严酷环境中飞机异种材料连接结构的防腐蚀措施
2022-01-14 01:54:16
changyuan
装备的腐蚀与使用环境密切相关，腐蚀对装备的危害极大，不仅会降低装备的使用寿命，还会严重影响和制约装备的战技性能和使用安全。近年来，飞机越来越频繁地服役于高温、高湿、高盐雾和强紫外线的严酷环境中，随着服役时间的增加，飞机的腐蚀速率大增，飞机机身、机翼、垂尾、平尾等异种金属或导电非金属材料对接或相互接触的部位由于防护不足，发生腐蚀的情况越来越普遍。
近两年来，笔者跟踪和收集了某型飞机在严酷环境中的腐蚀情况，统计发现飞机异种材料连接结构的腐蚀约占飞机总腐蚀的60%以上。
在严酷环境中，飞机异种材料连接结构处的涂层会提前失效，出现鼓包、开裂、粉化，甚至出现基体腐蚀，对于飞机某些关键结构部位，一旦产生腐蚀将严重影响后续的腐蚀修理，也会给飞行安全带来严重隐患。
严酷环境特点
我国地域辽阔，具有内陆、海洋、寒带、温带、亚热带等各种气候环境，各地气候以及大气中各种腐蚀介质含量的差异，对飞机的腐蚀影响也各不相同。
本文所指的严酷环境是整体呈热带海洋季风性气候，年均气温27~28℃、平均相对湿度80%以上、氯离子沉降量达到1.0mg/（100 cm2·d）以上且年均辐照量大于6000MJ/m2，具有高温、高湿、高盐雾和强辐照“三高一强”综合特点的环境，这类地区有时还存在极强降雨和强台风，环境非常恶劣。
飞机等装备在此严酷环境中使用，腐蚀速率及故障率会成倍增加，飞机典型结构材料和机载成品等在严酷环境中的暴露试验结果表明，飞机在此环境中的腐蚀/老化速率是在内陆地区的10~15倍；典型飞机防护涂层在重庆、青岛等地区户外大气中暴露5年也无明显老化现象，但在此严酷环境中暴露1年就明显失光，出现腐蚀。
异种材料连接结构
目前，飞机常用异种材料的连接结构主要有两种。如图1所示，A、B、C为异种材料，材料A和材料B为搭接或胶接状态；或者材料A与材料B和材料C之间为螺接或铆接状态。
（a） 搭接或胶接
（b）螺接或铆接
图1 飞机常用异种材料的连接形式
主要腐蚀特征
根据近年来飞机腐蚀情况的统计结果，一些飞机在早期防腐蚀设计时，受限于已定的材料、防腐蚀涂层、施工工艺和考核验证，并未考虑其在严酷环境中的使用，这导致飞机的腐蚀呈现“早、快、广、重、难、险”六大特点，即腐蚀起始时间早、速度快、范围广、损伤程度重、维护保障难、安全风险大，尤其是飞机异种材料连接结构的腐蚀非常突出，主要表现如下：
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异种金属材料在连接或对接缝隙处发生腐蚀
严酷环境中，材料连接或对接缝隙处易积存盐分、水汽、凝露等，形成腐蚀介质，若不及时处理，对接处或缝隙处极易出现腐蚀，如表面涂层出现鼓包、开裂、粉化、掉块和脱落等，若两种材料的电位差较大，低电位材料会作为阳极，出现电偶腐蚀，进一步加剧腐蚀。如在飞机上广泛使用的钛合金与其他金属连接或接触时，由于钛合金电位较高，与其相连的低电位金属首先出现腐蚀，如图2和图3所示。
图2 进气道唇口处腐蚀
图3 进气道防护网拉杆腐蚀
此外，高电位的不锈钢材料与铝合金蒙皮接触，蒙皮会首先出现腐蚀，如图4所示。
图4 加油口周围腐蚀
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蒙皮紧固件螺钉孔发生腐蚀
在严酷环境中，飞机蒙皮表面紧固件螺钉孔的腐蚀普遍且严重，尤其是一些工艺口盖由于装配或经常打开，螺钉与螺钉孔的缝隙密封变差甚至缝隙增大，更大的缝隙易吸湿、吸潮后形成腐蚀介质，飞机蒙皮上的螺钉主要为30CrMnSiA钢，蒙皮一般为2024、LY12CZ等铝合金，根据GJB 1720-1993《异种金属的腐蚀与防护》，2024、LY12CZ等铝合金比30CrMnSiA钢更加活泼，铝合金蒙皮电位低于钢螺钉电位，腐蚀介质如果渗入到螺钉孔，螺钉与蒙皮接触部位就易发生电偶腐蚀。腐蚀发生时，螺钉孔边的涂层首先出现鼓包，如果受到强紫外线照射，涂层易发生脆化，再加上气流的作用，鼓包的涂层就会发生撕裂、掉块等现象。
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垂尾和水平尾翼边缘处的腐蚀
复合材料在飞机上的应用非常广泛，目前飞机的垂尾和水平尾翼几乎都采用复合材料，其边缘处大多是在复合材料表面喷金属铝后再涂防护层，但由于气流冲击等因素的作用，边缘防护层极易破损。在严酷环境中，破损的边缘易吸潮吸湿，形成腐蚀介质，而复合材料电位普遍高于表面喷的金属铝，因此边缘处的铝层容易产生腐蚀，出现鼓包、开裂，甚至掉块等。
腐蚀原因及影响因素
导致飞机结构腐蚀的原因错综复杂。就严酷环境中典型飞机异种材料连接结构的腐蚀而言，主要有三方面：
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结构抗腐蚀设计的“先天不足”是严酷环境中飞机腐蚀的根本原因
飞机在抗腐蚀设计时，尤其是早期机型，并未考虑飞机长时间在严酷环境中的使用，主要体现在以下三方面：
① 表面防护涂层结构防腐蚀涂层体系的抗老化与防护性能较差。有些型号的飞机，在严酷环境中服役1~2年就会出现明显的失光、失色，甚至出现腐蚀。
② 施工工艺存在缺陷。如铝合金结构表面通常采用阳极化后喷涂底漆，但装配前会钻连接孔，必然会破坏结构表面的完整性，装配时裸露的连接孔通常也未进行密封防护处理，满足拧紧即可，尤其是经常要开启的表面口盖的螺栓孔，腐蚀严重。另外飞机蒙皮连接部位的缝隙处，喷涂的防护涂层经常出现薄厚不均、结合力低，腐蚀介质渗入后，短时间内就会产生腐蚀。
③ 结构密封排水设计缺陷与措施不合理的问题普遍存在。虽然有些结构采用了密封排水处理，但其有效性和环境适应性并没有得到试验验证。如机翼对接部位由于密封防水设计不合理，尽管采用了密封胶条或腻子布密封处理，还经常出现渗漏水、积水、润滑脂变质和结构腐蚀等现象。
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异种材料间存在电偶腐蚀，加速了腐蚀的发生和发展
在飞机异种材料连接结构中，由于存在缝隙，严酷环境中，腐蚀介质容易渗入并长期滞留其中，形成腐蚀介质，同时异种材料相互接触，存在腐蚀电位差，产生电偶腐蚀。
发生电偶腐蚀需要3个基本条件：
① 存在腐蚀性电解质溶液；
② 在同一腐蚀介质中存在电位差异较大的异种金属或导电非金属；
③ 金属或非金属间存在导电连接。
这3个条件既相互独立又彼此紧密联系和相互依存。发生电偶腐蚀时，阳极反应为金属失电子变成金属离子，而阴极则是H2O和O2得电子生成OH-，或是H+得电子生成H2，电偶腐蚀基本原理如图5所示。
图5 电偶腐蚀基本原理
影响电偶腐蚀的主要因素包括腐蚀电位差、使用环境和腐蚀介质电导率及pH等。从腐蚀电位差来看，一般情况下，电位差越大，腐蚀越严重。当两种金属的腐蚀电位差＞0.25V时，就会产生电偶腐蚀；复合材料与金属材料耦合时，若电位差＞50mV，腐蚀也会发生，且随着电位差的增大，电流会趋于一个极限值。
从使用环境看，在严酷环境中，尤其是干湿交替环境，温度升高，湿度增大，都会加快飞机连接结构的阴、阳极的反应，增大腐蚀速度。对于腐蚀介质电导率，一般介质电导率越大，腐蚀越严重。在大气环境中，飞机连接结构的腐蚀首先集中在离接触点较近的阳极表面上，形成局部腐蚀，而后随着溶液电导增大，逐渐形成均匀腐蚀。
此外，腐蚀介质的pH与电偶腐蚀也息息相关，尤其在酸雨地区，飞机连接结构的腐蚀成倍增加，对于铝合金连接结构件，当腐蚀介质pH小于4时，pH越低，腐蚀速度越大；pH为4~9时，与pH几乎无关；当pH为9~14时，随着pH增加，腐蚀加速。
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外场使用维护措施不完善也是产生腐蚀的主要原因
就目前我国一些飞机的使用情况，大多数飞机仍处于“飞少停多”的状态，飞机维护措施是否完善，对飞机结构的腐蚀至关重要。一些飞机在早期设计时并未考虑到在严酷环境中的长期使用，飞机使用维护规程等技术文件中缺少关于针对严酷环境中飞机连接结构的腐蚀检查及维护措施，且腐蚀预防与控制技术手段不完备。此外，现有的飞机腐蚀修理工艺和技术标准，只适用于一般环境而非严酷环境。
另外，飞机在严酷环境中使用，气流、雨水等对异种材料连接结构的冲刷作用，也是加速飞机产生腐蚀的原因之一。
腐蚀防护措施
目前，飞机结构的腐蚀防护措施很多，如选用合适的结构材料和设计以降低电位差，采用涂、镀层的表面处理以增大接触电阻，采用密封或使用惰性材料填充等使金属间绝缘等。然而每种防腐蚀措施，都有其应用范围和条件，对于飞机异种材料连接结构的腐蚀防护，应从防护效果、施工难易和经济效益等方面综合考虑。
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合理选材及连接部位防腐蚀设计
合理的结构选材及连接部位防腐蚀设计是非常重要的，可以从源头遏制腐蚀的发生。
（1）在结构选材时，要减少异种金属的连接或相互接触，若不可避免，应尽量选用电位差或电偶序相近的材料，如选择飞机蒙皮上紧固件时，在满足性能和功能要求的前提下，尽量选择与蒙皮材质相同或电位差（电偶序）相近的材料。可以参考GJB 1720-1993《异种金属的腐蚀与防护》中金属及合金在3.5% NaCl溶液中的电偶序的排序。
（2）在结构设计过程中，尤其是当镁合金、铝、锌及合金与铜、钛合金、不锈钢等互相连接时，应在连接点或面采取适当措施，防止电偶腐蚀。如蒙皮结构件的搭接处应密封铆接，蒙皮尽量按顺气流方向，由前搭后、由上搭下，并在搭接宽度的贴合面间涂有高黏结力密封剂进行密封铆接等；另外在装配时，螺钉尽量选用湿装配的方式等。结构设计时，还要考虑飞机在使用过程中应便于维护、维修和更换，也要考虑密封、排水、除湿的问题，选用的绝缘材料和密封材料要求不吸水、不含腐蚀性成分等。
（3）由不同金属材料或导电非金属材料组成的构件，应尽量避免大阴极（电位较正的材料）、小阳极（电位较负的材料）的组合，尽可能增大阳极面积，减少阴极面积。如用作导电连接件，连接前应在异种金属间垫入相容的金属垫片，或者在阴极零件表面镀覆一层与阳极零件相容的金属镀层；不作导电的连接件，连接前应在异种金属间垫入不吸水、吸潮的非金属垫、衬垫或密封胶等。
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表面防护方法
当两种材料不允许直接接触，而又必须选用时，可根据使用条件、设计要求、使用维护的方便性和经济性原则，采取表面防护措施，避免两种材料直接接触。
（1）涂、镀层的表面防护。利用有机涂层的高阻隔屏蔽性能将金属面与电解质隔离，将阴阳极物理屏蔽以阻止或减缓金属的腐蚀。而镀层是用耐蚀性较强的金属或非金属来覆盖耐蚀性较弱的金属，将主体金属与腐蚀性介质隔离以达到防腐蚀的目的，材料表面涂、镀层是目前防止腐蚀最经济和应用最普遍的方法。
（2）密封剂和惰性材料等隔离防护。如果条件允许，可以采用密封剂和惰性材料填充在异种材料间，可以使材料间产生绝缘，避免产生腐蚀电池，能有效阻止腐蚀。
（3）缓蚀剂和润滑油脂等防护。缓蚀剂具有优异的水置换性能和防锈性能，涂覆在材料表面，可去除表面水分和盐分，并很快形成一层透明的膜，防止产生腐蚀电解质。利用缓蚀剂和润滑油脂等可以进行短期和临时的腐蚀防护。
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维护与局部腐蚀修复
严酷环境中，加强飞机的使用维护和腐蚀修复也是减少和控制飞机腐蚀发生和发展，提高装备可靠性的重要措施。
（1）加强日常维护中的腐蚀检查。依据飞机在严酷环境中的使用情况和异种材料连接结构的腐蚀特点，制定针对性的腐蚀检查大纲，并结合日常维护工作，定期进行腐蚀检查（检查周期一般约为10天）。
（2）飞机定期清洗。清洗可以去除表面腐蚀介质，阻止其在材料表面聚集而产生腐蚀电解质，能有效减少产生腐蚀的外在因素，起到抑制或减缓腐蚀的作用。清洗应严格按照维护手册规定，采用专用清洗剂，要特别注意异种材料连接结构在缝隙和搭接区域的彻底清洗和干燥。严酷环境中飞机的清洗周期约为7天。
（3）加强干燥除湿工作。湿度是发生异种材料连接结构腐蚀的重要条件之一，干燥除湿可以有效减少和降低腐蚀。严酷环境中，湿度大且雨水多，要利用空调机或除湿机等定期对飞机的内外表面、设备舱、起落架舱等部位进行通风干燥、除湿，去除飞机表面和内部的潮湿空气。严酷环境中，干燥除湿周期为1~2天。
（4）局部腐蚀修复。一旦发现腐蚀损伤，必须采取临时防护和有效补救性措施及时进行局部修复，防止腐蚀的进一步发展。局部腐蚀修复应不破坏原结构的可检性，修复时不应引起二次腐蚀。修复前，先评估腐蚀损伤性，对于没有超过飞机修理手册中规定的区域，可以涂覆缓蚀剂作为临时修补手段；腐蚀损伤刚好接近容许极限时，需要进行补强修复，并缩短腐蚀检查间隔，加强监控；若腐蚀损伤已影响到飞机正常使用和飞行安全，且不能进行局部修复，必须进行部件更换。
结 语
（1）严酷环境中，飞机结构的腐蚀普遍且严重，整体呈现出“早、快、广、重、难、险”六大特点，异种材料连接结构的腐蚀是飞机结构的主要腐蚀形式，给飞机的使用、维护和飞行带来了难度和安全隐患。
（2）严酷环境中，飞机异种材料连接结构的腐蚀主要表现在连接结构的缝隙处腐蚀、蒙皮紧固件螺钉孔边腐蚀和飞机垂尾、水平尾翼的边缘腐蚀等，主要原因是结构抗腐蚀设计“先天不足”、异种材料间存在电偶腐蚀和外场使用维护措施不完善等。
（3）针对严酷环境中飞机异种材料连接结构腐蚀的特征和原因，提出了结构选材及抗腐蚀细节设计、表面防护体系、使用维护和局部腐蚀修复等综合防护措施，尽可能减少、降低和避免飞机在严酷环境中的腐蚀，确保飞行安全。