航空材料的腐蚀问题与防治对策

摘 要： 随着我国国民经济的快速发展，航空航天领域的发展步伐也不断加大。航空材料对于航空航天行业来说，是保障航空飞行安全与人们生命财产不受损害的先决条件。腐蚀是自然界中常见的一种自然现象，对航空材料的安全使用构成一定的影响，所以解决好航空材料的腐蚀问题并研究其防治对策，是航空航天行业非常重要的研究课题。对航空材料的腐蚀类型、研究现状及相关防治对策、体系作简单的论述。

关键词： 航空材料；腐蚀；防治

中图分类号：V250.2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220034－02

腐蚀现象在人们在社会生产及使用到的各种材料中都普遍存在，因为腐蚀所导致的原材料无法使用给社会带来了不可估量的各方面损失。航空材料由于其工作的环境复杂多变，构成材料互相配合的影响，在飞行器制空、停放阶段都会受到种类繁多、程度不一的腐蚀，导致飞行器运营成本的增加，对其功能的完整性与使用的安全性构成严重危害。有调查资料显示，每年因航空材料腐蚀的问题，而造成的大量修理、维护费用，甚至航空器重大坠毁事故的数量都不在少数。所以对航空材料腐蚀问题及防治措施的研究，对于航空业发展有着至关重要的作用。

1 航空材料腐蚀类型与相应措施

航空器包括很多不同种类的航空材料，这些材料所处的工作环境各不相同，导致对航空材料产生腐蚀的原因也是多种多样的。腐蚀类型可分为以下几种。

1.1 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。在飞行器的结构之中，承担功能的不同，所以不同结构所使用的材料性质也不同。比如，飞行器的表面材料大多使用具优良延展性、相对强度低的铝合金材料、起落架及龙骨梁则选用强度高的合金钢材料。材料不同，它们的电极电位也不同，如果它们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，因此也存在着腐蚀隐患。因此从航空材料的构成来说，客观就可能存在着电化学腐蚀问题。

作为中远程运输的交通工具，飞行器工作的特点直接决定了它的工作环境的变化要大于其他交通工具。飞机在工作中经常穿越温度、温度相差很大的气候地带，尤其是我国幅员广阔，有着亚热带及热带湿润型气候，航空材料难以避免的要在潮湿的环境中工作，还会因为昼夜温差的变化，在结构中积水。空气里的二氧化碳、二氧化硫等气体包附在航空材料的表面，发生电离而产生电解质溶液，使航空材料产生吸氧腐蚀现象。同时飞行器内部有大量连接间隙，形成电化学腐蚀蔓延。

1.2 承力结构应力腐蚀

它是指应力与腐蚀环境的共同作用下对材料的破坏方式。应力腐蚀只会发生在特定腐蚀环境与材料体系之中，它的特点是造成破坏的静应力大大低于材料屈服强度，断裂形式是不产生塑性变形的脆裂，拉应力是其主因。

以飞机起落架应力腐蚀例，起落架是飞行器主要受力结构之一，当飞行器停放时，起落架轮轴受到拉应力的作用，可能在腐蚀介质下产生应力腐蚀现象。起落架的材质通常为镀铬高强钢，其强度高、耐磨损但硬度较脆，易在飞行器的起降突变负荷作用下缺陷掉落而失去效果。清洗、结露等会使起落架轮轴积水，其杂质也容易在起降或是清洗时附在轮轴位置，形成应力腐蚀溶液，从而造成应力腐蚀。在飞行器上易产生应力腐蚀部位还有：厨房、厕所下方区域，湿气的长期聚焦，容易出现腐蚀；机身顶部，由于冷凝水聚集作用再加受拉伸应力，易产生应力腐蚀；机下下部，舱门口、厨房、货舱附近的部位易出现腐蚀；框架、桁条及止裂带；机身蒙皮，在应力、湿气双重作用下，产生蒙皮鼓包、变形、丢失紧固件，易出现裂纹；压力隔框，经常出现于位置较低部位，尤其是排水设施不够及未维护的部位；大翼及安定梁，对梁上各种位置腐蚀的探测、修理非常困难；翼中段、承压舱板；货舱门的平衡弹簧应力性腐蚀。

1.3 发动机的高温腐蚀

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。所以发动机的涡轮叶抗高温腐蚀的性能非常关键。对此可采取几种方法进行防护：保障性能前提之下，提高叶片本身熔点和高温抗氧化的能力；使用与基体材料具有良好亲和力、高温性能佳的保护涂层；采用气冷技术，令冷却的空气在涡轮叶片表面构成保护型气膜。

镍基超合金是当前在航空航天领域中发展最成熟、应用最广泛的材料。它具备优良的综合机械性：高温强度、室温的韧性及抗氧化性能，但它的极限应用温度为1100至1150摄氏度，已达其熔点85%，再提升其使用温度潜力较小。现今对新型高温结构的材料使用温度要达到1600摄氏度左右，铌、钼基硅化物合金因其在高温强度与低温损伤的容限良好平衡，而显示出巨大的发展前景，可代替目前的镍基合金材料。所以最近几年国内外将铌、钼基结构的材料作为研发涡轮叶片继承材料的主方向。

在涂层保护领域，目前大多使用等离子喷涂技术、渗铝或硅涂层。在我国航空用发动机行业，用等离子喷涂制作热障涂层的技术已经在新型航空用发动机涡轮叶片与隔热屏等部件上成功被应用。同时渗铝、硅技术由于工艺简单、与新材料亲和力佳，也得到了相应的大发展。

好的气冷设计可以在现有材料基础之上对叶片表面温度进行有效降温，但因冷却必须在叶片的内部进行气道设计，并在叶片表面布置相当数量的气孔，不但要合理规划分布气道，还要对叶片实施相对复杂的强度实验与设计。

1.4 意外腐蚀

飞行器在工作中还会遇到意外腐蚀的情况，这种情况与飞行器本身材料、设计、工作环境没有关系，根本就是人为原因而造成的。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。

2 航空材料腐蚀与防治研究

我国对航空材料腐蚀与防护研究、应用于上世纪50年代开始，经过这些年的发展，取得了一定的成果。

2.1 自然环境

这种研究是在极端的环境或是典型的环境条件之下，对航空材料进行适应性研究。在户外的暴露实验是其基本方法，也是研究的基础。我国对航空材料上常用的铝合金材料进行了户外暴露实验。研究结果表明，铝合金经过3年暴露在海洋、工业、湿热地区和潮湿大气中后，会在表面产生腐蚀物。

2.2 户内加速实验

自然环境户外暴露实验是评估材料在大气中腐蚀程度的方法，但其实验周期长，还不足以满足材料的研制、腐蚀的控制、防护材料研究的要求。为满足我国航空航天领域对迅速评估材料环境的适应性要求。我国某研究院研发了综合环境实验机，并相应发展出了针对航空铝合金材料的综合加速实验表谱。研究显示，与传统加速实验相比较，该综合加速能更好模拟航空用铝合金材料的大气腐蚀现象。

2.3 腐蚀机理与测试技术

航空材料在力学与环境因素的双重影响下可能诱发因应力腐蚀而造成重大事故，所以开展相关应力腐蚀测试与研究是一项重要内容。当前已经发展出了部分应力腐蚀敏感的测试标准。这些标准在研究航空材料和飞行器应力腐蚀问题上起着重要的作用。

2.4 发动机高温防护

发动机的高温防护涂层通常可分为扩散及包覆涂层两种。我国目前研发出许多种发动机的部件使用涂层，如渗AL、AL-SI料浆涂层、MCRALX包覆型涂层、封严涂层等等，其中有些已经批量生产。

2.5 表面处理

当前在航空航天业中普遍采用的表面处理技术有电镀、阳极化、缓蚀用剂等等。为满足航空行业需要，我国对高强度的钢低氢脆无氰镀镉进行应用研究。研究发现其各项指标均好于氯化铵镀镉镀层。

防腐蚀涂层是目前提高飞行器适应性最重要的手段之一，我国防腐蚀涂层也正朝着高性能、环保的方向发展着，国内防腐蚀密封剂等方面也取得了较大进步。

3 航空材料腐蚀问题防治体系

腐蚀防护技术已经过多年的发展。从金属成为航空器的结构主材料以来，由于腐蚀原因造成的相关维护成本大大增加，甚至导致严重的航空事故，航空材料腐蚀的防护技术重要性日益提高。腐蚀防护技术从单纯的对腐蚀零部件进行修复到预防性的喷保护漆及防水保护等。但依然处于被动的状态，腐蚀防护工作相对落后，而且时常会有疏漏情况，缺乏对腐蚀的主动控制。

航空材料的腐蚀从根本上说是自然现象，无法真正的避免其出现，只能利用有效手段进行控制。现代的腐蚀防护技术偏向保证航空器在使用寿命内其材料不会因为腐蚀原因而失去效果。为更好的实现这个目标，必须要从对型号的论证时期就对航空材料腐蚀防护的工作进行总体性的规划，按飞行器总体需要编制防护大纲，并以此开展该型号飞行器的腐蚀防护操作。

如：某型号飞行器中大量采用了复合材料，那么所编制的大纲中应该对复合材料腐蚀的特性做出详细说明，介绍其防腐蚀方法并对其进行分级；到细节设计的阶段时，专业技术人员要依据大纲的要求，编制结构防护腐蚀手册与先材手册，对飞行器设计人员实行结构设计与选材上的辅助作用，以避免在飞行器中出现容易腐蚀的结构与选材工作的失误，并对易腐蚀的关键部位进行详细的防护设计；在装配制造阶段，专业防护人员必须根据大纲的要求，配合质保人员编制生产工艺，避免在生产、装配过程中因不当操作而造成腐蚀隐患，消除其过程中的残留应力，并对暴露部件腐蚀的防护工作加以指导；在飞行器服役时期，编制腐蚀维护的相关手册，对航空材料腐蚀的维护等级进行切分，制定相应的腐蚀检查方法与其处理措施，最大程度消除飞行器腐蚀隐患，使之运行正常。至此，从飞行器的型号开发到正常使用，其防腐蚀工作可作为一套防护体系。

防护体系还应具有自我完善的功能，建立相应的数据资料库，将从型号开发往后各阶段的工作反馈资料收集入库，资料库的完整性随着型号的积累而稳步提升，最终可以为腐蚀防护工作提供极大的帮助以及理论实践的基础，将腐蚀带来的航空材料的破坏降到最低。

4 结语

对航空材料的腐蚀有四种，如果任其发展，任意一种都将造成灾难性的航空事故。我国目前对航空材料的腐蚀及防治研究已经取得了一定的成果，但仍然需要积极引入、研发防腐蚀的各类新技术，从飞行器的设计选型到交付使用的整个过程、阶段都积极应用、推广防腐蚀的新技术，以保障航空材料的质量，为我国航空航天事业的发展提供有力的理论及实践基础。

参考文献：

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[2]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）.

[3]耿德平、宋庆功，航空材料腐蚀疲劳研究进展[J].腐蚀与防护，2011，3（32）.

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