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一文详解飞机各部位材料的腐蚀与防护

文章来源:未知
发布时间: 2022-08-14 23:15:35 来源:华体会娱乐怎么登陆 作者:华体会娱乐直播
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  飞机材料一旦出现腐蚀问题,不仅会对飞机本身性能的发挥造成阻碍,严重时甚至会对人民的生命以及财产安全造成巨大的损失。腐蚀问题是材料与环境发生作用的表面现象,电化学腐蚀发生在固体材料与电解质溶液中的固液界面,化学腐蚀发生在固体材料与周围气体环境的固气界面。因此系统全面地分析一个腐蚀问题,一方面要具体分析材料的本身特性,即内在各个因素;另一方面要全面分析周围的环境,以及环境中的介质及其存在的状态,即腐蚀的外在因素。

  飞机的腐蚀是由多方面原因造成的。它主要受大气条件和运行环境的影响,涉及到温度、湿度、氧化、有害气体、化学物质等多种因素。这些环境因素对飞机遭受腐蚀的易感性起着主要作用。而且,往往是多种因素组合作用的结果。

  (1)海洋性气候。大气中含有高浓度的盐粒或盐雾,影响因素还涉及到距海面的高度、风速、雨量、温度等。

  (3)雨天。雨水与氧气或其他化学成分与金属表面接触产生化学作用,造成腐蚀。

  (5)高温地区。一方面热空气的腐蚀速度比冷空气大;另一方面,热冷变化使金属表面产生水汽凝结,高温高湿则影响更大。

  由于飞机的运行航程远、跨距大、装载频繁,所以遭受腐蚀影响的环境介质因素较多。最主要的运行环境影响因素有以下几个方面:

  (1)跑道构造。路面铺设的材料选择,砂砾灰尘的多少,路面的污物或玻璃等有害物质。

  (2)跑道污染。指使用化学物质清除跑道的积雪或冰后,遗留下的有害污染物质。

  (3)运行高度。飞机处于低高度环境时间越长,飞机腐蚀越严重。如小型训练飞机,飞行超低空科目时,就会受到这种影响。

  (4)站间行程。飞机起降站间的行程大小,将影响到油箱中燃料凝集的时间和状况,从而影响到微生物在油箱中的生长情况。

  (5)运载货物的类型。例如,活的动物、海洋食物和化学物品等,会直接污染飞机而造成腐蚀。

  如用飞机清洗剂清洁飞机不够彻底,或飞机燃油和润滑油溢出,飞机装载海洋性物质后存在遗留物,飞机厕所清洁剂清洁不彻底等,都会使飞机产生腐蚀。

  飞机机身结构防腐蚀设计时,首先需要对机身内部区域进行腐蚀分区,便于对不同的腐蚀区域采取合适的防腐蚀措施。

  腐蚀分区的第一步是对参考机型在役飞机的腐蚀情况进行统计,根据统计结果对机身内部区域进行腐蚀分区。目前参考机型主要包括波音、空客等主流机型;腐蚀数据主要来源于维修基地定检时的腐蚀维修记录,以及航线常规性例行检查中发现的腐蚀记录。以计数的方法统计腐蚀区域的腐蚀频率,确定易腐蚀区、较易腐蚀区和一般腐蚀区。

  腐蚀分区的第二步是基于腐蚀影响因素进行环境分区。飞机金属结构部件的腐蚀风险取决于该部件所处的环境条件。一般根据区域内水及各种液体积聚的概率、区域的可接近性和损伤风险,将环境条件分为以下三类:

  ①C1类:接触水、湿气,偶然接触其他液体的区域,且具有很高的意外损伤风险区域;

  环境类别仅适用于飞机的内部部件,这些部件在飞行过程中从外部看不到,包括整流罩覆盖的区域。典型民机机身内部环境类别划分如图1所示。

  腐蚀分区的第三步是基于结构重要性进行区域分区,分成重要、较重要、一般部件三个等级。对安全性有重要影响的部件,需提高腐蚀分区等级,加强防护措施。对于机身一些重要结构部件,一旦腐蚀,将导致产品不能完成主要任务,危及人身安全等危险,需定义为重度腐蚀区,比如龙骨梁结构。

  综合上述民机腐蚀分区的三步法,可按照表1的分析步骤,将全机分为轻度腐蚀区、中度腐蚀区以及重度腐蚀区。由于机身内冷凝水线以下区域,机身内壁形成液膜的概率较大,因此冷凝水线以下的区域被定义为中度及重度腐蚀区。冷凝水线的位置可能因为机型不同而不同,典型民机机身内部壁板腐蚀分区示意如图2所示,典型民机机身内部框截面腐蚀分区示意如图3所示。

  在明确了飞机机身内部腐蚀分区之后,还需要明确结构材料分组。目前飞机结构金属材料仍以铝合金、钛合金、耐蚀钢、非耐蚀钢以及铜、铬、镍、铁等合金为主;复合材料主要是指碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。

  飞机结构中存在大量的互相连接、搭接、配合的不同材料。对于飞机结构异种材料接触时,电偶腐蚀现象容易发生。表2列出了各种材料原电池腐蚀活性的递增次序(从上往下、从左往右活性逐渐减弱),表中材料之间对应的数字(0~11)越大代表材料之间越不相容,为方便起见,航空材料按其相似性又可以分为四类(Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类),如表3所示。同类中的不同材料之间一般不会产生严重的电偶腐蚀,不同类材料之间需要考虑电偶腐蚀。两种不同材料的结构接触时,电位差越大,电偶腐蚀速度就越快,就越不相容;电位差越小,电偶腐蚀就越慢,就越相容。故针对同类或不同类的结构之间采取的防腐蚀措施也不相同。

  纯铝的化学性质虽然很活泼,但由于它在空气中易与氧结合,在表面形成一层致密、稳定的氧化铝薄膜(钝化膜),可保护内层金属不再继续氧化,因此纯铝在大气中具有很好的耐蚀性能。但退火态纯铝的抗拉强度相当低,只有45 MPa,因此其使用范围仅局限于飞机结构中受力不大的非结构件。飞机结构上使用的铝合金大致可以分为两种,即可热处理强化的铝合金和不可热处理强化的铝合金。

  常用合金为3A21铝合金,合金中锰为主要合金元素,它具有较高的强度、良好的塑性和工艺性能。

  3A21合金在室温下的组织为a固溶体和在晶界上形成的(α+Al6Mn)共晶体。由于α固溶体与Al,Mn相的电极电位几乎相等,因此合金的耐蚀性较好。

  该类合金的缺点是在冷变形硬化状态下不能用在温度高于100℃的场合,原因是在该条件下,其对应力腐蚀开裂(SCC)的敏感性较高。

  由于主要合金元素镁的密度比铝还小,加上其良好的焊接性能和抗震性能,所以这类合金在航空工业中得到了广泛的应用,常用的有5A02、5A03、5A06等铝合金。

  该类合金的强度一般高于3A21铝锰合金的强度。在实际使用中,该材料呈单相固溶体组织,因此具有良好的耐蚀性能。其在大气、海水中的耐蚀性能优于3A21合金,与纯铝相当;在酸性和碱性介质中,其耐蚀性稍逊于3A21合金。

  该系合金的含镁量越高,强度也越高。但其含镁量不宜过高,应控制在8%(质量分数)以内。原因是当含镁量大于8%以后,如果对其进行退火处理,会在晶界上连续析出Mg5Al8相,导致其耐蚀(晶间腐蚀和应力腐蚀)性能下降。

  这类铝合金可以通过热处理来产生沉淀强化的效果,其强度较高,又称为硬铝合金,是航空上最为重要的结构件材料之一。

  总体上看,铝合金的强度随温度升高而降低,当飞机速度较高时,气动加热会影响铝合金强度。铝合金化后,其耐腐蚀性能减弱,常见的腐蚀形态有点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、剥蚀和应力腐蚀等。

  点蚀是铝合金最常见的腐蚀形态之一,硬铝合金等耐点蚀能力较差。铝合金易产生缝隙腐蚀,因为缝隙内易积存水分和污物,使涂层和包铝层发生水化作用,降低其保护作用。

  Al-Cu、Al-Cu-Mg、Al-Zn-Mg等合金产生晶间腐蚀的倾向较大。晶间腐蚀与热处理工艺有关,采用自然时效腐蚀倾向较低,人工时效腐蚀倾向则较高,而过时效腐蚀倾向又降低。Al-Cu-Mg系硬铝合金中的T6热处理状态比T3热处理状态具有更大的晶间腐蚀敏感性,因此除在高温下工作的构件以外,这类合金一般均采用自然时效处理。

  在飞机结构中,Al-Cu-Mg合金产生剥蚀的情况最多,Al-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg合金也有发生,但在形变Al-Si系中未见发生。

  Al-Cu-Mg系合金是可热处理强化铝合金中最重要的合金系列之一,飞机结构中使用最为广泛的该类合金为2024铝合金,这类合金的主要强化相为S相(CuMgAl2),其次为θ相(CuAl2),通常在T3状态下使用,具有断裂韧性高、抗疲劳裂纹扩展能力强的特点。不过此状态下的抗蚀(晶间腐蚀)性能不够好,薄板一般包铝后使用,也可配合阳极化处理、阿洛丁化学处理进一步提高其耐蚀性能。2000系列中目前最新、性能最好的合金是2524铝合金,其韧性和抗疲劳性能均较2024铝合金有重大改进,已成功应用于B777客机。

  Al-Zn-Mg-Cu系合金中最重要的是7075铝合金,在T6状态下其强度最高,但断裂韧性最低,耐蚀性能(尤其是抗晶间腐蚀和应力腐蚀性能)较差。为了增强其耐蚀性能,需对其进行过时效处理,常见的有T73处理,即首先对铝合金进行固溶处理,然后进行双级时效处理(在较低温度下加热保温一段时间后,再在较高温度下加热和保温一段时间)。经此处理以后,虽然材料的抗拉强度下降大约15%,但是材料的耐应力腐蚀性能和晶间腐蚀抗力却大大提高。7055是目前该系合金中合金化程度最高、强度也最高的铝合金,近期研究成功的T77处理工艺,使该合金在高强度下仍能保持较高的断裂韧性和良好的抗应力腐蚀性能,该种合金已成功应用于B777客机的主体结构。

  需要说明的是,在进行双级时效处理之前,首先应对固溶处理(淬火)的工艺进行严格控制,否则将严重影响材料的抗晶间腐蚀性能。

  钛不但资源丰富,而且具有密度小、比强度高、耐热性高及优异的耐蚀性,此外,钛还具有很高的塑性和优良的冷热加工性能,从而使其在现代工业中占有极其重要的地位,在航空、化工、导弹、航天及舰船等方面,钛及其合金得到广泛的应用。

  钛合金在飞机结构和非结构方面应用广泛(见表4),钛合金在航空领域的广泛应用主要基于以下一个或几个理由:

  钛有较高的强度(退火后,工业纯钛的抗拉强度σb=550~700 MPa),约为铝的6倍,钛同时兼有钢(强度高)和铝(质轻)的优点,因此钛的比强度在结构材料中是很高的。钛的线膨胀系数较小,在高温条件下或热加工过程中产生的热应力小;导热性差,只有铁的1/5;摩擦因数大(μ=0.42),因此切削、磨削加工困难;钛的弹性模量较低,屈服强度高,因此钛及其合金冷变形加工时的回弹性大,不易成形和校直;纯净的钛有良好的可塑性,它的韧性超过纯铁的2倍。

  工业纯钛按其杂质含量不同,可分为TA1、TA2、TA3三个牌号。牌号顺序数字增大,杂质含量增加,钛的强度增加,塑性下降。

  为了提高强度,可在钛中加入合金元素。合金元素融入α-Ti中形成α固溶体,融入β-Ti中形成β固溶体。铝、碳、氮、氧和硼等元素使α与β同素异晶转变温度升高,称为α稳定化元素;而铁、钼、镁、铬、锰和钒等元素使同素异晶转变温度降低,称为β稳定化元素;锡和锆等元素对转变温度影响不明显,称为中性元素。

  根据使用状态的组织,钛合金可分为α钛合金、β钛合金和(α+β)钛合金三类。(α+β)钛合金兼有α和β钛合金两者的优点,耐热性和塑性都较好,并且可进行热处理强化,这类合金的生产工艺也比较简单。因此,(α+β)钛合金的应用比较广泛,其中以TC4(Ti-6Al-4V)应用最为广泛。

  钛合金氧化膜的稳定性远高于铝和不锈钢氧化膜的稳定性。保护膜因机械操作遭到破坏时,能很快恢复。所以,钛及钛合金在很多高活性介质中都具有较高的耐腐蚀能力。

  一般来说,约有12%~16%的飞机基本结构是用合金钢(包括不锈钢)制作的。其最大的优点是具有高强度(见表5)和高弹性模量,其应用见表6。

  强度低于200 KSI认为是低强度,强度高于200 KSI认为是高强度。

  高强度优质合金结构钢在潮湿工业大气、海洋大气等环境中,耐蚀性能比碳钢有所提高。但是,在没有保护措施的情况下,它们仍具有碳钢的各种腐蚀倾向。

  一般把在空气和中性介质中能够耐腐蚀的钢称为不锈钢,而把能在各种侵蚀性较强的介质中工作的耐蚀钢称为耐酸钢。通常把不锈钢和耐酸钢统称为不锈耐酸钢,简称为不锈钢。

  不锈钢的“不锈”只是相对的,在一定的条件下不锈钢也会腐蚀,因此没有绝对“不锈”的不锈钢。按照内部微观组织结构的不同,可以把不锈钢分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢四种。

  马氏体不锈钢是一类含碳量较高的铬不锈钢,其含碳量在0.1%~0.9%范围,含铬量在12%~18%范围。这类钢的特点是含碳量比其他种类不锈钢要高,除添加合金元素铬外,有时还添加少量的钼或镍,如1Cr17Ni2、9Cr18MoV等。马氏体不锈钢比铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的耐蚀性都差,而且含碳量越高,其耐蚀性越差。

  马氏体不锈钢在大气、海水和氧化性介质中耐蚀性较好,但在如硫酸、盐酸等非氧化性酸中不耐蚀。

  马氏体不锈钢抗局部腐蚀能力较低,如对点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀较敏感,对氢脆敏感性大,因此在有可能产生局部腐蚀的环境中,应尽量避免使用。

  铁素体不锈钢是以铬为主要合金元素(质量分数在12%~18%范围),具有体心立方晶体结构的铁基合金,如Cr13、Cr17和Cr25~28等类型,常加入Ni、Mo、Cu、Ti、Nb等合金元素来提高其耐蚀性。

  铁素体不锈钢最突出的特点是在含有氯离子的水溶液中具有优异的抗应力腐蚀能力,这比镍铬奥氏体不锈钢要好得多。普通铁素体不锈钢抗点蚀、缝隙腐蚀的能力较差,可通过提高铬含量来改善其性能,比如当铬含量达25%或以上时,其抗点蚀、缝隙腐蚀的性能会得到改善。另外,也可通过在普通铁素体不锈钢中加入合金元素Mo来提高其抗点蚀、缝隙腐蚀的性能。

  奥氏体不锈钢的含铬量一般在18%以上,含镍量一般在8%以上,且室温具有单相奥氏体组织。奥氏体不锈钢不仅具有优良的耐蚀性能,而且也具有良好的综合力学性能、工艺性能和焊接性能,是不锈钢中最重要、用途最广泛的一类不锈钢。18-8类型不锈钢(即含铬17%~19%,含镍7%~9%)为常见的奥氏体不锈钢。

  点蚀和缝隙腐蚀是奥氏体不锈钢在氯化物环境中常见的局部腐蚀形态,可通过添加合金元素Cr、Mo来提高其耐蚀性能。随着含铬量的不断提高,材料表面钝化膜的稳定性也不断增强。Mo的作用有多种解释,通常认为加入Mo后便于形成可溶性钼酸盐,吸附在金属表面的活性位置上,从而抑制了金属的溶解。奥氏体不锈钢对应力腐蚀开裂(SCC)非常敏感,可通过添加合金元素Ni来降低其敏感性。

  奥氏体-铁素体双相不锈钢的室温组织中同时含有奥氏体相与铁素体相。它既有奥氏体不锈钢所具备的优良的韧性与焊接性能,同时也具有铁素体不锈钢的高强度和耐氯化物应力腐蚀开裂的性能。

  与纯奥氏体不锈钢相比,奥氏体-铁素体双相不锈钢的晶间腐蚀敏感性也较小,即具有很好的抗晶间腐蚀性能。在较低的应力水平下,奥氏体-铁素体双相不锈钢显示出比奥氏体不锈钢更为优异的耐SCC性能,但是随着应力的不断提高,其耐SCC性能逐渐下降,甚至都不如奥氏体不锈钢。奥氏体-铁素体双相不锈钢具有较高的抗点蚀性能。

  总的来说,不锈钢耐蚀性能较高。但是不锈钢在含有氯化物的介质中,由于氯离子的作用,可在不锈钢钝化膜的薄弱区、有缺陷的部位以及有硫化物夹杂或晶界碳化物的地方产生点蚀。在不锈钢构件与其他构件相连的微小缝隙处,易产生缝隙腐蚀。

  复合材料腐蚀主要包括树脂基体腐蚀、增强材料腐蚀、界面腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳。非金属材料,如塑料、橡胶等,不能导电,一般来说耐蚀性能都高于金属材料,所以非金属也被广泛地用作保护层,以提高金属材料的耐蚀性。在飞机材料方面,随着民用飞机的安全性、经济性、舒适性和环保性不断提高,复合材料被大量广泛的使用。如波音B737、空客A320等机型已经使用了以环氧树脂为基体,碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维为增强材料的复合材料。

  飞机复合材料采用的主要纤维品种有碳纤维、硼纤维等,主要基体材料是环氧树脂。飞机中复合材料结构的形式大致有以下几种:附加于金属结构上的增强铺层、缠绕管件组成的框架、复合材料夹层结构、加强或不加强的蒙皮结构、缠绕旋转壳体或压力容器。复合材料结构须满足飞行温度、湿度、紫外线等介质的大气腐蚀环境的要求。

  对于复合材料的构件及机翼前缘、雷达罩等易受雨蚀的部位,飞机在雨中飞行时其迎面受到雨滴的直接撞击,使复合材料构件表面脱黏、破裂且受雨水浸蚀,形成蚀坑甚至使复合材料产生剥离。对于这些部位应采用有效的防雨蚀涂料进行表面防护。

  对有导电要求(如防雷击)的复合材料结构应采用搭接线,不可通过复合材料与金属材料(如铝合金)的直接接触或通过紧固件传导电流。

  在飞机零件设计时,零件表面保护有不同的方式,一般可分成无机防护层(表面处理)和有机涂层(涂漆)两类。零件表面无机防护层主要包括阳极化、化学转化膜、钝化等;零件表面有机涂层主要包括涂刷底漆、面漆、腐蚀抑制剂等。

  (1)阳极化:是一种电化学工艺,可在铝合金材料表面形成一层薄的氧化层,以提高铝合金零件的耐蚀性。根据电化学槽液和成膜种类不同,可分为铬酸阳极化、硼硫酸阳极化等。

  (2)化学转化膜:用阿洛丁(Alodine)化学氧化处理后在铝合金零件表面形成一层非常薄的金属氧化膜,可以增加铝合金零件的抗腐蚀能力。

  (3)钝化:是指金属零件经强氧化剂或电化学方法氧化处理,使表面变为不活泼即钝化的过程。是一种化学处理方法,用以移除表面的污染物,形成一层非常薄的保护性金属氧化涂层,以增加抗腐蚀能力和改善后续有机涂层的粘接力。

  (5)面漆:是一种永久有机漆层,通常用在底漆之后,以获得更好的抗腐蚀能力。

  (6)腐蚀抑制剂:辅助有机屏蔽涂层,用于改进由于冷凝水、水聚集和不同金属装配在一起时的抗腐蚀能力。

  上述零件表面保护可单独使用,也可组合使用,但并不是表面保护越多越好,因为飞机零件设计是一项综合性设计,除了考虑防腐蚀性外,还需考虑工艺性、零件制造效率以及零件制造成本等。所以在明确了飞机机身内部腐蚀分区、机身结构材料分组之后,就可以选择合适的防护措施。同类材料连接和非连接表面保护见表7,铝合金与钛合金、耐蚀钢、蒙乃尔合金、铬镍铁合金、非耐蚀钢连接表面防护见表8。

  复合材料具有密度低、比强度和比刚度高,以及裂纹扩展速率较低等特点,欧美大型飞机机体的结构材料正从以铝合金为主过渡至复合材料为主。复合材料本身耐蚀性能良好,由于本身电位较高,当与其他金属接触时,会使其他金属产生腐蚀。根据表2所示,钛合金或耐蚀钢等与碳纤维复合材料相容,钛合金或耐蚀钢只需按照表7进行表面保护即可;铝合金及非耐蚀钢等与碳纤维复合材料不相容,需按表9进行表面保护。

  另外,对于飞机内部的中度腐蚀区和严度腐蚀区,还将在结构上施加额外的腐蚀防护层,即喷涂腐蚀抑制剂。腐蚀抑制剂能够破坏水膜并抑制腐蚀,将液体渗入结构产生腐蚀的风险降至最低。腐蚀抑制剂应当在完成装配和喷涂之后进行,并涂覆到所有金属表面,且应当超出金属结构零件和相邻的复合材料零件,包括密封剂,用以辅助有机屏蔽涂层,改进由于冷凝水、水聚集和不同金属装配在一起时抵抗腐蚀的能力。

  由于大气污染,空气中含有大量的腐蚀性气体,如硫化氢、二氧化硫等,再加上空气中的尘埃,如不及时清洗,这些腐蚀物就会附着在机身外表,对蒙皮造成表面腐蚀。因此,定期清洗飞机是预防表面腐蚀的最好方法。经常清洗飞机,不仅清洗掉了沉积在飞机表面上的污染物和腐蚀产物,而且能发现轻微的腐蚀和其它可能存在的损伤。

  飞机表面部件的防护主要依靠零部件表面的镀层和涂层,一旦发现出现破损或划伤,应及时进行修复。对无法及时修补的损伤涂层,应使用防腐剂以减缓结构的腐蚀进程。

  在机场使用、停放的飞机时刻受到环境中的腐蚀气氛和介质的侵蚀。露天停放的飞机应蒙好防雨布。同时,飞机是一个复杂的结构,许多地方开敞性很差,容易积水,因此需要保持各通风口、排水口的畅通,同时定期对发动机进行通电、试车以加温除湿。

  “有腐必除、除腐必尽”是防腐工作的基本原则。腐蚀与人的慢性病类似,病发时症状轻微,对本体没有明显影响。但是,如果不掐断源头,小病就会发展成大病,小的腐蚀就会危害飞机的结构,最后成为不治之症,造成机毁人亡的惨剧。

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