航空材料的腐蚀与防护汇总

2016-10-12 17:39:56 作者：本网整理分享至：

腐蚀现象在人类生产和使用的各类材料中普遍存在，每年由于腐蚀引起的材料失效给人类社会带来了巨大的损失。由于服役环境复杂多变 , 不同构成材料相互配合影响 ,导致航空材料在飞行器的留空阶段、停放阶段遭受多种不同种类的腐蚀 ,增加了飞行器的运营成本 ,对飞行器的功能完整性和使用安全性造成严重的危害。英美空军每架飞机每年因腐蚀造成的直接修理费用为 11 000 ～ 55 000美元之间。

1985年 8月 12日，日本一架 B 747客机因应力腐蚀断裂而坠毁 , 死亡 500余人。因此航空材料的腐蚀防护技术研究对航空业的发展具有举足轻重的作用。

航空材料的腐蚀分类

飞行器中包含多种不同的航空材料 , 这些材料的种类不同 ,所处工作环境不同，导致航空材料的腐蚀具有多样性。从腐蚀的类型划分，可分为：环境作用的电化学腐蚀、飞行器主要承力结构的应力腐蚀、高温环境下的发动机高温腐蚀及意外腐蚀。

环境作用下的电化学腐蚀

电化学腐蚀的两个基本条件是电位差和电解质溶液。飞行器结构中，不同的结构由于承担的功能不同，使用不同性质的材料。例如 ,飞行器的蒙皮多采用具有出色延展性而强度相对较低的铝合金，起落架和龙骨梁则多选用高强度的合金钢。不同材料电极电位不同，如果直接接触存在腐蚀的隐患 ; 即便是同种材料，由于材料内部不可避免地存在杂质相或者材料本身即由电极电位不同的多相组成，也有腐蚀的隐患。因此，构成飞行器的航空材料客观上都存有电化学腐蚀的可能。仅有电极电位差 , 而没有在电极间传递电荷的电解质溶液 ,并不会形成导致腐蚀现象的腐蚀电池。

但现实中飞行器的电化学腐蚀现象说明电解质溶液在飞行器中普遍存在。

作为一种中远程的运输工具 , 飞行器的工作特点决定了其工作环境变化远大于其它人造工具。飞行器在工作中时常需要穿越温度、湿度差异较大的气候带 ,特别是我国疆域辽阔，秦岭淮河以南广大地区普遍为亚热带、热带湿润气候，航空材料不可避免地需要在潮湿的气候环境中服役 ; 甚至因为昼夜温差变化，在结构中会因为结露而积水。空气中的C O 2 、S O 2 等气体吸附在铝合金等航空材料的潮湿表面并电离生成电解质溶液，为金属材料发生吸氧腐蚀提供了必要条件。飞行器内存在大量的结构连接间隙，造成电化学腐蚀的蔓延。长期运行在海洋环境中的飞行器的环境腐蚀问题更为突出。海洋环境的特点是空气湿度特别高且大量存在 C l- 离子。 C l - 离子对电化学腐蚀的促进作用远大于 C O 2 、S O 2 , 且 C l-离子可以直接穿透目前大部分抗氧化防护涂层而破坏航空材料。

飞行器主要承力结构的应力腐蚀

应力腐蚀是应力和腐蚀环境共同作用下的材料破坏形式。应力腐蚀仅发生在特定的腐蚀环境和材料体系中，其特点是造成此种破坏的静应力远低于材料的屈服强度 ,断裂形式为没有塑性变形的脆断，且主要由拉应力造成。

以起落架的应力腐蚀为例 ,飞行器的起落架结构为飞行器的主要受力结构之一 , 当飞行器处于停放状态时，起落架的轮轴受拉应力作用，可能在相应的腐蚀介质作用下发生应力腐蚀。起落架材质一般为镀铬的高强钢 ,铬镀层强度高、耐磨但镀层较脆，容易在飞行器起降的交变载荷作用下沿缺陷剥落而失效。由于清洗、结露等原因起落架的轮轴容易积水 ,且杂质容易在起降和清洗过程中附着在轮轴处，形成与之匹配的应力腐蚀溶液 ,造成应力腐蚀。飞行器上容易发生应力腐蚀的部位还包括：

（ 1）厨房和厕所下面的区域。湿气在有地板梁的上缘条上聚集 , 这就使得服役时间越久的飞机越容易出现腐蚀。

（ 2）机身顶部。由于冷凝水在机身上部结构聚集 ,加上受到拉伸应力的作用，更容易产生应力腐蚀断裂。

（ 3）机身下半部。机身下半部结构中在门入口、厨房和货舱门附近区域特别容易出现腐蚀。

（ 4）框架、桁条、止裂带也时常出现。

（ 5）粘接的结构 - 机身蒙皮。人们发现在应力和湿气的情况下 ,热粘接（ 250华氏度）起来的结构有分层的趋势：蒙皮的鼓包、变形或丢失的紧固件头部 ,容易出现蒙皮裂纹。

（ 6）压力隔框。通常出现在隔框上位置最低的地方，特别是排水设备不够或没被维护过的地方。

（ 7）大翼和安定面梁。裂纹曾出现在梁的各种不同位置，而这些位置的腐蚀却非常难以探测、去除和修理。例如，在上蒙皮或下蒙皮和梁缘条的水平片之间 ; 在腹板和梁缘条的垂直片之间；在梁下缘条的水平片的上表面上 ,有聚水构造的地方；缘条上紧固件孔之间。

（ 8）大翼中段、主起落架上面的承压舱板。大翼中段的上表面以及冲压空气整流腔下蒙皮的下表面 ,很容易出现腐蚀。在某型号飞机上，主轮舱前段上部倾斜的承压舱板与大翼中段的后梁相接，这就构成了潜在的聚水构造。

（ 9）特别明显的例子是货舱门平衡弹簧的应力腐蚀断裂。

由于应力腐蚀多发生于飞行器结构的承力结构 ,造成腐蚀的应力远低于材料的屈服强度 ,且没有塑性变形，使其更不易被察觉，造成的后果更具有灾难性。另外 ,氢脆可降低应力腐蚀发生的门槛值。

高温环境下的发动机高温腐蚀

对于发动机而言 , 其主要腐蚀形式为高温氧化腐蚀，见图 1。目前民航发动机的发展趋势是大推力、高效率、低油耗和长寿命。只有提高涡轮进口的燃气温度，才能提供更高的增压比和流量比 ,提高推力并降低油耗。所以发动机涡轮叶片的抗高温腐蚀性能极其关键。对此主要可采取以下几种方法： ①在保证性能的前提下提高叶片材料本身的熔点及高温抗氧化能力； ②采用与基体材料亲和力更好、高温性能更好的抗氧化保护涂层； ③对叶片材料采用“气冷 ”设计 ,令冷却空气在叶片表面形成保护气膜。

图 1　简单的涡轮示意图
( 由左向右温度逐渐降低, 前端温度最高)

目前在航空领域最成熟和应用最广泛的材料是镍基超合金。镍基超合金具有良好的综合机械性能 : 高温强度、室温韧性和抗氧化性 , 但其极限使用温度为 1 100 ～ 1 150℃，已达到其熔点的 85%,再进一步提高使用温度的潜力不大。而当前 , 对新一代高温结构材料的使用温度要求达到 1 600℃左右，按0. 8T m计算材料的最高使用温度 , 则材料的熔点至少需要达到 2 000℃以上。铌（钼）- 硅化物基合金由于其高温强度和低温损伤容限的良好平衡而显示出诱人的应用前景 ,可替代现有的镍基合金超高温材料。因此 ,近年来国内外把铌基和钼基结构材料作为研究开发叶片后继材料的主要方向。

涂层保护方面 , 目前主要是采用等离子喷涂技术和渗铝（硅）涂层。在国内航空发动机领域，等离子喷涂制备热障涂层的工艺已经在某新型航空发动机的涡轮导向叶片和隔热屏等零件上成功应用，并获得了国家科学技术一等奖。同时渗铝（硅）工艺由于相对简单 ,且与新兴的铌（钼）- 硅化物基合金亲和力较好，近年来也得到了长足的发展。

优秀的 “气冷 ”设计可以在使用现有材料的基础上有效降低叶片表面温度数百 K , 但由于冷却需在叶片内部设计气道，并在叶片表面分布足够的气孔，因此不仅要对气道分布进行合理规划 ,还需要对叶片进行复杂的强度设计和试验。

意外腐蚀

飞行器服役中还存在意外腐蚀。这种腐蚀与飞行器的设计、选材及运行环境无关 ,完全是由人为不当操作造成。例如 , 2000年马来西亚航空公司运送一批强酸性的草酰氯至印度。由于托运方瞒报液态强腐蚀性货品，导致发生严重泄漏 ,造成飞机严重受损。飞机因空客公司修理成本估算报告认为飞机已无修理价值而报废。与前述的其它 3种航空材料的腐蚀类型不同 , 通过加强飞行器的管理可完全避免意外腐蚀的发生。

基于型号开发的航空材料综合腐蚀防护体系

腐蚀防护技术伴随飞行器的诞生 , 已经发展多年。自从金属成为飞行器的主要结构材料以来，由于腐蚀导致的飞行器维护成本大增甚至导致机毁人亡的航空事故发生 ,航空材料的腐蚀防护的重要性日益提升。防护技术也从单一的腐蚀零部件修复、更新发展到预先的喷漆、防水保护等。但仍然处于一种被动状态，防护工作相对滞后且时有疏漏 ,缺乏对腐蚀现象的主动控制。

由于航空材料的腐蚀根本上是一种自然现象，无法真正消除而只能加以控制。现代防护技术倾向于保证飞行器在服役期内其航空材料不因腐蚀失效。为达到这个目的，势必需要从型号的总体论证阶段就对航空材料的腐蚀防护进行总体规划，按照飞行器的总体需求编订腐蚀防护大纲（以下简称大纲） ,以此展开该型号的腐蚀防护工作。例如，某型号的飞行器大量使用复合材料，那么大纲中应对复合材料的腐蚀特性做出说明，介绍防护方法并对其必要程度进行分级。当进入到型号的细节设计阶段 ,腐蚀防护人员应根据大纲要求 ,编订结构设计腐蚀防护手册和选材手册。辅助飞行器结构设计人员进行结构设计和选材 ,应避免型号中出现易腐蚀结构和选材失误，并且对腐蚀关键部位进行防护设计。

型号的装配制造阶段 ,腐蚀防护人员应根据大纲要求 ,配合质量保障人员编订生产工艺。避免生产装配过程中不当操作留下腐蚀隐患 , 消除装配过程中产生的残余应力，指导暴露部件的腐蚀防护工作。

在飞行器的服役阶段 ,根据大纲编订腐蚀维护手册，划分航空材料腐蚀维护的等级 , 制定腐蚀问题的检查办法和相应的处理措施，消除飞行器的腐蚀隐患 ,使之正常运行或者建议其退出服役。至此 ,伴随型号开发的分阶段腐蚀防护工作可总结为一个防护体系，其流程如图 2所示。防护体系的建立紧跟型号开发的进度，从大纲出发，层层展开 ,保证航空材料的腐蚀防护工作主动、及时和全面到位。同时 ,防护体系具有自我完善的特点。建立对应的数据库 , 收集型号开发各阶段工作的反馈信息 , 其完备性将随着型号累积而逐步提高。最终可为型号开发工作提供极大的便利，将航空材料的腐蚀破坏危险降到最低。