腐蚀与防护控制技术是航空装备安全、长寿命、高耐久性和低维修成本的重要保证，也是未来航空科技和武器装备研制、发展之必不可少的技术之一。为了全面科普航空工业腐蚀与防护的专业知识，深入探讨腐蚀与防护技术的前沿科技，推动飞行器腐蚀防护与控制技术跨越式发展。记者特邀请到中国航空发动机集团北京航空材料研究院副总工程师、中国航空工业集团公司基础技术研究院腐蚀与防护首席技术专家陆峰研究员做相关方面的精彩解读。

 陆峰研究员

    厚积薄发 乘六十年技术底蕴

    北京航空材料研究院腐蚀与防护专业是国内最早成立的从事航空腐蚀与防护研究的专业机构。陆峰自豪地说，北京航空材料研究院自建立以来在航空材料环境试验及表面防护技术的应用基础研究和工程应用方面取得了诸多可喜的成果及进展。

    北京航空材料研究院自1956 年建院以来就设立了腐蚀与防护研究室，是国内最早从事航空材料环境适应性评价、腐蚀性能表征、表面防护技术研究的专业研究机构。建有国家材料环境腐蚀平台北京大气环境试验站，同时也是国防科技工业自然环境试验站网的重要组成部分之一。

    1957 年，北京航空材料研究所（原航空工业局六所）迁入新址（北京市海淀区环山村），通过调研，根据苏联专家建议在所内建立北京大气腐蚀试验站，建成后具备常规的自然环境试验能力，之后还在沈阳、南昌、海南等地建立了航空材料的大气暴露场（站）。

    1980 年北京大气腐蚀试验站成为国家科委和国家自然科学基金委的组织领导下的全国大气环境腐蚀试验网站中的八个试验站成员单位之一，1982 年在国家自然科学基金委、三机部和北京航空材料研究院的支持下，改扩建北京大气腐蚀试验站，新建了符合国际标准的暴露场和实验室，并添置了用于金属、非金属材料腐蚀性能检测的多种仪器设备。

    2001 年国防科技工业自然环境试验研究中心和国防科技工业自然环境试验站网成立，北京自然环境试验站是站网主要成员之一。

    2003 年，国防科工委批复了北京大气自然环境试验站建设项目，对北京大气试验站进行全面的改造，显著提升了北京大气试验站试验与研究能力，基本满足了武器装备新产品研制、开发对暖温带半乡村气候自然环境适应性试验研究，提高武器装备质量、可靠性的需要。具有完整的腐蚀性能测试设备和高素质的研究、测试人员，获得中国实验室国家认可委员会（CNAS）颁发的认可证书， 通过GE 公司的S400 认证，是GE 公司、庞巴迪公司等认可的腐蚀实验室。

    60 年来，随着我国航空工业的快速发展，航空材料环境试验技术、表面防护技术基础研究与工程应用研究也取得了长足的进步。在环境试验技术研究方面，开展了多种航空材料及制件的大气暴露试验，多种实验室加速腐蚀（单因素、多因素的综合模拟）试验，以及电化学腐蚀试验研究。在实验室加速模拟试验方面和腐蚀测试上的研究独具特色，开发了多因素综合环境试验装置， 建立了多项大气腐蚀监检测技术，研制出的便携式拉伸应力腐蚀试验装置等， 在户内外腐蚀损伤相关关系、航空材料在大气环境中的失效及破坏规律等方面取得了丰硕的成果。

    特别是“十二五”期间，开展了航空关键材料的环境适应性数据资源建设， 投试高强钢、橡胶及密封剂、复合材料、铝合金、防护涂层、结构件和等各类环境试验样品4900 余件，积累各类材料的环境适应性基础数据3 万余条，总结了各类航空关键材料及零部件在自然环境中的适应性规律。探讨了典型航空高强度钢的大气腐蚀机理、典型航空有机涂层在气候- 力学环境中的损伤机理、典型非金属结构和功能材料的大气老化机理、新型铝锂合金的大气腐蚀机理等。

    突破了航空关键材料及其结构件和零部件在典型自然环境中的性能演变规律和损伤机理评价技术，橡胶及密封剂、树脂基复合材料等环境试验的等效性评估技术，为武器装备及其基础产品的环境适应性评价提供有效的技术手段。突破了航空有机涂层的气候环境与力学环境模拟加速试验技术，新型铝锂合金模拟海洋大气环境加速试验技术、典型树脂基复合材料在自然大气环境中耐冲击性能加速试验评价技术等多项关键技术。

    为新型战斗机、运输机等型号开展了环境适应性设计选材数据咨询服务， 筛选材料、防护工艺数十种，优选出了适用于不同环境下使用的材料、防护工艺，有效保障了武器装备全天候、多地域可靠使用的环境适应性要求；开展环境适应性考核、评价和技术咨询服务， 提出环境适应性改进措施建议，解决产品腐蚀、老化、寿命不符要求等问题， 为型号研制成功做出了重要贡献。

    谱写华章 为航空装备防腐出谋划策

    陆峰表示，为了提高科研人员的科研水平、开展眼界，曾以第一作者组织撰写了《航空材料环境试验及表面防护技术》。该书系统地介绍了北京航空材料研究院腐蚀与防护专业成立以来在航空材料环境试验及表面防护技术的基础研究和工程应用方面取得的成果，着重对北京航空材料研究院（以下简称“航材院”）近20 年来的创新性成果进行了系统展示。通过对航材院航空材料环境试验及表面防护技术在几十年发展过程中从无到有、由弱到强的发展过程的回顾及分析，对航空材料环境试验及表面防护的特色技术、关键技术研究过程及工程应用的总结，可以系统地总结航空材料环境试验及表面防护技术的发展规律、规划我国新型航空材料环境试验及表面防护技术的发展方向，特别是对提高科研人员的科研水平、开展眼界等具有很好的指导作用。

    全书共分为12 章。内容包括：高强度铝合金大气腐蚀模拟加速评价技术；树脂基复合材料环境适应性评价技术；飞机表面防护涂层环境适应性加速评价技术；结构试样防护涂层体系性能评价技术；大气腐蚀监测仪和kelvin 探针电化学检测技术；大气应力腐蚀试验技术；图像识别和电化学噪声大气腐蚀早期监检测技术；高强度钢和钛合金表面镀覆层防护技术；有色金属表面转化膜技术；超音速火焰喷涂、爆炸喷涂及低温气动喷涂技术；飞机腐蚀维护与维修技术；航空高强度材料及构件表面强化技术等。

    该书可供从事航空产品设计、研究、生产、检验、使用和维修等部门的有关工程技术人员使用，亦可供其他相关部门的有关技术人员及高等院校师生参考。

    走向深蓝 航空工业腐蚀控制迫在眉睫

    近年来，我国周边区域军事热点事件频发。我国南海主权不断受到东南亚国家挑战，在钓鱼岛附近海域与日本存在潜在冲突，同时我国海军舰队远赴亚丁湾打击索马里海盗等行动突显了新时期我军建设理念由国土防御向突破第一岛链，走向深蓝，以现代化的国防军事力量保障全球范围内经济贸易长期稳定的方向转变。在这样的背景下，海军飞机、航母编队各型飞机如舰载战斗机、直升机、预警机等迅速发展，我国航空工业迎来井喷式、跨越式发展的新阶段， 同时，航空工业的防腐蚀问题获得前所未有的受到重视。

    陆峰说，众所周知，热带海洋大气环境十分恶劣，其基本因素包括温度、湿度、风、降水、太阳辐射、海水飞溅作用等。与内陆环境相比，其高温、高湿及高盐雾的特性突出。因此，海洋大气环境中金属的腐蚀要远高于内陆地区，以海南万宁的热带海洋大气环境为例，其对钢的腐蚀速率是江津等内陆地区的2-4 倍。以我国海军迄今为止深入海洋最远、时间最久的任务“亚丁湾护航行动”为例，多种直升机在此任务中暴露了严重的腐蚀问题，不得不提前进入返厂大修。

    由环境效应引发的海洋环境服役飞机故障给美军机务维修工作带来了沉重的负担，造成维修费用提高和飞机服役期限降低。美国海军的统计数据表明， 从1994 年到2004 年，海洋环境服役飞机腐蚀损伤检查、维修时间占综合检查维修时间的36%；由于腐蚀损伤，海军航空装备每年直接损失达10 亿美元左右，因腐蚀原因而引发的安全事故224 件，涉及飞机227 架。美国海军每年用于应对海洋环境服役飞机腐蚀问题的费用达到20 亿至30 亿美元，占海军年维修费用的1/3。美国海军明确提出结构及设备等严重、广布的腐蚀损伤已构成当前航空装备头等重要的安全问题。

    因此，对于海军飞机尤其是刚刚处于起步阶段的我国海军飞机，由于经常处于海洋大气腐蚀环境之中，机体腐蚀问题已经成为决定其寿命、保证技战术水平的关键因素。

    航空器包括很多不同种类的航空材料，这些材料所处的工作环境各不相同， 导致对航空材料产生腐蚀的原因也是多种多样的。腐蚀类型可分为以下几种：

    电化学腐蚀

    电位差与电解质溶液是形成电化学腐蚀的两个基本条件。在飞行器的结构之中，承担功能的不同，所以不同结构所使用的材料性质也不同。比如，飞行器的表面材料大多使用具优良延展性、相对强度低的铝合金材料、起落架及龙骨梁则选用强度高的合金钢材料。材料不同，它们的电极电位也不同，如果它们接触就有可能产生腐蚀的隐患；就算是同类的材料，由于其内部杂质的存在或其自身就是由不同电极电位多相组成，因此也存在着电化学腐蚀隐患。

    作为中远程运输的交通工具，飞行器工作的特点直接决定了它的工作环境的变化要大于其他交通工具。飞机在工作中经常穿越温度、温度相差很大的气候地带，尤其是我国幅员广阔，有着亚热带及热带湿润型气候，航空材料难以避免的要在潮湿的环境中工作，还会因为昼夜温差的变化，在结构中积水。空气里的二氧化碳、二氧化硫等气体包附在航空材料的表面，发生电离而产生电解质溶液，使航空材料产生吸氧腐蚀现象。同时飞行器内部有大量连接间隙， 形成电化学腐蚀蔓延。

    承力结构应力腐蚀

    它是指应力与腐蚀环境的共同作用下对材料的破坏方式。应力腐蚀只会发生在特定腐蚀环境与材料体系之中，它的特点是造成破坏的静应力大大低于材料屈服强度，断裂形式是不产生塑性变形的脆裂，拉应力是其主因。

    以飞机起落架应力腐蚀例，起落架是飞行器主要受力结构之一，当飞行器停放时，起落架轮轴受到拉应力的作用， 可能在腐蚀介质下产生应力腐蚀现象。起落架的材质通常为镀铬高强钢，其强度高、耐磨损但硬度较脆，易在飞行器的起降突变负荷作用下缺陷掉落而失去效果。清洗、结露等会使起落架轮轴积水，其杂质也容易在起降或是清洗时附在轮轴位置，形成应力腐蚀溶液，从而造成应力腐蚀。在飞行器上易产生应力腐蚀部位还有：厨房、厕所下方区域， 湿气的长期聚焦，容易出现腐蚀；机身顶部，由于冷凝水聚集作用再加受拉伸应力，易产生应力腐蚀；机身下部，舱门口、厨房、货舱附近的部位易出现腐蚀；框架、桁条及止裂带；机身蒙皮， 在应力、湿气双重作用下，产生蒙皮鼓包、变形、丢失紧固件，易出现裂纹； 压力隔框，经常出现于位置较低部位， 尤其是排水设施不够及未维护的部位； 大翼及安定梁，对梁上各种位置腐蚀的探测、修理非常困难；翼中段、承压舱板； 货舱门的平衡弹簧应力性腐蚀。

    发动机部件的高温氧化

    发动机部件的主要腐蚀表现形式是高温氧化。推力大、效率高、油耗低、寿命长是航空发动机发展趋势。只有对涡轮进口燃气温度进行提升，才能提高航空发动机的性能，实现提升推力的同时降低油耗。所以发动机的涡轮叶片抗高温氧化的性能非常关键。对此可采取几种方法进行防护：保障性能前提之下， 提高叶片材料本身熔点和高温抗氧化的能力；使用与基体材料具有良好结合力、高温性能佳的高温防护涂层或热障涂层；采用气膜冷却技术，令冷却的空气在涡轮叶片表面构成保护气膜，显著提高叶片的使用温度和承温能力。

    镍基高温合金是当前在航空航天领域中发展最成熟、应用最广泛的材料。它具备优良的综合性能：高温强度、室温的韧性及抗氧化性能优异，但它的极限应用温度为1100 至1150 摄氏度，已达其熔点85%，再提升其使用温度潜力较小。随着发动机推力和效率的提高，发动机涡轮前温度需不断提高。未来的航空发动机要求其热端关键部件在2000K 以上的高温和复杂载荷条件下长期可靠使用，因此传统的镍基和钴基高温合金已经不能满足下一代高性能先进发动机的需求。

    近年来在单晶高温合金、金属间化合物、难熔金属、超高温陶瓷基复合材料、碳/ 碳复合材料、抗氧化涂层材料及技术、热障涂层材料和技术方面发展很快，开展了高温和超高温结构材料的抗氧化、抗烧蚀、抗冲刷、抗蠕变、抗热震等环境适应性研究，显著提高了材料的高温断裂韧性、持久强度和疲劳性能等。

    超高音速飞行器与空气的剧烈摩擦产生的热量，会导致鼻锥、机翼前缘、机翼挡板等的温度升高到20000℃左右。密度低、抗烧蚀、导热好、抗热冲击和热震性良好的碳/ 碳复合材料是最佳的选择，但碳/ 碳复合材料的主要问题是高温环境下的氧化。

    面向未来 四大举措为航空装备“保驾护航”

    航空装备、飞行器的环境适应性设计都是在对之前研制、使用、修理、维护过程中出现的环境损伤事件（事故） 充分分析研究后，基于经验的研究方法逐步建立并完善起来的。以往的环境适应性设计技术主要针对内陆服役飞机， 在形成过程中已有大量的内陆服役飞机处于不同的状态，从生产、服役、大修、到再次服役直至退役。这些不同状态的飞机，为环境适应性设计提供了大量丰富的实践经验和教训，在设计中目标和状态明确，针对性强。由于我国尚没有海洋环境飞机长期服役，缺乏可直接借鉴的经验，飞行器海洋环境适应性的系统研究刚刚起步。因此，目前海洋环境服役飞机的环境适应性设计只能以内陆服役飞机为参考，进行局部完善，虽然加强了装配过程中防护设计，但整体提升有限。我国海洋环境服役飞机已经发生的环境损伤问题说明了目前海洋环境服役飞机环境适应性设计的局限性。

    随着海洋环境服役飞机或舰载机大规模长时间的服役，尤其是在热带海域执行远洋任务，将面临更加严酷的寿命期环境的影响，届时环境腐蚀和环境损伤现象将日益严重，出现更多的由环境适应性不足引起的故障。以目前海洋环境服役飞机具有的环境适应性水平，将会带来使用和保障费用的居高不下，造成我国海军飞机的作战效能受到严重影响。

    陆峰表示，由于飞行器腐蚀问题已成为决定海洋大气环境服役飞机寿命、保证技战术水平的关键因素，未来应以英、美等空军、海军飞机腐蚀控制理念为参照，逐步改变我国以往以经验、修理为主，被动应对飞机腐蚀问题的观念， 将飞机腐蚀与防护作为一个系统学科， 在飞机型号论证、设计、选材、制造、维护的全寿命期内贯彻和体现积极的环境适应性设计和腐蚀预防与控制理念， 形成系统的防腐蚀技术体系。具体来说， 需要从实验室加速试验技术、关键结构环境适应性设计、腐蚀性能检测评价及材料筛选、表面处理和维护/ 维修等方面加强我国航空材料腐蚀与控制领域的研究。

    （1）实验室加速试验技术：航空材料、涂层以及结构的防腐蚀性能的评价方法主要包括实验室加速腐蚀试验和自然环境暴露试验。为了更好的模拟飞机的服役环境，进行航空结构环境适应性的评价，广泛开展环境模拟加速试验谱的研究，开展户外暴晒、舰上暴晒及实验室模拟加速试验，获得材料、防护体系、关键（易腐蚀）结构件环境耐久性数据， 为整机防护体系改进提供依据；同时采用飞机腐蚀损伤及腐蚀环境的原位监测技术，将以往的“发现腐蚀- 进行修复” 的模式转变为“预测腐蚀- 进行管理” 的模式，根据预测结果决定飞机维护和管理策略。

    （2）合理的结构环境适应性设计： 通过设计合理的密封、通风、排水等措施改善结构的服役条件；尽量避免异种金属接触或采取有效的防电偶腐蚀设计，控制电偶腐蚀；提高承载结构的抗应力腐蚀能力和承载能力，改善应力状态。

    （3）以腐蚀性能检测/ 评价方法体系指导综合性能优良的耐蚀材料选用： 不同材料的防腐蚀性能检测种类和方法不同，如铝合金主要采用航标、国军标、ASTM、ISO 以及美军标等进行晶间腐蚀、剥落腐蚀、应力腐蚀等性能的检测与评价，高强度结构钢和钛合金主要进行应力腐蚀和腐蚀疲劳等的检测，对于表面处理及防护涂层主要采用中性盐雾试验的方法进行耐蚀性能的评价，未来针对不断出现的新型航空材料应建立完整的腐蚀性能检测/ 评价方法体系。在此基础上，根据结构/ 部位与使用要求，对材料的强度、疲劳性能、断裂韧性、耐蚀性、工艺性、经济性等进行综合对比， 在满足必要的力学、工艺和结构对比的前提下，优先考虑其耐蚀性，尤其耐应力腐蚀和氢脆性能。

    （4）采用先进表面处理技术和腐蚀控制维护/ 维修技术：根据不同的金属材料、服役环境合理选择镀层、覆盖层或沉积层，提高材料制件的耐蚀性、耐磨性、导电性等；重视腐蚀控制维护/ 维修技术，广泛应用飞机专用清洗剂， 缓蚀剂以及快速腐蚀修复等技术控制腐蚀发生、发展。

    后记：“工欲善其事，必先利其器。”腐蚀与防护研究对航空装备的防护至关重要并为航空工业的发展做出了应有的贡献，现在乃至将来它仍是航空工业非常重要的研究课题！放飞大航空梦想！大家一起努力吧！

    人物简介

    陆峰，研究员，中国航空发动机集团北京航空材料研究院副总工程师，中国航空工业集团公司基础技术研究院腐蚀与防护首席技术专家，中国航空工业集团公司航空材料腐蚀与防护重点实验室主任，中国腐蚀与防护学会航空航天专业委员会主任委员，中国航空工业集团公司航材中心表面工程分委会主任委员。主要从事航空航天高强轻质结构材料表面防护，航空发动机高温抗氧化防护涂层、热障涂层，材料及构件环境适应性研究与评价，复合材料表面防护等研究。国防科工局“基础科研”、“技术基础”专家组成员，国家科技部国际科技合作项目评审专家。获国防科技进步一等奖1次，二等奖2次，中航工业集团科技进步一等奖1次，二等奖5次。荣立集团二等功1次，三等功2次。获授权发明专利10余项，出版的“航空材料自然环境试验评价技术”专著1本，发表论文50余篇。担任“中国腐蚀与防护学报”、“材料工程”、“装备环境工程”、“腐蚀科学与防护技术”、“热喷涂技术”、“电镀与精饰”、“材料保护”等期刊编委。

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责任编辑：王元

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