飞机结构的腐蚀与防护_吴国涛.pdf

97山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）飞机结构的腐蚀与防护 航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川 成都 610092吴国涛，蒲克强 摘 要 飞机结构的腐蚀防护与控制技术是航空武器装备研究的重要领域，是发展航空武器装备必不可少的技术之一。飞机结构的腐蚀防护与控制贯穿于飞机方案论证、详细设计、生产制造和保障维护的全寿命周期，是一项重要且复杂的系统工程。因此，在飞机结构的设计阶段，就需结合飞机的服役环境，引入大量的防腐蚀设计，来综合提高飞机的抗腐蚀能力，从而保证在服役期间飞机平台的安全性和功能性。本文结合飞机结构常见腐蚀类型和腐蚀发生的原因，提出了飞机结构设计时的腐蚀防护与控制的方法。关键词 飞机结构设计；局部腐蚀；表面防护；腐蚀防护与控制 中图分类号 V222 文献标识码 A 文章编号 1006-7523（2023）02-0097-06DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2023.02.016 收稿日期 2022-08-07 作者简介 吴国涛（1996），男，航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，助理工程师；蒲克强（1987），男，航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，工程师。引 言舰载机长期在舰上使用和存放，必然面临着海洋大气和舰上局部环境的影响，要实现“陆基”向“海基”转变，腐蚀是必须攻克的难题之一。图 1 列出五种飞机分解状态检查的事故累计出现率，腐蚀加速的断裂和磨损也归入到腐蚀的范畴1，统计表明腐蚀在飞机占比近 60%，舰载机发生概率会更高。据统计，美国每年仅因飞机结构的腐蚀损失高达几百亿美元，因海洋等严酷环境造成飞机事故层出不穷，例如，美军 F-16 战斗机的发动机油路控制阀门的电子连接器发生电偶腐蚀，造成 7 架飞机失事；再如，我国海军使用的某型发动机叶片使用 20 h 后就开始腐蚀，导致飞机大面积停飞2。在民航方面，2002 年，台湾华航的一架波音飞机由于金属表面腐蚀损伤而蔓延成金属疲劳，导致在空中发生了机体分解导致坠机的惨烈情况。2008 年，俄空军接连坠毁 2架米格-29，调查结果是由于飞机主承载结构件发生了严重的腐蚀3。国内水陆两栖飞机原型机水轰-5 飞机服役不到三年，就出现大面积较为严重的腐蚀，包括船底结构、机身龙骨梁、框等重要传递载荷结构，严重危及飞行安全4，腐蚀情况如图 2 所示。综上，腐蚀对飞机结构造成极大的危害，不仅带来有巨大的经济损失，还对我们武器装备安全性能带来严重的影响。所以我们应该认识腐蚀，了解腐蚀原理，在飞机结构方案设计时，可以通过腐蚀防护设计来提高飞机结构的抗腐蚀能力，满足飞机使用寿命和安全的要求。一、飞机结构常见腐蚀分类飞机结构发生腐蚀的可能性不仅与材料本身固有的性质相关，还与腐蚀介质的特性和外界条件有关。发生腐蚀现象后，根据破坏形态可分为全面腐蚀和局部腐蚀。从引起材料的质量损失来98飞机结构的腐蚀与防护分析，局部腐蚀造成的损失可能不大，但是局部腐蚀相比于全面腐蚀更隐蔽、危害性也更大。根据各类腐蚀失效事故的调查数据，结果表明局部腐蚀占比高达 80%，局部腐蚀又可分为很多种，最常见的腐蚀形态包括：点蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、剥蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀。1.电偶腐蚀（Galvanic Corrosion）电偶腐蚀指电极电位不同的金属或者金属与碳纤维复合材料结构接触导致的电化学腐蚀5,6。电偶腐蚀原理图如图 3，在飞机结构骨架机械连接后，肯定存在不同电极电位结构会产生接触，而且骨架结构与紧固件之间也可能存在电位差。因此，电偶腐蚀是飞机结构中普遍存在的一种腐蚀形态。所以在飞机结构设计时，相接触的结构尽量选用电位接近的材料，同时避免出现大阴极小阳极的结构形式。图 3 电偶腐蚀原理图图 1 五种飞机分解状态检查的事故累计出现率图 2 典型机身框腐蚀2.缝隙腐蚀（Crevice Corrosion）缝隙腐蚀指结构之间接合面或者紧固件孔壁缝隙内贫氧区与缝隙外部富氧区之间氧浓差导致的电化学腐蚀。缝隙腐蚀原理图如图 4，其中，缝隙内氧气浓度低于缝隙外部区域，电位较低成为阳极区容易被腐蚀。飞机骨架结构之间必然存在微小缝隙，易产生缝隙腐蚀。其不易在孕育期时检查发现，只有发展到一定程度，缝隙内部有大量腐蚀产物聚积，挤压飞机蒙皮等外部结构、导致蒙皮等飞机外表面结构变形、鼓包时才可能检查发现。所以在飞机结构设计时要合理的设计，选用合适耐蚀材料以及提供合理的保护措施。图 4 缝隙腐蚀原理图3.点蚀（Pitting Corrosion）在飞机结构件表面形成的点状或者坑状腐蚀坑称为点蚀。它包括点蚀核的萌生和发展阶段。点蚀成核之后，蚀坑内外部形成大阴极-小阳极，点蚀坑逐渐加深，然后腐蚀产物积聚在蚀坑表面，造成孔内形成闭塞区，使得蚀坑外部氧气浓度高于蚀坑内，蚀坑内部持续被侵蚀7，点蚀原理图如图 5 所示，飞机结构中点蚀坑会导致应力集中可能成为疲劳裂纹源，会大大降低结构件强度；同时比较深的蚀坑，通过打磨清除腐蚀方法无法完成修理，需要切割修理或者更换零部件，其成本高、修理周期长，所以在飞机结构方案设计之初要考虑控制点蚀产生。图 5 点蚀原理图99山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）4.剥离腐蚀（EXCO）剥离腐蚀（Exfoliation Corrosion）简称剥蚀，是合金在腐蚀环境下腐蚀沿着与材料表面平行的晶界方向发展，剥蚀是铝合金型材常常发生的一种腐蚀形式，剥离腐蚀具有如剥皮、鼓泡、粉化等腐蚀的表现形式，能对铝合金结构件产生很大的危害性8，导致铝合金结构材料的强度和塑性大幅度下降，大大降低了铝合金结构件的使用寿命，剥蚀原理图见图6。研究表明剥蚀在飞机上比较常见，其会产生严重后果，然而在飞机结构设计中大量使用铝合金材料，所以必须要加强材料表面防护。图 6 剥蚀原理图5.应力腐蚀（SCC）应力腐蚀（Stress Corrosion Cracking）是指材料在特定环境介质和持续拉应力共同作用下导致的腐蚀开裂。发生 SCC 的三要素为材料、应力和腐蚀环境，其对氢（H）具有较高的敏感性，且在腐蚀环境介质中放置会使合金力学性能大幅度下降。而在实际情况中，有些体系以氢致开裂为主，同样有可能以阳极溶解为主以及两者协同作用9，SCC原理图如图 7。在海洋环境中富含的 Cl-是航空结构件铝合金 SCC 敏感元素，导致结构件来不及探伤检测，迅速开裂破坏。SCC开裂具有很大危害性，危及飞机安全，故在设计时要合理控制应力。图 7 应力腐蚀原理图6.疲劳腐蚀（FC）疲劳腐蚀(Fatigue corrosion)是指在交变应力与腐蚀介质联合作用下发生的破坏现象，只要受到交变载荷和存在腐蚀介质，铝合金就会发生腐蚀疲劳，它是一种危害严重的破坏形式。腐蚀疲劳分两个阶段，一是腐蚀疲劳裂纹的萌生；二是腐蚀疲劳裂纹的扩展过程10，典型腐蚀疲劳开裂见图 8。对疲劳腐蚀的主要影响因素是循环交变应力的频率 f，因为频率 f 越低，腐蚀介质与合金的接触时间越长，腐蚀危害大，频率 f 越高腐蚀作用就越来越小，就接近于纯的机械疲劳。腐蚀疲劳极限远低于抗拉强度，严重影响飞机结构载荷传递，在结构设计时应适当增大截面尺寸，选用合适表面处理方法。图 8 典型腐蚀疲劳开裂综合上述腐蚀类型介绍，飞机腐蚀的根本原因在于材料有一个趋于较为稳定状态的趋势，其中包括氧化物的生成。当腐蚀介质聚集在飞机表面时，为腐蚀的产生创造了合适的条件。腐蚀的发生将导致飞机材料变质、强度减弱，结构性能降低。二、飞机结构腐蚀原因根据腐蚀的现象和规律，分析得出导致飞机结构腐蚀的原因有设计、制造、使用维护和服役环境等方面11。主要因素概括于表 1 中。表 1 飞机结构腐蚀的主要原因原因影响因素设计方面通风、排水、密封；结构缝隙、内腔；异种金属；表面防护系统；材料与工艺选择；应力和变形控制等；制造方面制造工艺及生产质量；表面防护及质量控制；密封、装配、储存和运输等；使用维护可维护性差；表面损伤；对腐蚀损伤定位不对；腐蚀维修措施不正确等；服役环境温度、湿热、盐雾、酸雨以及大气中的 SO2、H2S 和NOx 等环境因素的作用100飞机结构的腐蚀与防护1.结构设计飞机主体结构设计常采用的成熟材料，包括钢、铝合金、钛合金等。在结构设计时，金属材料的合理选择是十分重要并相当复杂的问题，金属材料的选择必须考虑与相应的防腐措施相结合，若没有采取适当的防护措施，不满足材料的防腐准则，会导致该材料制成的结构不满足飞机的强度、刚度、疲劳断裂、损伤容限等设计使用要求。现如今，为达到飞机结构减重的目标的同时，保证飞机具有良好的抗腐蚀性能，趋向于用复合材料替代金属材料，复合材料的设计制造技术在不断发展和进步，复合材料与非相容金属匹配时易出现电偶腐蚀，这也是在结构设计时选材需考虑的因素。2.制造工艺制造过程中的腐蚀防护与控制所涉及的内容是相当复杂和广泛的，在产品生产装配和运输的各个环节都会出现导致零部件抗腐蚀能力下降的现象。如在零件工艺处理过程中，采取不合理的工艺（热处理、表面处理），会导致零部件出现应力集中；零件在工序间进行清洗时，清洗后的零件表面若存在残留腐蚀产物、油污等杂质，会严重降低零件的防腐蚀性能；在加工过程中，可能会出现，零件外表面划伤、残留腐蚀介质、装配应力等现象，若未有效处理，结构零部件容易产生电偶腐蚀、应力腐蚀等现象。3.维护维修飞机在使用过程中，必然面临维护和维修问题，例如在飞机的主要迎风面（进气道唇口、垂尾、前缘等）漆层脱落严重。正常情况下机体表面的漆层也会随着日历寿命的增长而脱落，但是这些区域显然是受气流影响而造成的脱落，在外场保障过程中也会进行漆层的修复，由于现有的漆层粘附力不强，加之一般的操作工艺无法保证漆层质量，因此修复的漆层持续时间都不长，效果不理想。漆层反复脱落恰恰说明这些区域是各迎风面受气动力变化最剧烈或最大的区域，也是对结构强度变化最为敏感的区域。因此如果这些区域产生了腐蚀问题且得不到及时处理，将会严重影响飞行安全。4.服役环境在飞机使用过程中，由复杂的海洋环境、工业大气等综合环境因素作用的结果，容易造成飞机表面涂层损坏，进而发生腐蚀。海军飞机在使用过程中除在沿海地带的陆基机场训练和使用外，还要搭载在舰船出海执行任务，沿海地区和海上环境存在高温、高湿、高盐雾及作用时间长的特点，还遭受海水飞溅、暴雨的袭击，其使用环境十分严酷。据国内外对飞机各系统腐蚀占比的不完全统计数据结果（见图 9），飞机的机体结构发生腐蚀概率占比高达 72%，部分现役飞机主承力和非主承力结构都发生过较严重的腐蚀问题，有的甚至危及飞行安全，这对我们飞机结构防腐蚀设计的需求迫在眉睫。图 9 飞机各系统腐蚀占比三、飞机结构防腐蚀设计原则1.材料选用在飞机结构设计腐蚀控制中，结构受力复杂，所以在选用材料时，要综合环境、载荷等因素来保证选材的合理性，在满足飞机的战术-技术条件时，正确选材是关键步骤之一，也是腐蚀控制的第一步，应遵循以下原则：（1）材料耐蚀性能满足结构件的使用环境要求；（2）材料的物理性能和加工工艺性能满足零部件的设计和工艺要求；（3）选材应兼顾原材料和制造的成本。101山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）2.表面处理减缓结构件腐蚀的重要措施之一就是表面处理，应当按照零部件材料的特性、热处理状态、使用部位和公差配合等因素，选择合适的防腐蚀体系。（1）对于氢脆较敏感的高强度钢等材料，一般用低氢工艺进行处理，在电镀后必须进行除氢处理；（2）对于铝合金零件一般采用硫酸阳极氧化，对于形状复杂无法实现阳极氧化的零件，可采用化学氧化，若要考虑疲劳性能的要求，应采用铬酸阳极氧化；（3）钛合金零件防腐蚀一般情况下不需要进行表面处理，为防止异种金属接触腐蚀采用阳极化或离子镀铝；（4）采用涂层系统提高零部件的抗腐蚀能力时，应考虑底漆和面漆之间配合使用效果，底漆与密封胶也应相互配套。3.零件设计零件设计应满足以下要求：（1）避免零件存在残余应力，对于应力腐蚀敏感的材料，在详细设计时合理控制应力水平，在设计锻造零件时保证轧制方向与主应力方向一致；（2