1、飞机飞机1104胡尉胡尉材料腐蚀的基本概念材料腐蚀的基本概念腐蚀是一种自发过程腐蚀是一种自发过程。腐蚀是由于环境作用引起的材料的破坏和变质腐蚀是由于环境作用引起的材料的破坏和变质。从这个定义可以看出，材料（或结构）是否会发生腐蚀破坏，既取决于材料本身的性质，也与环境有关。导致材料发生腐蚀的环境因素构成了腐蚀环境。腐蚀环境包括总体环境（大气环境）和工作环境。随着非金属材料（塑料、橡胶，以及树脂基复合材料等）越来越多地用作工程材料，非金属材料的环境破坏现象也越来越引起人们的重视。因此，腐蚀科学家们主张把腐蚀的定义扩展到所有材料（金属和非金属材料）。环境因素可以是机械的、物理的或化学的。如载荷造成的
2、断裂和磨损，光和热造成的老化，氧化剂造成的氧化等。从这个意义来说，所有的材料破坏都可认为是腐蚀。这是腐蚀的广义概念。但由机械的或物理的因素造成的材料或结构破坏，以及某些材料的老化等破坏形式，有专门的研究方法。所以通常所说的腐蚀是指由于环境因素与材料之间发生化学反应造成的破坏。这是腐蚀的狭义概念。 研究材料腐蚀的重要性研究材料腐蚀的重要性材料腐蚀问题遍及国民经济的各个领域。从日常生活到交通运输、机械、化工、冶金，从尖端科学技术到国防工业，凡是使用材料的地方，都不同程度地存在着腐蚀问题。腐蚀给社会带来巨大的经济损失，造成了灾难性事故，耗竭了宝贵的资源与能源，污染了环境，阻碍了高科技的正常发展。一、
3、腐蚀给国民经济带来巨大损失一、腐蚀给国民经济带来巨大损失以金属材料为例，每年由于腐蚀而造成的经济损失约占国民经济生产总值的2%4%。这些损失中包含了腐蚀的直接损失和间接损失，包括了浪费的材料和能源、腐蚀引起的原材料或产品的流失或污染、因腐蚀失效而损失的设备和结构、腐蚀降低设备性能造成的损失、因腐蚀造成的误工停产、因腐蚀导致的维修费用、控制腐蚀带来的费用，和因腐蚀造成的毒害物质泄漏所污染环境的治理费用等等。二、腐蚀事故危及人身安全二、腐蚀事故危及人身安全腐蚀引起的灾难性事故屡见不鲜，损失极为严重。例如1965年3月，美国一输气管线因应力腐蚀破裂着火，造成17人死亡。日本1970年大阪地下铁道的管
4、线因腐蚀断裂，造成瓦斯爆炸，乘客当场死亡75人。1985年8月12日，日本的一架波音747飞机由于构件的应力腐蚀断裂而坠毁，造成500多人死亡的惨剧。三、腐蚀浪费宝贵的资源和能源三、腐蚀浪费宝贵的资源和能源据统计，每年由于腐蚀而报废的金属设备和材料相当于年产量的10%40%，其中1/3是无法回收的废渣。腐蚀对自然资源是极大的浪费，同时还浪费了大量的人力和能源。四、腐蚀引起严重的环境污染四、腐蚀引起严重的环境污染由于腐蚀增加了工业废水、废渣的排放量和处理难度，增多了直接进入大气、土壤、江河及海洋中的有害物资，因此造成了自然环境的污染，破坏了生态平衡，危害了入民健康，妨碍了国民经济的可持续发展。五
5、、腐蚀问题会阻碍技术发展五、腐蚀问题会阻碍技术发展如果腐蚀问题解决得好，就能起到促进作用；例如，不锈钢的发明和应用，促进了硝酸和合成氨工业的发展。反之，如果腐蚀问题解决得不好，则可能妨碍高技术的发展。美国的阿波罗登月飞船贮存N204的高压容器曾发生应力腐蚀破裂，经分析研究，加入0.6%的NO之后才得以解决。美国著名的腐蚀学家方坦纳（Fontana）认为，如果找不到这个解决办法，登月计划会推迟若干年。以上事实说明，材料的腐蚀研究具有很大的意义。材料的腐蚀控制材料的腐蚀控制实践告诉人们，若充分利用现有的防腐蚀技术，广泛开展防腐蚀教育，实施严格的科学管理，因腐蚀而造成的经济损失中有30%40%是可以
6、避免的。但在目前仍有一半以上的腐蚀损失还没有行之有效的防浊方法来避免，这就需要加强腐蚀基础理论与工程应用的研究。腐蚀控制的方法很多，概括起来主要有：1.根据使用的环境，正确地选用金属材料或非金属材料；2.对产品进行合理的结构设计和工艺设计，以减少产品在加工、装配、贮存等环节中的腐蚀；3.采用各种改善腐蚀环境的措施，如在封闭或循环的体系中使用缓蚀剂，以及脱气、除氨和脱盐等；4.采用电化学保护方法，包括阴极保护和阳极保护技术；在基材上施加保护涂层，包括金属涂层和非金属涂层。5.除此之外，在可能的条件下，实施现场监测和监控手段及技术理和行政管理，使材料发挥最大的潜能。 航空器包括很多不同种类的航空材
7、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。1.1 环境作用下的电化学腐蚀环境作用下的电化学腐蚀 电位差与电解质溶液是形成电化学腐蚀的两个基本条件。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。材料不同，它们的电极，如果接触就有可能产生腐蚀的隐患；就算是同种类的材料，由于其内部杂质的存在或其自身就是由不同电极电位多相组成。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
8、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。承力结构应力腐蚀 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。发动机的高
9、温腐蚀 发动机的主要腐蚀表现形式是高温氧化腐蚀。推力大、效率高、油耗低、寿命长是航空发动机发展趋势。只有对涡轮进口燃气温度进行提升，才能供给出需要的增压比与流量比，实现提升推力的同时降低油耗。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:保障性能前提之下，提高叶片材料本身的熔点及高温抗氧化能力;使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。 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。比如机上承载强腐蚀性物质，发生泄漏而造成飞行器发生腐蚀。通过编制详细的操作流程与有关部门加强监督管理，并制定相应
10、的强制性规定规范，并由专人进行负责落实便可完全避免人为因素而造成的腐蚀现象。高强度航空材料在力学 - 环境因素的交互作用 下可能会发生应力腐蚀而导致灾难性的事故。因此开展应力腐蚀的测试和研究是腐蚀和防护的一项重 要内容。目前已经发展了一些应力腐蚀敏感性的测 试标准 37 。这些试验标准在研究新研材料和引进 飞机材料的应力腐蚀性能方面发挥了重要作用 8 。 另外也有人设计了一些非标准的应力腐蚀试验来模 拟试件的服役条件 ,试验的结果与实际情况符合的 较好 9 。由于实际的应力腐蚀往往发生在大气环境中,所以设计了一种便携式拉伸应力腐蚀试验器 10 ,用于开展户外大气应力腐蚀的研究。图 2是试验器结
11、构示意图。 飞机结构往往由多种材料构成,在一定条件下不同材料的相互接触会导致接触腐蚀和电偶腐蚀。研究 者对钢与铝合金和钛合金接触时的电偶腐蚀和防护方 法进行研究 11, 12 ,得到了很多对实际工程有指导价值的结论。随着复合材料在航空产品上得到应用,复合材料和金属材料接触时所引起的相容性问题开始得到人们的重视,并提出了一些防护措施 13, 14, 15 。 某型飞机承力框下半框 7A04T6铝合金与橡胶软油箱接触部位发生了严重腐蚀裂纹故障。研究表明 16 :这是由于在一定条件下橡胶抗老化涂层对铝合金的接触腐下,几种橡胶抗老化涂层对铝合金的接触腐蚀作用。图 3表明的不同涂层对于接触腐蚀有不同的作
12、用 ,因此必须重视非金属材料和金属材料的接触腐蚀。 蚀所致。图 3是在相同相对湿度条件。飞机维护与腐蚀防护计划飞机维护与腐蚀防护计划要加强与腐蚀控制有关的维护工作。在维护工作中，应制定和实施腐蚀防护计划。腐蚀防护计划应包括以下内容：1.经常清洗飞机除去污垢；2.清洁内部，以确保泄流通道及阀门畅通；3.迅速清除溢溅到水银，以及碱、酸等化学品；4.发生火灾后及时清除灭火材料残余和燃烧痕迹；5.注意保养防护性涂层和密封胶；6.注意施涂和补充润滑剂和缓蚀剂；7.注意检查和排除易导致腐蚀发生的条件。细细则则1.保养防护涂层防护涂层系统是对抗腐蚀侵袭的第一道防线，必须保持良好的状况。防护涂层出现损伤后应及
13、早修理。防护涂层的作用机理包括：阻止（或限制）环境与基体之间的接触；释放出一些能抑制环境对基体破坏的物质；产生能保护基体的电流。2.保养和更新密封胶、腻子和整形剂飞机结构中广泛使用各种密封胶，腻子和整性剂，应按需要进行保养与更新。密封剂的作用包括：密封油箱（BMS5-26）、密封防火墙（BMS5-63）、填充结构中的缝隙和气动整形（BMS5-95或BMS5-142）、防腐（BMS5-95）。安装异种金属紧固件时应用湿胶安装。腻子主要用于填平小凹坑，防止积水。一般用BMS5-125 I型（硬）或II型（软）两种。整形剂一般用于门或紧急出口的周边结构，以提供给压力密封垫平缓的承力面。3.使用缓蚀剂
14、缓蚀剂能明显地降低腐蚀速率。常用的缓蚀剂符合BMS 3-23规范。这类缓蚀剂与金属表面的亲和力比水大，能够渗入孔隙之中，将已存在的水置换出来，可大大减缓腐蚀。所以这些缓蚀剂又称作水置换型缓蚀剂。4.润滑接头的抗磨损面、轴承及操纵索必须定期润滑。特别是在用高压水或蒸汽清洁后，必须重新加润滑油脂。应避免在需要润滑的表面使用渗透性的缓蚀剂，否则缓蚀剂可能会置换掉润滑剂。特别要注意操纵索的维护。操纵索是用镀锡的碳钢丝制成的。在操纵索上面有一薄的油脂层以防磨和防腐。如果这个油脂层被洗掉或变质，湿气就会进入，将导致磨损与腐蚀。擦拭操纵索时不能使用溶剂，否则索丝内部的润滑剂可能会被洗掉，失去润滑会导致严重的
15、磨损。清洁操作索后，要沿全部长度施涂润滑脂，再用碎布擦试，使索套内留下薄而连续的油脂膜。5.维护排水设施排水通道与排水阀必须进行周期性的检查，以保证有效。飞机上使用的排水阀的结构见图3.5。在清理腐蚀与恢复保护系统过程中，要保证排水管、孔、阀不被腻子、胶或其他碎屑堵塞。6.清洗飞机清洗飞机必须正确地操作，否则反而会加重腐蚀。因为大多数清洗方法会洗去缓蚀剂或润滑脂。清洗后要重加缓蚀剂与润滑剂时，应注意要先加缓蚀剂，后加润滑剂。否则润滑剂会被缓蚀剂冲淡。使用强碱性的重垢清洗剂去污后，必须用清水彻底冲净，否则会引起铝合金的严重腐蚀。清洗时要慎用有机溶剂，防止溶剂渗入某些敏感区域，损伤那里的缓蚀剂或润
16、滑脂。清洗时要合理掌握操作温度及压力，采用经批准的清洁材料（应满足D6-17487，飞机维修材料测试规范的要求）。清洗频率应依经验及具体环境确定。一般建议周期为：温和区90天，中度区45天，严重区15天。7.运输活动物、海产品等特种货物时的防护当用飞机运输活的动物等海产品时，如处理不当，动物的粪便、泄漏的海水等会给飞机结构带来严重腐蚀。装运这些货物前，要尽量拆除内部材料，特别是容易吸潮的材料。作为防护措施，可使用缓蚀剂。运输或动物时要注意通风，防止舱内温度过高和湿度过大。必须安装防水地板、舱壁防护板和吸收粪便的材料，动物必须安放在畜圈中，以保持其相对安定与舒适。运输鲜鱼等海产品时，作业人员应遵
17、守打包标准，尽量使用密封容器。 货物码放、绑扎要合理，防止包装破裂，腐蚀性物质泄漏。8.意外泼溅的清理水银会使铝合金发生快速且严重的损伤，水银泼溅要及时处理。确保所有的水银痕迹都要除掉。其他液体的泼溅，在未知其结果的情况下，必须作为危险及可能有害的情况加以处理，尽快清理，以避免更大范围的污染。在电池舱，会发生酸液和碱液泼溅，对人员和结构均有害，必须及时控制处理。9.火灾后的清洁燃烧产物和灭火剂的残留可能会与潮气结合形成很强的腐蚀因素。因此，火灾后的现场必须尽快清洁。去除烧焦或起泡的涂层。彻底清除所有的燃烧痕迹。去除所有因火灾而损伤或疑似损伤的部件。打开全部排水通道、口盖和舱门，利于清洗液排出和
18、通风。10.油箱的维护以下预防措施可以减少或避免微生物生长和微生物腐蚀：在每天的首次飞行前进行排污除水，并检查排出的水中是否有粘液存在；无论何时进入油箱，都要检查是否有微生物生长的迹象，并检查以确保排污管及排水孔的清洁；一旦发现，就必须彻底清除微生物；使用灭菌剂水溶液连续浸泡来杀灭微生物，灭菌效果可保持较长时间。11.重要部件的连接耳片、螺栓和销钉在耳片表面、孔内壁及衬套，以及销钉杆和螺栓杆等处易发生腐蚀，对结构完整性是严重的威胁和破坏。所有的螺栓、销钉和衬套都必须进行防腐安装，如采用带防腐底漆或密封胶的湿装配。而且防护涂层系统、胶、润滑剂、缓蚀剂等必须保持良好状态。航空发动机高温防护涂层 航
19、空发动机所用的高温防护涂层一般可分成扩散涂层(diffusion coatings)和包覆涂层(overlay coatings)。目前我国已经发展出多种发动机部件所使用的镍镉扩散涂层、渗Al，Al+S i料浆涂层、Pt-Al涂层、包覆型M Cr Al X涂层、热障涂层、抗氧化防脆化涂层、封严涂层等, 部分涂层进入批量生产阶段。MC r A IY 涂层是一种包覆性涂层, 它克服了传统铝化物涂层与基体之间互相制约的弱点,进一步提高了发动机材料的抗氧化的能力。 随着航空燃气轮机向高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展, 燃烧室中的燃气温度和压力不断提高, 我国开展了热障涂层( thermal b
20、arrier coatings,简称TBC s) 的研究。热障涂层是由陶瓷隔热面层和金属粘结底层组成的涂层系统。ZrO2 是目前陶瓷隔热面层中研究最多的成分。热循环试验证明柱状晶组织较普通的纤维状组织具有更高的抗热疲劳性能，另外我国还开展了纳米陶瓷热障涂层的研究。表面强化 表面强化工艺技术涉及到各种金属材料(钢、铝合金、钛合金、高温合金、金属基复合材料等)，对于不同的晶体结构(面心立方、体心立方、密排六方)有多种不同的强化方法和工艺参教；同时根据航空高强度构件外形的几何形状不同，选择不同工艺参教和前后顺序的搭配方式。但是，所有强化工艺处理后材料都会因为塑性变形引起表层组织结构、残余应力和硬度的
21、梯度以及表面形貌等发生变化，起到降低外加拉应力和应力集中系数的作用，从而对耐磨性和疲劳性能产生影响。电子束表面处理是利用高能量密度的电子束对材料表面进行加工，是不同于机械加工的一种新型加工方法悄。1 2I，其中电子束物理气相沉积以及电子束表面处理等在工业上的应用最为广泛。电子束加工方法起源于德国，经过几十年的发展，目前全世界已有几千台设备在核工业、航空航天工业、精密加工业及重型机械等工业部门应用，现已完全被工业部门所接受。电子束表面改性技术是20世纪70年代才发展起来的新技术。电子束表面改性处理包括金属材料的表面淬火、表面合金化、表面清洗及熔覆、薄极退火，以及半导体材料的退火和掺杂等。目前，电
22、子束表面非晶态处理及冲击淬火等先进处理工艺的研究也已经在世界各国广泛展开。激光冲击强化(Laser Shock Pening，LSP)技术是一种利用激光冲击波对材料表面进行改性，提高材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能的技术。目前激光冲击技术在工程中应用最广泛的领域是合金材料的表面强化，与滚压、喷丸、冷挤压等材料表面强化处理的方法相比，激光冲击强化处理具有非接触，无热影响区和强化效果显著等突出的优点。其原理是当短脉冲(十几纳秒)的高峰值功率密度(大于109Wcm2)的激光辐射金属靶材时，金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高温(大于10000K)、高压(大于1GPa)的等离子体，该
23、等离子体受到约束层约束时产生高强度压力冲击波，作用于金属表面并向内部传播。材料表层就产生应变硬化，残留很大的压应力。激光束经过凸透镜聚焦后，功率密度可以达到150 GWcm2，接着，大部分激光能量将被涂层吸收，能量转化成冲击波的形式，透明物质水即所谓限制层，它将基体和基体表面的涂层包覆起来。我国的腐蚀和防护研究在过去为我国航空工业的发展做出了应有的贡献,在腐蚀机理和测试、航空发动机高温防护涂层以及表面处理和防护技术等方面都取得了不小成绩。未来将重点发展自然环境试验、材料环境适应性、腐蚀控制技术及其应用、航空发动机高温腐蚀和防护技术和腐蚀和防护的管理等方面。 1蔡健平, 陆峰, 吴小梅. 我国航空材料的腐蚀与防护现状与展望 J . 航空材料学报, 2006, 26(3):271-275.2耿德平，宋庆功.航空材料腐蚀疲劳研究进展.腐蚀与防护J，2011，32(3):206-209.3 张晓云, 孙志华, 汤智慧, 等. TA 15钛合金与铝合金接触腐蚀与防护研究 J . 材料工程, 2004,(2): 26- 28,31.4崔坤林.航空材料的腐蚀问题与防治对策.硅谷J,2012,4:34-35. 5杨洪源, 刘文. 民机结构外露关键部位涂层加速腐蚀环境谱研究 J . 航空学报, 2007, 28( 1): 90- 93
