嚴酷環(huán)境中飛機異種材料連接結(jié)構(gòu)的防腐蝕措施
2022-01-14 01:54:16
changyuan
裝備的腐蝕與使用環(huán)境密切相關(guān)，腐蝕對裝備的危害極大，不僅會降低裝備的使用壽命，還會嚴重影響和制約裝備的戰(zhàn)技性能和使用安全。近年來，飛機越來越頻繁地服役于高溫、高濕、高鹽霧和強紫外線的嚴酷環(huán)境中，隨著服役時間的增加，飛機的腐蝕速率大增，飛機機身、機翼、垂尾、平尾等異種金屬或?qū)щ姺墙饘俨牧蠈踊蛳嗷ソ佑|的部位由于防護不足，發(fā)生腐蝕的情況越來越普遍。
近兩年來，筆者跟蹤和收集了某型飛機在嚴酷環(huán)境中的腐蝕情況，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)飛機異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕約占飛機總腐蝕的60%以上。
在嚴酷環(huán)境中，飛機異種材料連接結(jié)構(gòu)處的涂層會提前失效，出現(xiàn)鼓包、開裂、粉化，甚至出現(xiàn)基體腐蝕，對于飛機某些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位，一旦產(chǎn)生腐蝕將嚴重影響后續(xù)的腐蝕修理，也會給飛行安全帶來嚴重隱患。
嚴酷環(huán)境特點
我國地域遼闊，具有內(nèi)陸、海洋、寒帶、溫帶、亞熱帶等各種氣候環(huán)境，各地氣候以及大氣中各種腐蝕介質(zhì)含量的差異，對飛機的腐蝕影響也各不相同。
本文所指的嚴酷環(huán)境是整體呈熱帶海洋季風性氣候，年均氣溫27~28℃、平均相對濕度80%以上、氯離子沉降量達到1.0mg/（100 cm2·d）以上且年均輻照量大于6000MJ/m2，具有高溫、高濕、高鹽霧和強輻照“三高一強”綜合特點的環(huán)境，這類地區(qū)有時還存在極強降雨和強臺風，環(huán)境非常惡劣。
飛機等裝備在此嚴酷環(huán)境中使用，腐蝕速率及故障率會成倍增加，飛機典型結(jié)構(gòu)材料和機載成品等在嚴酷環(huán)境中的暴露試驗結(jié)果表明，飛機在此環(huán)境中的腐蝕/老化速率是在內(nèi)陸地區(qū)的10~15倍；典型飛機防護涂層在重慶、青島等地區(qū)戶外大氣中暴露5年也無明顯老化現(xiàn)象，但在此嚴酷環(huán)境中暴露1年就明顯失光，出現(xiàn)腐蝕。
異種材料連接結(jié)構(gòu)
目前，飛機常用異種材料的連接結(jié)構(gòu)主要有兩種。如圖1所示，A、B、C為異種材料，材料A和材料B為搭接或膠接狀態(tài)；或者材料A與材料B和材料C之間為螺接或鉚接狀態(tài)。
（a） 搭接或膠接
（b）螺接或鉚接
圖1 飛機常用異種材料的連接形式
主要腐蝕特征
根據(jù)近年來飛機腐蝕情況的統(tǒng)計結(jié)果，一些飛機在早期防腐蝕設(shè)計時，受限于已定的材料、防腐蝕涂層、施工工藝和考核驗證，并未考慮其在嚴酷環(huán)境中的使用，這導致飛機的腐蝕呈現(xiàn)“早、快、廣、重、難、險”六大特點，即腐蝕起始時間早、速度快、范圍廣、損傷程度重、維護保障難、安全風險大，尤其是飛機異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕非常突出，主要表現(xiàn)如下：
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異種金屬材料在連接或?qū)涌p隙處發(fā)生腐蝕
嚴酷環(huán)境中，材料連接或?qū)涌p隙處易積存鹽分、水汽、凝露等，形成腐蝕介質(zhì)，若不及時處理，對接處或縫隙處極易出現(xiàn)腐蝕，如表面涂層出現(xiàn)鼓包、開裂、粉化、掉塊和脫落等，若兩種材料的電位差較大，低電位材料會作為陽極，出現(xiàn)電偶腐蝕，進一步加劇腐蝕。如在飛機上廣泛使用的鈦合金與其他金屬連接或接觸時，由于鈦合金電位較高，與其相連的低電位金屬首先出現(xiàn)腐蝕，如圖2和圖3所示。
圖2 進氣道唇口處腐蝕
圖3 進氣道防護網(wǎng)拉桿腐蝕
此外，高電位的不銹鋼材料與鋁合金蒙皮接觸，蒙皮會首先出現(xiàn)腐蝕，如圖4所示。
圖4 加油口周圍腐蝕
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蒙皮緊固件螺釘孔發(fā)生腐蝕
在嚴酷環(huán)境中，飛機蒙皮表面緊固件螺釘孔的腐蝕普遍且嚴重，尤其是一些工藝口蓋由于裝配或經(jīng)常打開，螺釘與螺釘孔的縫隙密封變差甚至縫隙增大，更大的縫隙易吸濕、吸潮后形成腐蝕介質(zhì)，飛機蒙皮上的螺釘主要為30CrMnSiA鋼，蒙皮一般為2024、LY12CZ等鋁合金，根據(jù)GJB 1720-1993《異種金屬的腐蝕與防護》，2024、LY12CZ等鋁合金比30CrMnSiA鋼更加活潑，鋁合金蒙皮電位低于鋼螺釘電位，腐蝕介質(zhì)如果滲入到螺釘孔，螺釘與蒙皮接觸部位就易發(fā)生電偶腐蝕。腐蝕發(fā)生時，螺釘孔邊的涂層首先出現(xiàn)鼓包，如果受到強紫外線照射，涂層易發(fā)生脆化，再加上氣流的作用，鼓包的涂層就會發(fā)生撕裂、掉塊等現(xiàn)象。
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垂尾和水平尾翼邊緣處的腐蝕
復合材料在飛機上的應用非常廣泛，目前飛機的垂尾和水平尾翼幾乎都采用復合材料，其邊緣處大多是在復合材料表面噴金屬鋁后再涂防護層，但由于氣流沖擊等因素的作用，邊緣防護層極易破損。在嚴酷環(huán)境中，破損的邊緣易吸潮吸濕，形成腐蝕介質(zhì)，而復合材料電位普遍高于表面噴的金屬鋁，因此邊緣處的鋁層容易產(chǎn)生腐蝕，出現(xiàn)鼓包、開裂，甚至掉塊等。
腐蝕原因及影響因素
導致飛機結(jié)構(gòu)腐蝕的原因錯綜復雜。就嚴酷環(huán)境中典型飛機異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕而言，主要有三方面：
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結(jié)構(gòu)抗腐蝕設(shè)計的“先天不足”是嚴酷環(huán)境中飛機腐蝕的根本原因
飛機在抗腐蝕設(shè)計時，尤其是早期機型，并未考慮飛機長時間在嚴酷環(huán)境中的使用，主要體現(xiàn)在以下三方面：
① 表面防護涂層結(jié)構(gòu)防腐蝕涂層體系的抗老化與防護性能較差。有些型號的飛機，在嚴酷環(huán)境中服役1~2年就會出現(xiàn)明顯的失光、失色，甚至出現(xiàn)腐蝕。
② 施工工藝存在缺陷。如鋁合金結(jié)構(gòu)表面通常采用陽極化后噴涂底漆，但裝配前會鉆連接孔，必然會破壞結(jié)構(gòu)表面的完整性，裝配時裸露的連接孔通常也未進行密封防護處理，滿足擰緊即可，尤其是經(jīng)常要開啟的表面口蓋的螺栓孔，腐蝕嚴重。另外飛機蒙皮連接部位的縫隙處，噴涂的防護涂層經(jīng)常出現(xiàn)薄厚不均、結(jié)合力低，腐蝕介質(zhì)滲入后，短時間內(nèi)就會產(chǎn)生腐蝕。
③ 結(jié)構(gòu)密封排水設(shè)計缺陷與措施不合理的問題普遍存在。雖然有些結(jié)構(gòu)采用了密封排水處理，但其有效性和環(huán)境適應性并沒有得到試驗驗證。如機翼對接部位由于密封防水設(shè)計不合理，盡管采用了密封膠條或膩子布密封處理，還經(jīng)常出現(xiàn)滲漏水、積水、潤滑脂變質(zhì)和結(jié)構(gòu)腐蝕等現(xiàn)象。
2
異種材料間存在電偶腐蝕，加速了腐蝕的發(fā)生和發(fā)展
在飛機異種材料連接結(jié)構(gòu)中，由于存在縫隙，嚴酷環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)容易滲入并長期滯留其中，形成腐蝕介質(zhì)，同時異種材料相互接觸，存在腐蝕電位差，產(chǎn)生電偶腐蝕。
發(fā)生電偶腐蝕需要3個基本條件：
① 存在腐蝕性電解質(zhì)溶液；
② 在同一腐蝕介質(zhì)中存在電位差異較大的異種金屬或?qū)щ姺墙饘伲?/span>
③ 金屬或非金屬間存在導電連接。
這3個條件既相互獨立又彼此緊密聯(lián)系和相互依存。發(fā)生電偶腐蝕時，陽極反應為金屬失電子變成金屬離子，而陰極則是H2O和O2得電子生成OH-，或是H+得電子生成H2，電偶腐蝕基本原理如圖5所示。
圖5 電偶腐蝕基本原理
影響電偶腐蝕的主要因素包括腐蝕電位差、使用環(huán)境和腐蝕介質(zhì)電導率及pH等。從腐蝕電位差來看，一般情況下，電位差越大，腐蝕越嚴重。當兩種金屬的腐蝕電位差＞0.25V時，就會產(chǎn)生電偶腐蝕；復合材料與金屬材料耦合時，若電位差＞50mV，腐蝕也會發(fā)生，且隨著電位差的增大，電流會趨于一個極限值。
從使用環(huán)境看，在嚴酷環(huán)境中，尤其是干濕交替環(huán)境，溫度升高，濕度增大，都會加快飛機連接結(jié)構(gòu)的陰、陽極的反應，增大腐蝕速度。對于腐蝕介質(zhì)電導率，一般介質(zhì)電導率越大，腐蝕越嚴重。在大氣環(huán)境中，飛機連接結(jié)構(gòu)的腐蝕首先集中在離接觸點較近的陽極表面上，形成局部腐蝕，而后隨著溶液電導增大，逐漸形成均勻腐蝕。
此外，腐蝕介質(zhì)的pH與電偶腐蝕也息息相關(guān)，尤其在酸雨地區(qū)，飛機連接結(jié)構(gòu)的腐蝕成倍增加，對于鋁合金連接結(jié)構(gòu)件，當腐蝕介質(zhì)pH小于4時，pH越低，腐蝕速度越大；pH為4~9時，與pH幾乎無關(guān)；當pH為9~14時，隨著pH增加，腐蝕加速。
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外場使用維護措施不完善也是產(chǎn)生腐蝕的主要原因
就目前我國一些飛機的使用情況，大多數(shù)飛機仍處于“飛少停多”的狀態(tài)，飛機維護措施是否完善，對飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕至關(guān)重要。一些飛機在早期設(shè)計時并未考慮到在嚴酷環(huán)境中的長期使用，飛機使用維護規(guī)程等技術(shù)文件中缺少關(guān)于針對嚴酷環(huán)境中飛機連接結(jié)構(gòu)的腐蝕檢查及維護措施，且腐蝕預防與控制技術(shù)手段不完備。此外，現(xiàn)有的飛機腐蝕修理工藝和技術(shù)標準，只適用于一般環(huán)境而非嚴酷環(huán)境。
另外，飛機在嚴酷環(huán)境中使用，氣流、雨水等對異種材料連接結(jié)構(gòu)的沖刷作用，也是加速飛機產(chǎn)生腐蝕的原因之一。
腐蝕防護措施
目前，飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕防護措施很多，如選用合適的結(jié)構(gòu)材料和設(shè)計以降低電位差，采用涂、鍍層的表面處理以增大接觸電阻，采用密封或使用惰性材料填充等使金屬間絕緣等。然而每種防腐蝕措施，都有其應用范圍和條件，對于飛機異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕防護，應從防護效果、施工難易和經(jīng)濟效益等方面綜合考慮。
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合理選材及連接部位防腐蝕設(shè)計
合理的結(jié)構(gòu)選材及連接部位防腐蝕設(shè)計是非常重要的，可以從源頭遏制腐蝕的發(fā)生。
（1）在結(jié)構(gòu)選材時，要減少異種金屬的連接或相互接觸，若不可避免，應盡量選用電位差或電偶序相近的材料，如選擇飛機蒙皮上緊固件時，在滿足性能和功能要求的前提下，盡量選擇與蒙皮材質(zhì)相同或電位差（電偶序）相近的材料?？梢詤⒖糋JB 1720-1993《異種金屬的腐蝕與防護》中金屬及合金在3.5% NaCl溶液中的電偶序的排序。
（2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，尤其是當鎂合金、鋁、鋅及合金與銅、鈦合金、不銹鋼等互相連接時，應在連接點或面采取適當措施，防止電偶腐蝕。如蒙皮結(jié)構(gòu)件的搭接處應密封鉚接，蒙皮盡量按順氣流方向，由前搭后、由上搭下，并在搭接寬度的貼合面間涂有高黏結(jié)力密封劑進行密封鉚接等；另外在裝配時，螺釘盡量選用濕裝配的方式等。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還要考慮飛機在使用過程中應便于維護、維修和更換，也要考慮密封、排水、除濕的問題，選用的絕緣材料和密封材料要求不吸水、不含腐蝕性成分等。
（3）由不同金屬材料或?qū)щ姺墙饘俨牧辖M成的構(gòu)件，應盡量避免大陰極（電位較正的材料）、小陽極（電位較負的材料）的組合，盡可能增大陽極面積，減少陰極面積。如用作導電連接件，連接前應在異種金屬間墊入相容的金屬墊片，或者在陰極零件表面鍍覆一層與陽極零件相容的金屬鍍層；不作導電的連接件，連接前應在異種金屬間墊入不吸水、吸潮的非金屬墊、襯墊或密封膠等。
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表面防護方法
當兩種材料不允許直接接觸，而又必須選用時，可根據(jù)使用條件、設(shè)計要求、使用維護的方便性和經(jīng)濟性原則，采取表面防護措施，避免兩種材料直接接觸。
（1）涂、鍍層的表面防護。利用有機涂層的高阻隔屏蔽性能將金屬面與電解質(zhì)隔離，將陰陽極物理屏蔽以阻止或減緩金屬的腐蝕。而鍍層是用耐蝕性較強的金屬或非金屬來覆蓋耐蝕性較弱的金屬，將主體金屬與腐蝕性介質(zhì)隔離以達到防腐蝕的目的，材料表面涂、鍍層是目前防止腐蝕最經(jīng)濟和應用最普遍的方法。
（2）密封劑和惰性材料等隔離防護。如果條件允許，可以采用密封劑和惰性材料填充在異種材料間，可以使材料間產(chǎn)生絕緣，避免產(chǎn)生腐蝕電池，能有效阻止腐蝕。
（3）緩蝕劑和潤滑油脂等防護。緩蝕劑具有優(yōu)異的水置換性能和防銹性能，涂覆在材料表面，可去除表面水分和鹽分，并很快形成一層透明的膜，防止產(chǎn)生腐蝕電解質(zhì)。利用緩蝕劑和潤滑油脂等可以進行短期和臨時的腐蝕防護。
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維護與局部腐蝕修復
嚴酷環(huán)境中，加強飛機的使用維護和腐蝕修復也是減少和控制飛機腐蝕發(fā)生和發(fā)展，提高裝備可靠性的重要措施。
（1）加強日常維護中的腐蝕檢查。依據(jù)飛機在嚴酷環(huán)境中的使用情況和異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕特點，制定針對性的腐蝕檢查大綱，并結(jié)合日常維護工作，定期進行腐蝕檢查（檢查周期一般約為10天）。
（2）飛機定期清洗。清洗可以去除表面腐蝕介質(zhì)，阻止其在材料表面聚集而產(chǎn)生腐蝕電解質(zhì)，能有效減少產(chǎn)生腐蝕的外在因素，起到抑制或減緩腐蝕的作用。清洗應嚴格按照維護手冊規(guī)定，采用專用清洗劑，要特別注意異種材料連接結(jié)構(gòu)在縫隙和搭接區(qū)域的徹底清洗和干燥。嚴酷環(huán)境中飛機的清洗周期約為7天。
（3）加強干燥除濕工作。濕度是發(fā)生異種材料連接結(jié)構(gòu)腐蝕的重要條件之一，干燥除濕可以有效減少和降低腐蝕。嚴酷環(huán)境中，濕度大且雨水多，要利用空調(diào)機或除濕機等定期對飛機的內(nèi)外表面、設(shè)備艙、起落架艙等部位進行通風干燥、除濕，去除飛機表面和內(nèi)部的潮濕空氣。嚴酷環(huán)境中，干燥除濕周期為1~2天。
（4）局部腐蝕修復。一旦發(fā)現(xiàn)腐蝕損傷，必須采取臨時防護和有效補救性措施及時進行局部修復，防止腐蝕的進一步發(fā)展。局部腐蝕修復應不破壞原結(jié)構(gòu)的可檢性，修復時不應引起二次腐蝕。修復前，先評估腐蝕損傷性，對于沒有超過飛機修理手冊中規(guī)定的區(qū)域，可以涂覆緩蝕劑作為臨時修補手段；腐蝕損傷剛好接近容許極限時，需要進行補強修復，并縮短腐蝕檢查間隔，加強監(jiān)控；若腐蝕損傷已影響到飛機正常使用和飛行安全，且不能進行局部修復，必須進行部件更換。
結(jié) 語
（1）嚴酷環(huán)境中，飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕普遍且嚴重，整體呈現(xiàn)出“早、快、廣、重、難、險”六大特點，異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕是飛機結(jié)構(gòu)的主要腐蝕形式，給飛機的使用、維護和飛行帶來了難度和安全隱患。
（2）嚴酷環(huán)境中，飛機異種材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕主要表現(xiàn)在連接結(jié)構(gòu)的縫隙處腐蝕、蒙皮緊固件螺釘孔邊腐蝕和飛機垂尾、水平尾翼的邊緣腐蝕等，主要原因是結(jié)構(gòu)抗腐蝕設(shè)計“先天不足”、異種材料間存在電偶腐蝕和外場使用維護措施不完善等。
（3）針對嚴酷環(huán)境中飛機異種材料連接結(jié)構(gòu)腐蝕的特征和原因，提出了結(jié)構(gòu)選材及抗腐蝕細節(jié)設(shè)計、表面防護體系、使用維護和局部腐蝕修復等綜合防護措施，盡可能減少、降低和避免飛機在嚴酷環(huán)境中的腐蝕，確保飛行安全。