嚴酷環境中飛機異種材料連接結構的防腐蝕措施
2022-01-14 01:54:16
changyuan
裝備的腐蝕與使用環境密切相關，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、平尾等異種金屬或導電非金屬材料對接或相互接觸的部位由于防護不足，發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境中的腐蝕情況，統計發現飛機異種材料連接結構的腐蝕約占飛機總腐蝕的60%以上。
在嚴酷環境中，飛機異種材料連接結構處的涂層會提前失效，出現鼓包、開裂、粉化，甚至出現基體腐蝕，對于飛機某些關鍵結構部位，一旦產生腐蝕將嚴重影響后續的腐蝕修理，也會給飛行安全帶來嚴重隱患。
嚴酷環境特點
我國地域遼闊，具有內陸、海洋、寒帶、溫帶、亞熱帶等各種氣候環境，各地氣候以及大氣中各種腐蝕介質含量的差異，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”綜合特點的環境，這類地區有時還存在極強降雨和強臺風，環境非常惡劣。
飛機等裝備在此嚴酷環境中使用，腐蝕速率及故障率會成倍增加，飛機典型結構材料和機載成品等在嚴酷環境中的暴露試驗結果表明，飛機在此環境中的腐蝕/老化速率是在內陸地區的10~15倍；典型飛機防護涂層在重慶、青島等地區戶外大氣中暴露5年也無明顯老化現象，但在此嚴酷環境中暴露1年就明顯失光，出現腐蝕。
異種材料連接結構
目前，飛機常用異種材料的連接結構主要有兩種。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；或者材料A與材料B和材料C之間為螺接或鉚接狀態。
（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
根據近年來飛機腐蝕情況的統計結果，一些飛機在早期防腐蝕設計時，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境中的使用，這導致飛機的腐蝕呈現“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構的腐蝕非常突出，主要表現如下：
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異種金屬材料在連接或對接縫隙處發生腐蝕
嚴酷環境中，材料連接或對接縫隙處易積存鹽分、水汽、凝露等，形成腐蝕介質，若不及時處理，對接處或縫隙處極易出現腐蝕，如表面涂層出現鼓包、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生腐蝕
在嚴酷環境中，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，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，腐蝕介質如果滲入到螺釘孔，螺釘與蒙皮接觸部位就易發生電偶腐蝕。腐蝕發生時，螺釘孔邊的涂層首先出現鼓包，如果受到強紫外線照射，涂層易發生脆化，再加上氣流的作用，鼓包的涂層就會發生撕裂、掉塊等現象。
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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。在嚴酷環境中，破損的邊緣易吸潮吸濕，形成腐蝕介質，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生腐蝕，出現鼓包、開裂，甚至掉塊等。
腐蝕原因及影響因素
導致飛機結構腐蝕的原因錯綜復雜。就嚴酷環境中典型飛機異種材料連接結構的腐蝕而言，主要有三方面：
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結構抗腐蝕設計的“先天不足”是嚴酷環境中飛機腐蝕的根本原因
飛機在抗腐蝕設計時，尤其是早期機型，并未考慮飛機長時間在嚴酷環境中的使用，主要體現在以下三方面：
① 表面防護涂層結構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，在嚴酷環境中服役1~2年就會出現明顯的失光、失色，甚至出現腐蝕。
② 施工工藝存在缺陷。如鋁合金結構表面通常采用陽極化后噴涂底漆，但裝配前會鉆連接孔，必然會破壞結構表面的完整性，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，噴涂的防護涂層經常出現薄厚不均、結合力低，腐蝕介質滲入后，短時間內就會產生腐蝕。
③ 結構密封排水設計缺陷與措施不合理的問題普遍存在。雖然有些結構采用了密封排水處理，但其有效性和環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計不合理，盡管采用了密封膠條或膩子布密封處理，還經常出現滲漏水、積水、潤滑脂變質和結構腐蝕等現象。
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異種材料間存在電偶腐蝕，加速了腐蝕的發生和發展
在飛機異種材料連接結構中，由于存在縫隙，嚴酷環境中，腐蝕介質容易滲入并長期滯留其中，形成腐蝕介質，同時異種材料相互接觸，存在腐蝕電位差，產生電偶腐蝕。
發生電偶腐蝕需要3個基本條件：
① 存在腐蝕性電解質溶液；
② 在同一腐蝕介質中存在電位差異較大的異種金屬或導電非金屬；
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系和相互依存。發生電偶腐蝕時，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、使用環境和腐蝕介質電導率及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，腐蝕也會發生，且隨著電位差的增大，電流會趨于一個極限值。
從使用環境看，在嚴酷環境中，尤其是干濕交替環境，溫度升高，濕度增大，都會加快飛機連接結構的陰、陽極的反應，增大腐蝕速度。對于腐蝕介質電導率，一般介質電導率越大，腐蝕越嚴重。在大氣環境中，飛機連接結構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，腐蝕介質的pH與電偶腐蝕也息息相關，尤其在酸雨地區，飛機連接結構的腐蝕成倍增加，對于鋁合金連接結構件，當腐蝕介質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；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，大多數飛機仍處于“飛少停多”的狀態，飛機維護措施是否完善，對飛機結構的腐蝕至關重要。一些飛機在早期設計時并未考慮到在嚴酷環境中的長期使用，飛機使用維護規程等技術文件中缺少關于針對嚴酷環境中飛機連接結構的腐蝕檢查及維護措施，且腐蝕預防與控制技術手段不完備。此外，現有的飛機腐蝕修理工藝和技術標準，只適用于一般環境而非嚴酷環境。
另外，飛機在嚴酷環境中使用，氣流、雨水等對異種材料連接結構的沖刷作用，也是加速飛機產生腐蝕的原因之一。
腐蝕防護措施
目前，飛機結構的腐蝕防護措施很多，如選用合適的結構材料和設計以降低電位差，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構的腐蝕防護，應從防護效果、施工難易和經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計
合理的結構選材及連接部位防腐蝕設計是非常重要的，可以從源頭遏制腐蝕的發生。
（1）在結構選材時，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相同或電位差（電偶序）相近的材料。可以參考GJB 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）在結構設計過程中，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。如蒙皮結構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。結構設計時，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）由不同金屬材料或導電非金屬材料組成的構件，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，可根據使用條件、設計要求、使用維護的方便性和經濟性原則，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，可以使材料間產生絕緣，避免產生腐蝕電池，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，防止產生腐蝕電解質。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生和發展，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。依據飛機在嚴酷環境中的使用情況和異種材料連接結構的腐蝕特點，制定針對性的腐蝕檢查大綱，并結合日常維護工作，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，阻止其在材料表面聚集而產生腐蝕電解質，能有效減少產生腐蝕的外在因素，起到抑制或減緩腐蝕的作用。清洗應嚴格按照維護手冊規定，采用專用清洗劑，要特別注意異種材料連接結構在縫隙和搭接區域的徹底清洗和干燥。嚴酷環境中飛機的清洗周期約為7天。
（3）加強干燥除濕工作。濕度是發生異種材料連接結構腐蝕的重要條件之一，干燥除濕可以有效減少和降低腐蝕。嚴酷環境中，濕度大且雨水多，要利用空調機或除濕機等定期對飛機的內外表面、設備艙、起落架艙等部位進行通風干燥、除濕，去除飛機表面和內部的潮濕空氣。嚴酷環境中，干燥除濕周期為1~2天。
（4）局部腐蝕修復。一旦發現腐蝕損傷，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展。局部腐蝕修復應不破壞原結構的可檢性，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定的區域，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 語
（1）嚴酷環境中，飛機結構的腐蝕普遍且嚴重，整體呈現出“早、快、廣、重、難、險”六大特點，異種材料連接結構的腐蝕是飛機結構的主要腐蝕形式，給飛機的使用、維護和飛行帶來了難度和安全隱患。
（2）嚴酷環境中，飛機異種材料連接結構的腐蝕主要表現在連接結構的縫隙處腐蝕、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，主要原因是結構抗腐蝕設計“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）針對嚴酷環境中飛機異種材料連接結構腐蝕的特征和原因，提出了結構選材及抗腐蝕細節設計、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境中的腐蝕，確保飛行安全。