下部結(jié)構(gòu)腐蝕、蒙皮變薄，產(chǎn)生孔洞和裂紋導(dǎo)致空中解體，造成 150 多人遇難。我國一批杜 -4 飛機因結(jié)構(gòu)嚴(yán)重腐蝕，因而提前1000 多飛行小時退役。2002 年臺灣有一架波音 747 客機因機體結(jié)構(gòu)腐蝕在福建海域墜毀，造成 250 多人遇難。第二，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)修理工作難度大大增加，其修理費用將大幅度增加。例如 1983 年美國 EA-6B“徘徊者”艦載電子戰(zhàn)飛機每飛行小時只需要 1 個工時，而到 1997年由于飛機腐蝕越來越嚴(yán)重，每飛行小時需要腐蝕維修達(dá)到 8.7 個工時。第三，腐蝕導(dǎo)致主要承力構(gòu)件提前生成裂紋，顯著減少了零件的使用壽命。第四，腐蝕加速裂紋擴展，降低了材料的斷裂韌性，減小了裂紋斷裂的臨界尺寸，使裂紋擴展壽命大大減小，嚴(yán)重影響飛機的正常使用、維護(hù)。

    飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕是世界航空界共同面臨的重大問題，環(huán)境對飛機結(jié)構(gòu)的影響受到發(fā)達(dá)國家的高度重視，從 60 年代開始，美國三軍就率先開展了對沿海和海上軍用飛機的腐蝕問題的調(diào)查，聯(lián)合國內(nèi)幾所大學(xué)和研究機構(gòu)立項研究如何解決腐蝕和確定在腐蝕環(huán)境下飛機的服役期問題，建立了專用的實驗室和測試方法。北大西洋組織、瑞典宇航院（FFA） 等國家和機構(gòu)都投入了大量資金和人力進(jìn)行腐蝕防護(hù)及腐蝕疲勞機理研究，取得了大量的研究成果，并成功地應(yīng)用于軍用飛機的腐蝕控制。20 世紀(jì)70 年代后，北大西洋公約組織對飛機的腐蝕及腐蝕疲勞問題開展了較大規(guī)模的 CFCTP（corrosion fatigue cooperativetesting programme） 和 FACT（fatigue inaircraft corrosion testing）的試驗研究。20 世紀(jì)八十年代后期，服役條件下的腐蝕環(huán)境對飛機結(jié)構(gòu)壽命的影響受到西方發(fā)達(dá)國家的高度重視。美國軍標(biāo)中明確要求 : 設(shè)計制造商在飛機的設(shè)計制造過程中要考慮濕熱、化學(xué)和氣候?qū)︼w機結(jié)構(gòu)的耐久性、損傷容限與試驗驗證的影響。先后制定了與腐蝕相關(guān)的一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如：MIL-A-008866B，MIL-A-87221，MIL-A-8860B（AS），MIL-F-7179，MIL-STD-1568，MIL-HDBK-5，MIL-IIDBK-729，MIL-STD-810E 等。

    由于美軍飛機從設(shè)計開始就考慮了服役環(huán)境的影響，因此其防腐設(shè)計及腐蝕控制技術(shù)較高。另外，澳大利亞的海軍部門，也開展了類似的調(diào)查和研究工作。美國洛克希德公司用于腐蝕與防護(hù)方面的研究費用每年大約為數(shù)百萬美元，二十世紀(jì)八十年代該公司佐治亞分公司對 F-18 飛機結(jié)構(gòu)涂層防護(hù)體系的使用年限問題進(jìn)行了大量試驗研究，在研究中針對美國亞熱帶沿海區(qū)域環(huán)境對涂層的作用，提出了用溫濕、紫外照射、熱沖擊、低溫疲勞和鹽霧五個環(huán)境塊順序施加的加速試驗方法。美國空軍也十分重視腐蝕在飛機上的應(yīng)用研究，每年投入防腐研究的經(jīng)費高達(dá) 30 億美元。美英等國在八十年代末針對老齡飛機的延壽，開展了大量的加速模擬腐蝕試驗研究，并均取得了有益的成果。北大西洋公約組織（NATO）、美國空軍和海軍、瑞典宇航院、澳大利亞國防科技部和加拿大國防部等相關(guān)研究機構(gòu)，已對飛機鋁合金的腐蝕及腐蝕疲勞開展了較大規(guī)模的研究，要求從飛機設(shè)計開始，就把腐蝕環(huán)境及腐蝕對結(jié)構(gòu)完整性和損傷容限的影響考慮進(jìn)去，頒布了 J SSU-2006《飛機結(jié)構(gòu)聯(lián)合使用指南》和 MIL-STD-15300《飛機結(jié)構(gòu)完整性大綱》，從飛機設(shè)計、使用和維修的角度，要求做到從“生”到“死”的全程控制。最近，F(xiàn)-35 開發(fā)團(tuán)隊選擇了 BAe 系統(tǒng)公司 （ 英國航空航天公司和馬可尼電子系統(tǒng)公司合并 ） 開發(fā)的新型 sentinel（ 在線 ） 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，用于飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)控，而我國同步在飛機腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)方而的研究尚不多見。

    國內(nèi)在 70 年代中期就開展了有關(guān)材料損傷容限分析及一些與環(huán)境相關(guān)的腐蝕與防護(hù)研究工作，但這些研究工作無論從深度還是實際應(yīng)用的可能性都有一定的差距。真正系統(tǒng)的研究是進(jìn)入 80年代以來，在我國海軍飛機發(fā)現(xiàn)大量的腐蝕問題以后才開展起來的，多數(shù)集中在對海軍飛機海洋大氣環(huán)境下材料的失效或腐蝕因素的分析，腐蝕疲勞及應(yīng)力腐蝕開裂，常規(guī)涂層的防護(hù)等方面。原航空工業(yè)總公司專門設(shè)立《AFFD》系統(tǒng)工程，從 1988 年起開展了飛機結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞損傷設(shè)計技術(shù)研究，并組織出版了有關(guān)飛機結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞方面的專著。二十世紀(jì)九十年代以來，由于飛機結(jié)構(gòu)腐蝕問題日益突出，有關(guān)研究受到重視，并逐漸成為我國航空界的重要研究方向。研究人員從我國飛機腐蝕問題嚴(yán)重性和探討解決問題途徑出發(fā)，結(jié)合基礎(chǔ)腐蝕理論，通過對國外有關(guān)研究成果的消化和發(fā)展，在九十年代初，我國多家研究院所單位編寫了有關(guān)飛機結(jié)構(gòu)腐蝕與腐蝕疲勞的著作。特別是從“九五”開始，在飛機結(jié)構(gòu)抗腐蝕設(shè)計、環(huán)境譜與載荷 / 環(huán)境譜編制、腐蝕條件下使用壽命與日歷壽命、加速腐蝕試驗技術(shù)等多方面的研究廣泛開展，并力圖結(jié)合飛機設(shè)計加以初步應(yīng)用，在這一研究過程中不斷取得了許多可喜的成果。

    我國的飛機腐蝕與防護(hù)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了很大的成就，但在新產(chǎn)品、新工藝技術(shù)、產(chǎn)品性能等方面與國外先進(jìn)水平相比還存在一定的差距。如橡膠、樹脂基復(fù)合材料等表面耐磨防護(hù)需求迫切；艦載機的發(fā)展及我國海洋大國戰(zhàn)略定位，對先進(jìn)高性能綠色環(huán)保表面處理技術(shù)需求日益迫切；國內(nèi)部分單項技術(shù)較為先進(jìn)，但缺乏覆蓋全壽命周期的整體防護(hù)技術(shù)體系。同時，當(dāng)前表面處理技術(shù)對環(huán)境和人體的危害仍然較大，不符合未來綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢。目前我國武器裝備上的耐蝕防護(hù)技術(shù)主要依靠鍍鎘、陽極化等，耐磨技術(shù)主要是鍍鉻和部分 HVOF，化學(xué)氧化基本都含 Cr 6+ 。

    3. 飛機腐蝕防護(hù)研究的重要意義

 

    除上述提及的飛機失事的案例外，腐蝕導(dǎo)致的飛機失事仍有許多。環(huán)境腐蝕已經(jīng)對飛機安全使用及軍機的戰(zhàn)斗力發(fā)揮構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。腐蝕損傷會嚴(yán)重降低飛機結(jié)構(gòu)的剩余強度和壽命，甚至產(chǎn)生無預(yù)兆的突然斷裂，嚴(yán)重威脅著飛機及機組人員的安全。很多突發(fā)的安全事故都是由于前期的維護(hù)保養(yǎng)工作的疏忽釀成的。根據(jù)統(tǒng)計，每年因為腐蝕造成的事故占飛機全部損傷事故的 20%左右，尤其是老齡飛機。2000 年 5 月27 日，中國臺灣華航的一架波音 747 飛機由于金屬腐蝕疲勞造成尾翼裂紋，飛機墜入臺灣海峽，225 人喪生；2008 年8 月一 9 月短短一個月時間內(nèi)，分別在吉爾吉斯斯坦、西班牙和俄羅斯等地發(fā)生了三起老齡飛機安全事故，共造成約 300 多人遇難；2009 年全年，老齡飛機重大安全事故出現(xiàn)更為頻繁。據(jù)荷蘭NLR 航空運輸安全研究所統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，09 年全球空難總?cè)藬?shù)達(dá) 700 多人，比2008年多出200多人。2010年4月10日，搭載波蘭總統(tǒng)的專機在境外墜毀 （ 已有26 年機齡 ），機上人員全部遇難。2011年 1 月 9 日，伊郎航空公司一架載有105 名乘客和機組人員的波音 727 客機在伊郎西北部城市烏魯米耶附近墜毀，造成 77 人死亡，墜機原因是飛機年久失修。2012 年 4 月 20 日，巴基斯坦一架服役超過 30 年的波音 737 型飛機在巴首都伊斯蘭堡附近墜毀，機上共載有127 人，全部遇難。這些血淋淋的教訓(xùn)告訴我們飛機的腐蝕防護(hù)，特別是一些老齡飛機，需要我們投入更多的精力和時間。

    另外，飛機防腐技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重大意義。采用腐蝕與防護(hù)技術(shù)可以有效控制材料失效，達(dá)到延長材料使用壽命，減少材料提前失效所引發(fā)的事故，提高材料使用的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性，有力地節(jié)約資源、節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、支持國家可持續(xù)發(fā)展。

    美國民用飛機的設(shè)計日歷壽命為20 年，起落次數(shù)為 2 萬次，飛行時間是 6 萬小時。美國軍用飛機原設(shè)計壽命為 20 ～ 30 年，但是美國空軍一再延長多種機型的日歷壽命，例如 B-52H 戰(zhàn)略轟炸機的設(shè)計日歷壽命為 25 年，目前已分階段延長至 49 年，并計劃將總?cè)諝v壽命延壽至 60 年，延壽的核心是依靠優(yōu)質(zhì)的涂層體系、腐蝕修理、防腐改進(jìn)等。由于資源緊缺，一架大型軍機的造價很昂貴。因此，對有使用潛力的老舊飛機延壽，是節(jié)省裝備建設(shè)費的重要途徑，美國這樣富裕的國家也不例外。2008 年 10 月和 12 月俄羅斯接連發(fā)生兩起米格 -29 飛機墜毀事故后，俄空軍對在役的近 300 架米格 -29 飛機進(jìn)行全面檢查發(fā)現(xiàn)，大約有 80% 的飛機尾翼存在嚴(yán)重腐蝕，對飛機的飛行安全構(gòu)成巨大隱患。對整個機群進(jìn)行全面的安全檢查評估，結(jié)果約有 90 架飛機需要淘汰，而其中一些飛機飛行時間還不足 150 飛行小時。造成重大的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失。可見，腐蝕和老化問題是導(dǎo)致這些飛機退役的直接原因。

    還有，通過飛機腐蝕防護(hù)技術(shù)不斷更新和發(fā)展，對飛機在不同的服役環(huán)境下的腐蝕情況，防護(hù)工藝等都積累了大量的數(shù)據(jù)，對于不同材料的腐蝕機理有了更加深入的認(rèn)識和了解，對新材料研發(fā)，制備，新工藝探索都有十分重要的促進(jìn)作用。

    就飛機使用材料而言，發(fā)生了很大的變化。由最初的鋼鐵材料轉(zhuǎn)變?yōu)殇X合金、鈦合金等輕金屬材料，現(xiàn)在復(fù)合材料也在大量使用，在滿足強度硬度的前提下獲得更輕便的飛機。表 1 所示為美國軍用飛機各種材料用量占基體結(jié)構(gòu)總量的百分比。圖4為波音787飛機（2011年投入服務(wù)）中各種材料所占比重。可以看出復(fù)合材料的使用越來越高。而對飛機的防護(hù)措施也有了極大的豐富和發(fā)展，各種涂鍍工藝，各種緩蝕劑的添加，各種表面處理工藝等，用以滿足飛機設(shè)計、制造和使用要求。開展對鋁 - 鋰合金、鈦合金等新材料的表面處理技術(shù)研究，開展銀 - 銻合金、錫 - 鉍合金電鍍等工藝研究，開展納米鍍、復(fù)合電刷鍍、飛機清洗、緩蝕劑、去濕防腐、脫漆、高速火焰噴涂、復(fù)合材料修補、電刷鍍、電刷陽極化、腐蝕膏等技術(shù)研究。

    二、飛機行業(yè)腐蝕簡介

 

    1. 飛機行業(yè)的腐蝕

 

 

圖4 波音787飛機各種材料所占比重

 

    從腐蝕外部原因來看，潮濕的空氣，海洋大氣腐蝕，工業(yè)大氣腐蝕和飛機內(nèi)部腐蝕等。一般來講，潮濕空氣和地理環(huán)境具有十分密切的聯(lián)系。飛機飛行地理環(huán)境非常復(fù)雜，并且受到季風(fēng)影響明顯。因此各地飛機的腐蝕問題也明顯不同，東南、西南地區(qū)降水量及濕度比較大，腐蝕問題也更加嚴(yán)重。海洋大氣的主要特點是含鹽量高以及濕度相對較高。海水中含有大量氯離子，對飛機具有很強的腐蝕作用，氯離子通過海洋大氣接觸飛機，從而引起飛機腐蝕。工業(yè)大氣中含有腐蝕性氣體，例如二氧化硫，氮氧化合物等，對金屬具有強腐蝕性作用。飛機的內(nèi)部由于乘客的存在濕度較大，促使飛機結(jié)構(gòu)件腐蝕。

    從飛機設(shè)計和制造來看，不同金屬的零部件相接觸，造成不同金屬之間的電位差和導(dǎo)電通路，各個部件組裝在一起時，縫隙會存水和臟物形成電解質(zhì)，會造成電化學(xué)腐蝕；有些結(jié)構(gòu)由于受力的需要又處于高應(yīng)力狀態(tài)形成應(yīng)力腐蝕的根源；在飛機制造過程中，由于生產(chǎn)工藝不當(dāng)，保護(hù)性涂層做得不好，缺乏腐蝕控制措施等等原因，都可能帶來腐蝕的隱患；在飛機使用過程中，飛行環(huán)境的惡劣，飛機表面涂層損壞，運輸易產(chǎn)生強電解液體的貨物都會使機結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕問題；不恰當(dāng)?shù)娘w機維修和勤務(wù)，也會使飛機面臨更多的腐蝕問題。

    而就腐蝕類型上來說，主要發(fā)生的有點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等。下面對飛機上常見的幾種腐蝕類型做簡單的介紹。點蝕：在飛機許多部位易產(chǎn)生點蝕，比如，蒙皮、貨倉、起落架等，由于表面電化學(xué)不均勻性，在表面微觀缺陷、雜質(zhì)、陽極性晶界處以及膜層的弱化處等等。縫隙腐蝕：發(fā)生在相似金屬交接的地方，如果有水分進(jìn)入，縫隙口的含氧量和縫隙內(nèi)的含氧量不同，形成電位差，含氧量高的縫隙口處金屬被腐蝕。一般出現(xiàn)在登機門門檻和貨艙門檻處。晶間腐蝕：晶間腐蝕在飛機鋁合金、不銹鋼結(jié)構(gòu)件常常發(fā)生，晶間腐蝕的原動力是晶間的第二相析出物的電極電位不同，造成晶間與相鄰晶粒或附近貧化區(qū)的電位差別，從而破壞了晶間與相鄰晶粒的結(jié)合力。應(yīng)力腐蝕：是材料在化學(xué)侵蝕環(huán)境下與機械性拉伸應(yīng)力同時作用下的結(jié)果。一般的腐蝕是以材料被剝蝕的型態(tài)出現(xiàn)，而應(yīng)力腐蝕則以裂紋的型態(tài)出現(xiàn)，且表面幾乎沒有任何腐蝕物堆積的現(xiàn)象，因此很容易被忽略，形成潛伏的危險因素。造成應(yīng)力腐蝕的四個基本條件是：敏感性合金、侵蝕環(huán)境、施加或殘余拉伸應(yīng)力、以及時間。一般出現(xiàn)在承受大載荷的飛機結(jié)構(gòu)部位，如地板龍骨梁上，桁條，機翼前后翼梁上，下桁條等處。摩擦腐蝕：兩個相連接結(jié)構(gòu)件，由于振動造成的相對運動使結(jié)構(gòu)件磨損，新的磨損表面暴露在環(huán)境中，摩擦所產(chǎn)生的微粒反過來又加速磨損和腐蝕。常見于承受高頻振動的地方，如起落架的輪軸和操縱系統(tǒng)活動面的連接軸上。異電位腐蝕：異電位腐蝕的現(xiàn)象可說是電鍍的逆過程。當(dāng)兩種或兩種以上不同的金屬材料搭接成電導(dǎo)通狀態(tài)時，因為彼此間的電位不同，材料間就會有電流通過，加上潮濕的環(huán)境有類似電解液的功用，其中某一材料會產(chǎn)生坑洞狀的腐蝕，并有硫化物、氯化物、氧化物的沉積。

    就不同的使用材料而言，其耐蝕能力和腐蝕情況也有所不同：

    （1） 鋁合金件在飛機上大多用作承力構(gòu)件的型材及蒙皮。蒙皮的腐蝕一般是漆層大面積脫落、鼓地、產(chǎn)生點蝕。腐蝕嚴(yán)重部位集中于緊固孔周圍、接縫部位及其他件連接的結(jié)合面、蒙皮內(nèi)表面與緣條、長析、隔框接觸的部位。通常機身、機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)重時出現(xiàn)層狀剝離外觀，腐蝕產(chǎn)物呈灰暗或灰白色的磷片狀產(chǎn)物。

    （2） 鋼 合 金 件 飛 機 結(jié) 構(gòu) 中 使 用較多的合金鋼件材料是 30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，40CrNiMoA 等以及一些鋼鍍件、緊固件。鋼件腐蝕后輕者出現(xiàn)紅褐色銹層，重者出現(xiàn)蝕坑、疲勞

 

 

    （3） 鎂、鈦合金件飛機結(jié)構(gòu)中使用鎂或鈦合金材料相對比較少。鈦合金件的電極電位較高 （ ≥ +0.1 V ），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，腐蝕后出現(xiàn)一塊塊白粉，擦掉則露出蝕坑。如飛機上常見的 ZM-5 合金框架，對應(yīng)力腐蝕的敏感性比較大。

 

    （4） 銅合金件在飛機上使用也較少，它具有較高的抗蝕性，但在某些特定條件下易產(chǎn)生“冷脆”、“季脆”、“氫脆”等缺陷。

 

    （5） 復(fù)合材料件復(fù)合材料作為新型材料，在飛機上的使用范圍正逐步擴大，從最初的次要受力構(gòu)件到現(xiàn)在的主要受力構(gòu)件。在使用環(huán)境及工作應(yīng)力聯(lián)合作用下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件會產(chǎn)生溶脹、溶解、化學(xué)裂解、滲透、開裂與老化等。

 

    這主要是在酸堿等介質(zhì)的浸蝕作用下引起的高分子化學(xué)鍵的破壞與裂解。

圖11  巴西戈爾航空一飛機飛行過程中左側(cè)引擎蒙皮脫落

 

    2. 飛機行業(yè)腐蝕調(diào)查情況

 

    近期通過對中國民航波音機隊腐蝕情況的調(diào)研，其中包括廈航，國航，東航和南航等 70 多架波音飛機。收集并篩選處所有腐蝕損傷條目，包括輕微腐蝕、1 級腐蝕和 2 級腐蝕。收集了主要構(gòu)件重大腐蝕損傷修復(fù)的詳細(xì)工作記錄，腐蝕損傷報廢件等。

    對腐蝕分布圖的簡要分析，可以得知腐蝕以機身下半球為主，龍骨梁 / 輪艙區(qū)域的腐蝕發(fā)生次數(shù)并不突出。如圖5 所示，腐蝕區(qū)域主要有客艙區(qū)域、客艙門區(qū)域、廚房、衛(wèi)生間結(jié)構(gòu)、前貨艙區(qū)域、前貨艙門區(qū)域、后貨艙區(qū)域、后貨艙門區(qū)域、龍骨梁 / 輪艙區(qū)域、蒙皮等部位。不同部位的腐蝕后的照片如圖6-10 所示。

    飛機蒙皮的作用是維持飛機外形，使之具有很好的空氣動力特性。蒙皮的主要保護(hù)形式有面漆 + 底漆 + 陽極氧化層，具有良好的保護(hù)效果，不易發(fā)生腐蝕，在飛行過程中，蒙皮承受空氣高速摩擦，加之蒙皮直接與外界接觸，服役時間達(dá)到一定時間成為了飛機中極易腐蝕而導(dǎo)致失效的部件。在蒙皮腐蝕過程中，表面油漆涂層的老化破壞，環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)滲透鋁合金表面的氧化膜層到達(dá)基體材料，然后基體材料出現(xiàn)點腐蝕坑，再進(jìn)一步發(fā)展為其它腐蝕。光照，溫度，濕度，腐蝕性粒子等的影響都會加速蒙皮腐蝕。

    飛機起落架也是一個主要的腐蝕發(fā)生的部位。腐蝕發(fā)生的主要原因是主起落架前耳軸周圍的工作環(huán)境臟亂，螺栓、墊片等零部件暴露在潮濕的空氣中，這些腐蝕介質(zhì)逐漸侵蝕和破壞了原有的基體保護(hù)層體系。次要原因是飛機起降頻繁，起落架在液壓系統(tǒng)的作動下往復(fù)運動，支撐接頭在液壓和氣動力的作用下產(chǎn)生微小的振動，振動造成該區(qū)域的零部件逐漸松動，一旦固定墊片的密封膠發(fā)生老化、松動或龜裂，潮氣和塵土將進(jìn)入結(jié)構(gòu)縫隙，形成了主起落架電化學(xué)腐蝕的外部環(huán)境。另外，裝配在一起的鋼質(zhì)墊片和鋁合金支撐接頭，如果墊片本體的鍍層由于裝配原因或電鍍工藝質(zhì)量發(fā)生了損壞，也容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞是起落架失效的主要原因。而起落架主要材料 300M 鋼（國內(nèi)）對這兩種腐蝕極為敏感。同時，起落架腐蝕修理不同于一般結(jié)構(gòu)件的腐蝕修理，這是因為接近困難、工作空間狹小、修理工藝復(fù)雜、修復(fù)周期長、操作不當(dāng)會產(chǎn)生難以彌補的嚴(yán)重后果。科學(xué)地理解其腐蝕原理，徹底去除腐蝕并加以有效防護(hù)，才能有效地降低維修成本。

    發(fā)動機是飛機的心臟，為飛機提供源源不斷的動力來源。發(fā)動機葉片的腐蝕主要有應(yīng)力腐蝕和熱腐蝕，嚴(yán)重影響發(fā)動機的性能，壽命，成本和安全。如圖 13 所示，為硫化腐蝕的渦輪葉片。硫化腐蝕是指金屬葉片在高溫環(huán)境下與含硫介質(zhì)（硫、硫化氫等）作用，生成硫化物而損壞的過程，其產(chǎn)生條件是高溫和含硫介質(zhì)。硫化腐蝕后葉片內(nèi)壁變薄，機械強度顯著下降，遇到大應(yīng)力作用時極易發(fā)生斷裂。其主要特點是影響范圍廣，擴展速度快，故障較為隱蔽，后果比較嚴(yán)重。在世界范圍內(nèi)，高壓渦輪二級轉(zhuǎn)子葉片化已導(dǎo)致 42 起葉片斷裂故障，其中造成 7 起空停事故。可見其危害性巨大。針對性的我們采用合理的工藝設(shè)計，材料選擇，以及后期的維護(hù)來保證發(fā)動機葉片的正常工作。

    油箱也是飛機中經(jīng)常發(fā)生腐蝕的地方。日本曾發(fā)生過微生物腐蝕整體油箱壁板導(dǎo)致油箱滲漏的事例。油箱中水為微生物的生長繁殖提供了條件，而燃油，密封膠，油箱填充物等提供營養(yǎng)，在合適的溫度，pH等條件下微生物大量繁殖，破壞了油箱防護(hù)涂層，導(dǎo)致了對油箱的腐蝕。對于油箱的防護(hù)，首先要做到控制燃油的質(zhì)量，保證水分不會超標(biāo)；定期的進(jìn)行微生物檢測，抑制其持續(xù)不斷的增長；盡可能的減少油箱中水分的存在；當(dāng)油箱中出現(xiàn)污染后應(yīng)做相關(guān)的清潔措施。

圖12 飛機起落架斷裂導(dǎo)致的飛機事故

 

    各種飛機的多數(shù)關(guān)鍵零部件都出現(xiàn)過腐蝕故障，重大腐蝕事故多由發(fā)動機零部件引發(fā)；各種腐蝕類型都出現(xiàn)過，尤以腐蝕與應(yīng)力協(xié)同作用發(fā)生的腐蝕類型（應(yīng)力腐蝕、氫脆、鎘脆、腐蝕疲勞）導(dǎo)致的故障危害最大；各種材料都發(fā)生過腐蝕，尤以高強度材料腐蝕及其與應(yīng)力協(xié)同作用發(fā)生的故障危害最大。腐蝕故障引發(fā)過一、二、三等重大事故，造成過重大損失。

圖13 渦輪葉片硫化腐蝕

 

    3. 腐蝕評價標(biāo)準(zhǔn)的簡單介紹

 

    一級腐蝕

 

    所謂一級腐蝕，是腐蝕屬于局部性的。腐蝕程度較為輕微，然而，根據(jù)實踐表明，主要是輕微腐蝕，以后會演變?yōu)榇竺娣e的腐蝕。因此，應(yīng)當(dāng)在發(fā)現(xiàn)輕微腐蝕后，采取相關(guān)措施清除腐蝕區(qū)域，保障飛機質(zhì)量。

    二級腐蝕

 

    二級腐蝕是腐蝕面積較大，屬于大面積腐蝕，采取一般手段修復(fù)或者清除損傷依舊超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的極限，應(yīng)當(dāng)采取相關(guān)措施補救，從而保障飛機的健康與安全。

    三級腐蝕

 

    三級腐蝕對于飛機飛行影響比較嚴(yán)重，是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件出的腐蝕。三級腐蝕是程度最高的腐蝕，直接影響飛機性能以及安全性。腐蝕面積大并且集中在關(guān)鍵部件位置。應(yīng)當(dāng)立即采取相關(guān)措施進(jìn)行補救。

    三、飛機中常用的檢測方式和防護(hù)手段

 

    通過上面介紹，飛機腐蝕的危害極大，造成了大量的人員財產(chǎn)損失，同時對于飛機的運營維護(hù)都提出了苛刻的要求。如何能夠提早的發(fā)現(xiàn)腐蝕痕跡并制定相應(yīng)有效便捷的防護(hù)措施，對于飛機的安全運行有至關(guān)重要的作用。在飛機發(fā)展了一個多世紀(jì)以來，總結(jié)并發(fā)展了眾多的檢測手段，建立了較為完善的飛機日常維護(hù)手冊，保證飛機能夠得到正常的檢修，完成每一次的航行。

    1. 檢測方法

 

    （1） 目視檢查

 

    目視檢查是發(fā)現(xiàn)腐蝕的一個主要方法，有時也可以借助一些工具來提高目1大鏡、內(nèi)孔探測鏡、內(nèi)窺鏡、柔性光纖內(nèi)孔探測鏡等。

    （2） 滲透劑檢查

 

    滲透劑檢查是一種快速有效的檢查方法，它可以發(fā)現(xiàn)開口在部件表面上，而普通目視檢查不易察覺的裂紋。滲透劑可以增強裂紋與其背景的對比。

    （3） 敲擊檢查

 

    敲擊檢查是利用一種帶球頭的小圓棒敲擊部件表面的手工操作方法，并根據(jù)耳中聽到的聲音，來判斷錘頭下面部件厚度截面上的狀態(tài)。因腐蝕和剝離造成的分層會改變材料的內(nèi)聚力和強度，從而改變共鳴的頻率。

    （4） 超聲波檢查

 

    超聲波檢查適用于大面積連續(xù)的腐蝕損傷，它對于可接近的連續(xù)厚度上的腐蝕，非常敏感。超聲波檢查常用于發(fā)現(xiàn)剝離腐蝕，應(yīng)力腐蝕裂紋和材料的磨損。

    （5）X 射線檢查

 

    X 射線線照相術(shù)便于檢查復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并可得到整個結(jié)構(gòu)的俯視圖像，還可以用來檢查管狀鋼筒（柱），如扭力管的點狀腐蝕。

    （6） 渦流檢查

 

    渦流檢查（主要指低頻 ） 用于檢查多層結(jié)構(gòu)中，由于腐蝕和裂紋引起的厚度變化。渦流檢測儀通過波幅和相位的變化，來區(qū)別分層翹起和裂紋。低頻渦流檢測技術(shù)非常適用于鋁蒙皮與欽加強板之間的隙間或電化學(xué)腐蝕的檢查，而高頻渦流多用于檢查應(yīng)力腐蝕裂紋。

    （7） 聲波放射檢查 

 

    聲波放射檢查可以探測到結(jié)構(gòu)被加熱催化時，腐蝕過程產(chǎn)生氫氣的噪音。這種方法對粘接的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的檢查非常成功，但這種方法有一定的局限性，它不能檢查出干燥的腐蝕區(qū)域，只能檢查出濕的腐蝕和積存的水分。

    通過上述不同的檢測方式，能夠在發(fā)生腐蝕的早期對腐蝕部位，腐蝕程度有詳細(xì)的了解，掌握腐蝕對飛機結(jié)構(gòu)件的損傷情況，并針對性的進(jìn)行修復(fù)，清除甚至是更換，使得飛機能夠安全穩(wěn)定的運行。

    2. 飛機的防護(hù)手段

 

    防護(hù)的方法種類繁多，包括表面處理工藝、涂料、漆膜、涂鍍層等。隨著飛機機體材料的改變，如采用結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、鈦合金、高強度鋼、高強高韌鋁合金等材料，防護(hù)方法也采用電鍍鎘、電鍍鋅、硫酸陽極化、鈦合金陽極化、高強度鋼低氫脆高耐蝕電鍍、硼酸 - 硫酸陽極化、合金稀土轉(zhuǎn)化膜、噴涂涂層、環(huán)保型高性能鋁合金陽極化等新型工藝方法，以滿足飛機設(shè)計、制造和使用要求。針對不同的材料種類，不同的腐蝕情況，不同的服役環(huán)境等，制定相應(yīng)檢修步驟，使得飛機能夠安全穩(wěn)定的工作。

    3. 飛機腐蝕防護(hù)的要點

 

    第一，腐蝕防護(hù)培訓(xùn)。應(yīng)當(dāng)加強對相關(guān)工作人員的培訓(xùn)以及教育，促使每個工作人員重視飛機腐蝕防護(hù)工作，自覺做好飛機防腐工作。只有全體工作人員對飛機腐蝕防護(hù)工作負(fù)起責(zé)任心，才能保障飛機腐蝕防護(hù)工作順利開展。

    第二，保障排水系統(tǒng)通暢。飛機工作人員應(yīng)當(dāng)經(jīng)常性檢查飛機內(nèi)部的排水管道，從而保障排水系統(tǒng)通暢。此外，飛機的貨艙以及客艙等區(qū)域應(yīng)當(dāng)經(jīng)常通風(fēng)，從而保障飛機內(nèi)部水分排出。

    第三，定期清潔污染區(qū)域。飛機工作人員應(yīng)當(dāng)經(jīng)常性清潔飛機污染區(qū)域，對于電解質(zhì)污染區(qū)一級強腐蝕介質(zhì)區(qū)域應(yīng)當(dāng)噴涂防腐劑。

    第四，確保地板密封性。相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)時常檢查廁所廚房的地板十分密封，如果沒有密封或者損壞，應(yīng)當(dāng)采取有效措施修復(fù)地板。

    第五，加強裝卸管理。飛機裝卸貨物過程中，應(yīng)當(dāng)注意避免裝卸貨物造成飛機地板損壞或者腐蝕性物質(zhì)進(jìn)人地板，避免飛機結(jié)構(gòu)性腐蝕第六，防止微生物滋生。飛機相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)防止飛機油箱的微生物蔓延，確保油箱排水通暢，飛機油箱內(nèi)應(yīng)當(dāng)定期加人殺蟲劑，從而減少細(xì)菌滋生。

    第七，嚴(yán)格防腐工藝。確保飛機質(zhì)量，避免飛機腐蝕。

    另外，飛機的設(shè)計圖紙應(yīng)當(dāng)明確防腐蝕要求。制造部門對飛機圖紙進(jìn)行性嚴(yán)格的審查，包括飛機的外部構(gòu)建以及結(jié)構(gòu)零件等的審查。設(shè)計圖紙中，明確防腐蝕的要點區(qū)域，從而方便相關(guān)工作人員日常維護(hù)。做好飛機的常規(guī)防腐蝕維護(hù)工作，定期對飛機進(jìn)行清理，定時對飛機進(jìn)行檢查和修復(fù)。

    四、總結(jié)

 

    腐蝕防護(hù)是實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)長壽命、高可靠性、低維修成本的重要保證，為提高飛機（如大型客機、水上飛機、艦載機）的安全使用壽命、降低維護(hù)費用、保證飛行安全，必須認(rèn)真研究探索飛機的腐蝕規(guī)律及腐蝕損傷機理，把傳統(tǒng)的腐蝕控制技術(shù)與新興的防腐手段結(jié)合起來，加強飛機設(shè)計、制造、機務(wù)保障等人員防腐意識教育與技能培訓(xùn)，改善維護(hù)手段，提高飛機的日常保養(yǎng)與管理能力，使飛機向“長壽命、高可靠性、良好的可檢性和維修性”方向發(fā)展。

    由于國家對飛機行業(yè)腐蝕控制的重視，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，飛機腐蝕與防護(hù)技術(shù)的研究和應(yīng)用方面已取得了一大批的科研成果，已在飛機設(shè)計、制造和使用維護(hù)上得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益；基本完成了飛機腐蝕與防護(hù)技術(shù)體系的建立，不斷發(fā)展各項技術(shù)儲備，培養(yǎng)了一批包括國家級專家在內(nèi)的腐蝕與防護(hù)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)研究的人才。在滿足我國飛機研制水平的同時，也有力的推動了我國腐蝕與防護(hù)技術(shù)的進(jìn)步及應(yīng)用水平的提升。

    ●  人物簡介

 

 

    劉建華，現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)二級教授、長聘教授、博士生導(dǎo)師。1978-1986 年湖南大學(xué)本科、碩士畢業(yè)，1991 年日本神戶大學(xué)博士學(xué)位畢業(yè)，1992 年晉升為教授，并榮獲享受國務(wù)院政府特殊津貼專家稱號。1993-1995 年加拿大國家科學(xué)研究院作為高級訪問學(xué)者，1995 年 8 月至今任職于北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。承擔(dān)國家、省部級科學(xué)基金項目和重大項目十多項，研究工作涉及材料與裝備的腐蝕科學(xué)、表面功能材料與先進(jìn)防護(hù)技術(shù)、納米材料與特種功能涂層技術(shù)、仿生材料與生物制造技術(shù)、超級電池電容器材料與技術(shù)、電化學(xué)測試技術(shù)、材料數(shù)據(jù)庫與材料性能評價專家系統(tǒng)等研究。已在國內(nèi)外主要刊物上發(fā)表論文300 余篇，其中大多數(shù)被 SCI 收錄；獲批國家發(fā)明專利二十余項，并獲得省部級科技進(jìn)步獎多項。2002 年起擔(dān)任北京腐蝕與防護(hù)學(xué)會副理事長、常務(wù)副理事長，2013 年起擔(dān)任中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會副理事長。