21世紀(jì)以來，航空航天事業(yè)的發(fā)展進(jìn)入新的階段，將會推動航空航天材料朝著質(zhì)量更高、品類更新、功能更強(qiáng)和更具經(jīng)濟(jì)實(shí)效的方向發(fā)展。航空材料與航空技術(shù)的關(guān)系極為密切，航空航天技術(shù)的發(fā)展必然離不開與其相對應(yīng)的航空航天材料的發(fā)展，航空航天材料在航空產(chǎn)品發(fā)展中具有極其重要的地位和作用。用于航空航天材料制造的許多零件往往需要在超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕等極端條件下工作，有的則受到重量和容納空間的限制，需要以最小的體積和質(zhì)量發(fā)揮在通常情況下等效的功能，有的需要在大氣層中或外層空間長期運(yùn)行，不可能停機(jī)檢查或更換零件，因而要有極高的可靠性和質(zhì)量保證，不同的工作環(huán)境要求航空航天材料具有不同的特性。優(yōu)良的耐高低溫性能、耐老化和耐腐蝕、適應(yīng)空間環(huán)境、壽命和安全是航天航空領(lǐng)域里材料研究的幾項(xiàng)重要課題。

 

    01 艦載機(jī)的腐蝕失效及其預(yù)防

 

    航空母艦艦載機(jī)是航母最為主要的攻擊武器。艦載機(jī)在海洋環(huán)境下服役，它不同于陸基飛機(jī)，不僅受到海洋氣氛、海水及持續(xù)的干 / 濕交替循環(huán)的侵蝕，還會受到艦艇燃燒廢氣、艦載機(jī)發(fā)動機(jī)廢氣等的腐蝕，特別是這些廢氣與海洋鹽霧組合成 pH 值達(dá)到 2.4 ～ 4.0 范圍的高酸性潮濕液膜，使得其受到的環(huán)境腐蝕問題相當(dāng)?shù)貒?yán)峻。如我軍某艦載直升機(jī)的服役壽命不及陸上的 20%; 某型飛機(jī)由于不適應(yīng)海南的高溫濕熱環(huán)境，出勤率低于 20%，這些充分說明海軍航空艦載機(jī)遭受腐蝕的嚴(yán)重性。

    腐蝕問題給裝備帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失，資料表明，美國海軍估計(jì)每年用于腐蝕防護(hù)及研究的費(fèi)用在 20 ～ 30 億美元，其中飛機(jī)部件的防腐費(fèi)用占到全年維修費(fèi)用的 1/3。腐蝕不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也影響到裝備的安全使用。如美海軍 F14 飛機(jī)前起落架汽缸支柱上發(fā)生腐蝕導(dǎo)致一等事故，從而造成F14 雄貓飛機(jī)全面停飛。

 

    艦載機(jī)腐蝕失效常見模式及其特點(diǎn)

 

    艦載機(jī)在實(shí)際工程應(yīng)用中，主要的腐蝕失效模式包括點(diǎn)蝕、絲狀腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和氫脆 5 種。

    點(diǎn)蝕

 

    點(diǎn)蝕是腐蝕表面呈點(diǎn)坑狀，腐蝕點(diǎn)多、比較淺，但發(fā)生在表面有限面積上的腐蝕，其腐蝕很深、成巢穴。

    發(fā)生點(diǎn)蝕損傷與金屬構(gòu)件表面組織結(jié)構(gòu)的不均勻性，尤其與表面的夾雜物、表面保護(hù)膜的不完整性有關(guān)。點(diǎn)蝕坑的擴(kuò)展不僅包括金屬的溶解過程，而且包括通過已溶解的金屬離子的水解使腐蝕坑底部具有較高的酸度使坑底擴(kuò)展這一過程。

    點(diǎn)蝕坑邊沿基本比較平滑，因腐蝕產(chǎn)物覆蓋，坑底呈深灰色，很多時(shí)候由于腐蝕產(chǎn)物覆蓋，從表面無法看到點(diǎn)蝕坑的存在。垂直于蝕坑表面觀察，蝕坑多呈半圓形或多邊形，螺栓長期使用后表面出現(xiàn)腐蝕坑，即為典型的皮下變形閉口蝕坑。很多腐蝕坑由于腐蝕產(chǎn)物覆蓋其特征不明顯，清洗后則清晰可見。

    點(diǎn)蝕并不一定擇優(yōu)沿晶界擴(kuò)展。菊花形點(diǎn)蝕坑往往外小內(nèi)大， 猶如蟻穴般，所以點(diǎn)蝕損傷對金屬結(jié)構(gòu)件的危害很大。

    點(diǎn)蝕多發(fā)生在與表面生成鈍化膜的金屬材料上（如不銹鋼、鋁、鋁合金）或表面有陰極性鍍層的金屬上（如碳鋼表面鍍錫、銅、鎳）。點(diǎn)蝕導(dǎo)致的失效大多都是氯化物或含氯離子的氯氣所引起的，特別是次氯酸鹽的腐蝕性更強(qiáng)。

    溶液中的氯離子濃度越高，合金越易于發(fā)生點(diǎn)蝕。而艦載機(jī)正是處于氯離子濃度很高的環(huán)境中，F(xiàn)/A-18 飛機(jī)即存在點(diǎn)狀腐蝕。

    絲狀腐蝕

 

    絲狀腐蝕是一種在氧濃差控制下的電化學(xué)腐蝕，一般發(fā)生在涂漆的鋁底層。

    絲狀腐蝕先以涂膜的破損處（如從艦載機(jī)的緊固件周圍和涂覆層已經(jīng)破裂的蒙皮邊緣）開始，首先形成點(diǎn)狀腐蝕，在點(diǎn)蝕處，由于凝結(jié)水膜、氧及腐蝕介質(zhì)的作用，腐蝕向周邊膜下擴(kuò)展，凝點(diǎn)在擴(kuò)展中形成了氧濃差電池致激發(fā)絲狀腐蝕的形成。

    絲狀腐蝕的產(chǎn)生主要與環(huán)境、表面涂料、金屬基表面處理工藝等因素有關(guān)。

    如環(huán)境因素中，相對濕度較大有利于絲狀腐蝕產(chǎn)生。研究表明，鋁合金在相對濕度大于 80% 時(shí)，絲狀腐蝕的絲跡隨著相對濕度的增加而加寬。此外，腐蝕介質(zhì)中的氯離子、二氧化硫等對絲狀腐蝕的產(chǎn)生和發(fā)展起著促進(jìn)作用。

    艦載機(jī)機(jī)身蒙皮出現(xiàn)不同程度的絲狀腐蝕， 不但增加了飛機(jī)的防腐維修費(fèi)用，而且，絲狀腐蝕可能會導(dǎo)致點(diǎn)腐蝕和晶間腐蝕，甚至?xí)＜帮w機(jī)的飛行安全。

    晶間腐蝕

 

    晶間腐蝕是腐蝕沿晶界發(fā)生并擴(kuò)展。晶間腐蝕不僅降低材料的機(jī)械性能，而且由于難以發(fā)現(xiàn)，易于造成突然失效。

    大多數(shù)的金屬和合金，如不銹鋼、鋁合金，由于碳化物分布不均勻或過飽和固溶體分解不均勻，引起電化學(xué)不均勻，從而促使晶界成為陽極區(qū)而在一定的腐蝕介質(zhì)中發(fā)生晶間腐蝕。金屬構(gòu)件的晶間腐蝕損傷起源于表面，裂紋沿晶擴(kuò)展。

    晶間腐蝕的一種常見的形式是剝落腐蝕，也稱為層狀腐蝕。這類腐蝕大多出現(xiàn)在平面狀的鋁合金中。

    應(yīng)力腐蝕

 

    應(yīng)力腐蝕是指金屬構(gòu)件受拉應(yīng)力作用并在特定介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力的共同作用所導(dǎo)致的腐蝕。飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，鋁合金、鋼等結(jié)構(gòu)件（如框梁、緊固件、卡箍等）大多數(shù)都承受拉應(yīng)力的作用，并且均在一定腐蝕氣氛環(huán)境下服役，因此，應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致開裂也是飛機(jī)結(jié)構(gòu)，特別是艦載機(jī)結(jié)構(gòu)中常見的一種失效模式。由于應(yīng)力腐蝕開裂是典型的滯后破壞形式，對于結(jié)構(gòu)的安全危害很大。

    金屬構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂需具備3 個(gè)條件：材料的應(yīng)力腐蝕敏感性、特定腐蝕環(huán)境和拉伸應(yīng)力。應(yīng)力腐蝕是一種局部腐蝕，而且腐蝕裂紋常常被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，從外表很難觀察到。裂紋源處常有腐蝕產(chǎn)物或點(diǎn)蝕坑，表明應(yīng)力腐蝕裂紋源于點(diǎn)蝕、晶間腐蝕等化學(xué)損傷缺陷。應(yīng)力腐蝕斷口的微觀形態(tài)可以是解理或準(zhǔn)解理、沿晶斷裂或混合型斷裂。應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展過程中會發(fā)生裂紋分叉現(xiàn)象。影響構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂失效的因素是多方面的，包括材質(zhì)因素、環(huán)境因素和受力狀態(tài)等。

    氫脆

 

    由于氫滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致?lián)p傷，從而使金屬零件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力作用下導(dǎo)致的失效稱為氫致?lián)p傷，亦稱氫脆。氫脆是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件（如緊固件等）的重要失效的形式之一。由于氫脆多為脆性斷裂，失效無法預(yù)先判知，危害很大。

    氫脆根據(jù)氫的來源不同，可分為內(nèi)部氫致?lián)p傷和環(huán)境氫致?lián)p傷。內(nèi)部氫致?lián)p傷是指材料在冶煉、電鍍、酸洗等工藝過程中，由于氫滲入金屬內(nèi)部，同時(shí)在工作應(yīng)力或殘余應(yīng)力的作用下出現(xiàn)的氫致?lián)p傷。環(huán)境氫致?lián)p傷是指在緊固件在使用環(huán)境下氫滲入金屬內(nèi)部，并在拉應(yīng)力作用下出現(xiàn)的氫致?lián)p傷。

    氫脆斷裂多發(fā)生在應(yīng)力集中處，斷口微觀形貌一般顯示沿晶斷裂，也可能是穿晶斷，斷裂具有延遲性，并且其工作應(yīng)力主要是拉應(yīng)力，特別是三向靜拉應(yīng)力。高強(qiáng)度鋼氫脆沿晶斷裂晶面上典型的“雞爪痕”特征。影響緊固件氫致延遲開裂的因素較多，包括氫含量、工藝因素，材料組織狀態(tài)、材料強(qiáng)度、應(yīng)力因素等。

    艦載機(jī)腐蝕失效及其預(yù)防

 

    由腐蝕導(dǎo)致飛機(jī)構(gòu)件失效的微觀機(jī)理包括晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氫脆、腐蝕疲勞等。產(chǎn)生腐蝕的原因主要是：

    ①構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷；②制造構(gòu)件材料的工藝狀態(tài)不合理；③制造構(gòu)件的材質(zhì)選擇不當(dāng)。根據(jù)因飛機(jī)構(gòu)件腐蝕失效造成事故的幾個(gè)具體案例，闡述飛機(jī)構(gòu)件腐蝕失效的預(yù)防措施：

    設(shè)計(jì)

 

    案例 1：某型外貿(mào)機(jī)機(jī)身 25 ～ 27框接頭耳片裂紋埃及空軍對某型機(jī)定檢時(shí)發(fā)現(xiàn) 25 ～ 27 LD5 鋁合金框接頭耳片裂紋， 普查發(fā)現(xiàn)大量飛機(jī)存在類似裂紋。25 ～ 27 框采用表面陽極化處理。失效分析結(jié)果表明，接頭耳片裂紋性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕裂紋，接頭耳片螺栓孔與鋼襯套的過盈配合量過大導(dǎo)致耳片受到較大的拉應(yīng)力，以及耳片厚度大于鋼襯套配合段長度，導(dǎo)致在耳片內(nèi)側(cè)的螺栓孔內(nèi)表面有長 0.5 ～ 1mm 暴露在空氣中失去保護(hù)，這是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的主要原因。此外，螺栓孔打孔是在接頭陽極化處理后再進(jìn)行的，導(dǎo)致在耳片內(nèi)側(cè)表面產(chǎn)生金屬卷邊和陽極化膜局部破裂，這也促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。

    類似的故障在我國殲 8 飛機(jī)也出現(xiàn)過，這類故障一方面是由于海洋惡劣的腐蝕性環(huán)境等外部因素，更主要的是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在缺陷。在設(shè)計(jì)中沒有充分考慮對導(dǎo)致腐蝕的因素進(jìn)行有效控制。主要是過大的過盈配合導(dǎo)致拉應(yīng)力、襯套與孔配合導(dǎo)致金屬裸露、打孔工藝不合理等多個(gè)不合理的設(shè)計(jì)因素。

    飛機(jī)的腐蝕控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其控制過程總的來說包括補(bǔ)救性控制和預(yù)防性控制 2 個(gè)主要方面。補(bǔ)救性控制是指當(dāng)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕后設(shè)法消除，顯然這是一種被動的辦法。預(yù)測性控制是指預(yù)先采取必要的措施，最為關(guān)鍵的是從結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)開始，根據(jù)飛機(jī)將來可能的使用環(huán)境和功能要求來制定腐蝕控制方案。與設(shè)計(jì)相關(guān)的一些防腐技術(shù)主要有：①采取密封的結(jié)構(gòu)形式，防止海水、雨水、鹽霧、潮濕空氣等進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部；②控制和消除殘余應(yīng)力、裝配應(yīng)力和應(yīng)力集中，防止應(yīng)力腐蝕；③盡可能避免不同金屬，特別是電勢相差較大的金屬互相接觸，不可避免時(shí)需增加防護(hù)層；④采用排水設(shè)計(jì)，對不可避免的雨水滲入或冷凝水匯集，應(yīng)有導(dǎo)流通道排除；⑤在機(jī)體其他便于檢查的部位應(yīng)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置排水孔、放油孔等，確保機(jī)內(nèi)腐蝕積液能順利排出；⑥采用通風(fēng)設(shè)計(jì)，全機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置必要的艙門、口蓋，以便通風(fēng)排氣；⑦在緊固連接中，可采用涂潤滑油（ 脂）或涂底漆，如安裝螺栓、螺母及對鉚釘墩頭時(shí)，涂底漆等防腐蝕密封技術(shù)。

    工藝

 

    案例 2：某型飛機(jī) 1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓應(yīng)力腐蝕失效某沿海機(jī)場使用的1Cr17Ni2 飛機(jī)卡箍螺栓發(fā)生斷裂失效，磁粉檢查發(fā)現(xiàn)更多的螺栓存在裂紋，裂紋位于 T 型卡箍螺栓光桿部位，呈周向分布。失效分析結(jié)果表明，卡箍螺栓失效性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕，卡箍螺栓的回火處理是在脆性區(qū)進(jìn)行的，這種回火工藝會導(dǎo)致表面脫碳致使材料耐蝕性下降，是螺栓發(fā)生應(yīng)力腐蝕的主要原因。

    案例 3：Cr13Mn9Ni4 不銹鋼卡箍鋼帶應(yīng)力腐蝕失效某型飛機(jī)用不銹鋼卡箍鋼帶使用一段時(shí)間后表面出現(xiàn)大量的裂紋，鋼帶使用狀態(tài)為冷硬態(tài)。失效分析結(jié)果表明，鋼帶裂紋性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕裂紋。金相組織分析表明，2Cr13Mn9Ni4鋼帶在冷硬態(tài)狀態(tài)下使用，具有明顯的晶間腐蝕傾向，而該鋼帶經(jīng)過重新固溶處理后晶間腐蝕傾向消失，說明該鋼帶選用了不合理的工藝狀態(tài)（冷態(tài)）是導(dǎo)致其發(fā)生應(yīng)力腐蝕的主要原因。

    上述案例表明，在合理的防腐設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，還需要對材料采用合理的防腐工藝措施，包括：①金屬表面選擇合適的涂鍍層，通常選擇在鋼制零件上鍍鋅、鎘，在鋁制構(gòu)件上進(jìn)行表面氧化、化學(xué)鍍鎳，選擇鍍覆時(shí)應(yīng)考慮零件與零件之間，鍍層金屬與基體金屬之間的接觸電偶；②在制造過程中，所采用的工藝應(yīng)不損傷材料固有的耐腐蝕性能；③在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的條件下選用耐蝕性好的熱處理工藝；④通過對金屬材料采用相應(yīng)的表面強(qiáng)化技術(shù)，如噴丸強(qiáng)化、激光沖擊強(qiáng)化、擠壓強(qiáng)化等；⑤采用低溫消應(yīng)力退火；⑥合理地提高對構(gòu)件表面粗糙度的要求。

 

    選材

 

    案例 4：БΦ-2 膠致 30CrMnSiNi2A結(jié) 構(gòu) 鋼 螺 栓 在 雨 水 環(huán) 境 中 斷 裂30CrMnSiNi2A 結(jié)構(gòu)鋼螺栓在使用中多次斷裂，失效分析結(jié)果表明，螺栓斷裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕，主要原因是螺紋部位接觸БΦ-2膠， 并有雨水環(huán)境。 試驗(yàn)表明，БΦ-2膠中除含有大量的酒精和水外，還含有游離酚（石碳酸）。這種游離酚對多種合金尤其是高強(qiáng)度鋼具有腐蝕作用，說明選材不合理是導(dǎo)致螺栓發(fā)生應(yīng)力腐蝕的主要原因。

    同樣由于選材問題，某型飛機(jī) 42框也發(fā)生過由于軟油箱涂層浸泡液呈堿性，腐蝕作用較強(qiáng)，在其它多種因素聯(lián)合作用下導(dǎo)致該型飛機(jī) 42 框發(fā)生嚴(yán)重的晶間腐蝕，飛機(jī)大面積停飛。材料的選擇，需要根據(jù)其工作環(huán)境，包括外界環(huán)境和飛機(jī)局部環(huán)境進(jìn)行選擇。為滿足防腐要求，飛機(jī)選材一般需注意：①在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡可能選用耐蝕性好的材料；②承受高載荷的結(jié)構(gòu)件，選用對應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、氫脆等敏感性小的材料；③高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡可能使強(qiáng)度值處于技術(shù)條件的中下限，降低氫脆敏感性。

    結(jié)語

 

    艦載機(jī)在惡劣的腐蝕性海洋環(huán)境條件下長期工作，腐蝕問題十分突出。我國艦載機(jī)的應(yīng)用時(shí)間較短，對于艦載機(jī)的腐蝕規(guī)律及其控制技術(shù)的掌握還不夠深入和全面，需要全面調(diào)研、跟蹤和研究艦載機(jī)在全壽命過程中的腐蝕失效模式及其形成機(jī)理，搞清艦載機(jī)全壽命期間不同階段腐蝕失效規(guī)律及其演化機(jī)理，并不斷地從防腐設(shè)計(jì)、工藝和材料選擇等多方面深入摸索。在此基礎(chǔ)上，形成艦載機(jī)腐蝕控制技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)體系，將腐蝕控制技術(shù)貫穿于艦載機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)的全過程。

    （資料來源：知網(wǎng)）

 

 

    02 航空表面涂層技術(shù)的研究進(jìn)展

 

    航空表面涂層技術(shù)是航空制造技術(shù)的重要組成部分之一。采取一定的表面工程手段在飛行器零部件表面制備具有特定防護(hù)或功能涂層，可以使零部件表面具有隔熱、減摩可磨耗封嚴(yán)、耐磨防腐蝕、抗高溫氧化、吸波隱身等功能。

    目前，航空表面涂層技術(shù)發(fā)展最快也是最重要的涂層，包括熱障涂層（TBCs）、超高溫復(fù)合材料（C/C、C/SiC、SiC/SiC）部件表面環(huán)境障涂層（EBC）、高溫可磨耗封嚴(yán)涂層、WC-Co 及氧化鋁鈦等耐磨涂層、吸波及紅外隱身涂層等技術(shù)，涂層的應(yīng)用大幅度提高了航空產(chǎn)品的性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、服役壽命及戰(zhàn)機(jī)的生存能力。涂層新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)在推動表面工程科學(xué)發(fā)展的同時(shí)，也節(jié)約了資源、減少了有害物質(zhì)排放，促進(jìn)了環(huán)境友好型綠色制造、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的落實(shí)。

    航空表面涂層技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

 

    航空表面涂層的成熟運(yùn)用對歐美F-22、F-35、波音 787、空客 A380、A400M 等新型飛機(jī)的商業(yè)化起到了重大推動作用。熱障涂層、高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的應(yīng)用提高了發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度、工作效率，節(jié)省了燃油。MCrAlY、PtAl 等高溫抗氧化涂層的成熟應(yīng)用提高了發(fā)動機(jī)高溫部件服役壽命，降低了維護(hù)成本。飛機(jī)起落架超音速火焰噴涂WC-Co-Cr 涂層代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬鉻電鍍層，大幅度提高了起落架耐磨性能，壽命成倍延長。

    熱障涂層是發(fā)動機(jī)高溫部件最重要的防護(hù)涂層之一，具有隔熱功能，同時(shí)具備抗沖蝕、抗高溫氧化、防熔鹽腐蝕等功能，可大幅度提高燃燒室及渦輪高溫部件耐久性、可靠性。

    美國 NASA 有成熟的高溫封嚴(yán)涂層可磨耗性能試驗(yàn)系統(tǒng)，開發(fā)的 MCrAlY基合金型高溫可磨耗封嚴(yán)涂層可提高渦輪機(jī)匣的壽命。國內(nèi)發(fā)動機(jī)高溫部件用超高溫?zé)嵴贤繉印⒏邷乜寡趸繉蛹夹g(shù)及可磨耗封嚴(yán)涂層技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展，取得了很多實(shí)驗(yàn)室成果，但與國外先進(jìn)技術(shù)相比，仍有很大差距，主要是熱障涂層、高溫抗氧化涂層、高溫可磨耗封嚴(yán)涂層可靠性、使用壽命不足。

    近年來國內(nèi)多家大學(xué)、科研院所及發(fā)動機(jī)主機(jī)廠開發(fā)了多種稀土鋯酸鹽及稀土鈰酸鹽類超高溫?zé)嵴贤繉樱⒂^上大多呈燒綠石結(jié)構(gòu)或螢石結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱系數(shù)明顯低于 Y 2 O 3 -ZrO 2 傳統(tǒng)熱障涂層，但其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)——抗熱沖擊性能還有待提高。

    雖然國內(nèi)高溫封嚴(yán)涂層早已實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，但沒有建立起高溫封嚴(yán)涂層可磨耗性能及可靠性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，而涂層發(fā)動機(jī)試車考核成本高昂，時(shí)間漫長、致使高溫可磨耗封嚴(yán)涂層新材料及其涂層制備新工藝研究進(jìn)展緩慢，涂層使用壽命仍然明顯低于國外同類產(chǎn)品。

    在飛機(jī)耐磨涂層方面，近年來最大的進(jìn)展是飛機(jī)起落架廣泛采用超音速火焰噴涂 WC-Co-Cr 涂層代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬鉻電鍍層，耐磨性及使用壽命大幅增長，并消除了電鍍污染。美國納米集團(tuán)（USNANOGROUP，INC.）開發(fā)的納米碳化鈷、納米氧化鋁鈦涂層推廣應(yīng)用于航空軸類、環(huán)類部件，用于耐磨及篦齒封嚴(yán)，涂層具備高硬度、高韌性、高抗彎強(qiáng)度，其耐磨性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)同類涂層，應(yīng)用前景十分廣闊。

    航空表面涂層技術(shù)的新進(jìn)展

 

    超高溫?zé)嵴贤繉?/span>

 

    航 空 發(fā) 動 機(jī) 現(xiàn) 廣 泛 采 用 的3.5 ～ 4.5mol%Y 2 O 3 部 分 穩(wěn) 定 ZrO 2熱障涂層的長期工作溫度不能超過1200℃，否則在隨后冷卻過程中將發(fā)生四方相向單斜相相變，該過程中材料體積膨脹約 4％，使涂層開裂剝落失效。為進(jìn)一步提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)工作溫度、延長相關(guān)高溫部件熱循環(huán)壽命，新型超高溫?zé)嵴贤繉硬牧铣蔀闃I(yè)界研究熱點(diǎn)。由于氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯涂層在1200℃以下表現(xiàn)出優(yōu)異的熱學(xué)及力學(xué)性能，氧化釔穩(wěn)定氧化鋯理所當(dāng)然成為研究和開發(fā)新型超高溫?zé)嵴贤繉硬牧象w系的基礎(chǔ)。北京航空制造工程研究所開發(fā)的 Sc 2 O 3 、Gd 2 O 3 、Yb 2 O 3 三元稀土氧化物復(fù)合穩(wěn)定 ZrO 2 及 Sc 2 O 3 、Y 2 O 3 二元稀土氧化物復(fù)合穩(wěn)定 ZrO 2 熱障涂層，工作溫度可達(dá) 1500℃，為單一四方相結(jié)構(gòu)，長期工作無相變，使熱障涂層承溫能力提高了 200℃，有望實(shí)現(xiàn)工程化 應(yīng) 用。Sulzer Metco（ 現(xiàn) 為 OerlikonMetco）開發(fā)的 Gd 2 O 3 、Yb 2 O 3 、Y 2 O 3 三元稀土氧化物復(fù)合穩(wěn)定 ZrO 2 工作溫度1500℃仍可保持相穩(wěn)定，涂層熱導(dǎo)率明顯低于一般熱障涂層。多元稀土氧化物復(fù)合摻雜 ZrO 2 是超高溫?zé)嵴贤繉硬牧现匾l(fā)展方向。

    國 內(nèi) 近 年 開 發(fā) 了 系 列 鋯 酸 鑭、鈰酸鑭或鈰鋯酸鑭熱障涂層材料，如 La 2 Ce 2 O 7 、La 2 Zr 2 O 7 、Sm 2 Zr 2 O 7 、La 2（Zr 0.7 Ce 0.3 ） 2 O 7 。為消除熱收縮現(xiàn)象還研制了一些成分更為復(fù)雜的改性材料，如 La 1.8 W 0.2 Ce 2 O 7.6 、La 2 Zr 1.7 Ta 0.3 O 7.15 等，這些稀土鋯酸鹽類化合物大多數(shù)呈燒綠石結(jié)構(gòu)、螢石結(jié)構(gòu)或者缺陷螢石結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱系數(shù)明顯低于稀土氧化物穩(wěn)定 ZrO 2 熱障涂層材料，但抗熱沖擊性能還有待提高。如將這些鋯酸鹽類化合物與傳統(tǒng) 3.5 ～ 4.5mol%Y 2 O 3 部分穩(wěn)定的 ZrO 2 組成雙陶瓷層結(jié)構(gòu)熱障涂層，則可發(fā)揮傳統(tǒng)材料熱膨脹系數(shù)大、斷裂韌性高的優(yōu)點(diǎn)，明顯延長熱障涂層熱循環(huán)壽命，同時(shí)保留稀土鋯酸鹽類化合物不發(fā)生相變、抗燒結(jié)、熱導(dǎo)率低、抗腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，這是未來發(fā)展使用溫度超過1300℃的超高溫?zé)嵴贤繉拥闹匾緩街弧Ｐ枰貏e強(qiáng)調(diào)的是，不管是采用等離子噴涂（PS）還是電子束物理氣相沉積（EBPVD）制備稀土鋯酸鹽類化合物熱障涂層，涂層最終組成往往不同于粉末喂料或靶材，為保持制備的涂層組成符合設(shè)計(jì)的化學(xué)計(jì)量比例，粉末或靶材成分設(shè)計(jì)、沉積工藝過程精確控制十分重要，并將決定最終涂層性能及使用壽命，而使用壽命是其能否成功應(yīng)用于航空產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。

    研究表明，CMAS 嚴(yán)重影響熱障涂層耐久性及最高使用溫度。CMAS 為CaO、MgO、Al 2 O 3 、S i O 2 等組成的硅酸鹽類物質(zhì)，CMAS 在約 1250℃熔化，它可熔解熱障涂層材料，還會浸潤熱障涂層、通過毛細(xì)作用沿孔隙及柱狀晶之間間隙滲入熱障涂層內(nèi)部，使熱障涂層表面變粗糙、內(nèi)部變疏松，并在發(fā)動機(jī)停車?yán)鋮s循環(huán)過程中，CMAS 熔鹽凝固成玻璃態(tài)物質(zhì)，其貫穿層模量會上升，熱障涂層應(yīng)變?nèi)菹迣ⅢE降，隨后熱循環(huán)中熱障涂層將可能大范圍剝落，大幅降低發(fā)動機(jī)渦輪葉片耐久性，甚至造成渦輪葉片燒蝕而出現(xiàn)災(zāi)難性后果。預(yù)防 CMAS 腐蝕的方法一般是在熱障涂層表面制備一層與 CMAS 熔鹽反應(yīng)形成固態(tài)致密層的物質(zhì)，資料報(bào)道含大直徑稀土陽離子的螢石或燒綠石結(jié)構(gòu)材料能與CMAS熔鹽反應(yīng)形成高熔點(diǎn)固態(tài)致密層，可有效阻止 CMAS 進(jìn)一步貫穿侵蝕。

    高溫復(fù)合材料表面環(huán)境障涂層

 

    C/C 復(fù)合材料在高溫條件下存在嚴(yán)重的氧化和燒蝕問題，C/SiC、SiC/SiC 陶瓷復(fù)合材料部件在高溫水蒸氣環(huán)境下存在性能退化及易受 CMAS 熔鹽侵蝕問題。環(huán)境障涂層（EBC）是為提高C/C、C/SiC、SiC/SiC 高溫復(fù)合材料部件環(huán)境穩(wěn)定性的表面防護(hù)涂層。EBC 為多層結(jié)構(gòu)，如 C/SiC 復(fù)合材料基體表面制備 Si+ 莫來石 +BSAS 復(fù)合 EBC。

    EBC 頂層材料至關(guān)重要，一般采用 BaO-SrOAl 2 O 3 -SiO 2 材料（BSAS）。但 BSAS在 1300℃以上環(huán)境工作仍然存在化學(xué)穩(wěn)定性問題，BSAS 會與 S i O 2 反應(yīng)生成一種低熔點(diǎn)玻璃相（熔點(diǎn)低于 1300℃），導(dǎo)致 EBC 在工作溫度超過 1300℃時(shí)過早剝落失效，這就限制了其在更高溫度下的使用。

    NASA Glenn 研究中心研究表明，一 些 稀 土 硅 酸 鹽 Re 2 Si 2 O 7 （Re 為 Sc、Lu、Yb、Tm、Er 及 Dy 等）有良好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性，1500℃長期無相變，在 1400℃與莫來石化學(xué)相容性好，其在 1500℃下抗水蒸氣腐蝕能力優(yōu)于BSAS。 但稀土硅酸鹽作為EBC面層材料，與莫來石熱膨脹系數(shù)匹配不如 BSAS，易在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生裂紋，而影響涂層可靠性和防護(hù)性。現(xiàn)也有在 BSAS 涂層上再沉積稀土硅酸鹽Yb 2 SiO 5 涂層的，Yb 2 SiO 5 涂層可提升 EBC 抗 CMAS 侵蝕能力。總之，稀土硅酸鹽作為 EBC 涂層組成材料應(yīng)用研究還不夠成熟，但具有作為新一代 EBC 面層材料的應(yīng)用開發(fā)潛力，值得深入研究。

    高溫可磨耗封嚴(yán)涂層

 

    高溫可磨耗封嚴(yán)涂層用于發(fā)動機(jī)渦輪氣路密封，可減小渦輪葉片葉尖與渦輪外環(huán)之間的間隙，進(jìn)而減少氣體泄漏、提高發(fā)動機(jī)效率。一般設(shè)計(jì)要求在渦輪葉片與封嚴(yán)涂層發(fā)生接觸刮擦?xí)r涂層被刮削而葉片磨損甚小，并且摩擦系數(shù)要小，以免刮擦產(chǎn)生的高溫造成涂層或葉片燒蝕開裂，因此高溫可磨耗封嚴(yán)涂層需具有一定的減摩功能。一般來說，金屬基可磨耗封嚴(yán)涂層抗氣流沖蝕性能優(yōu)良，而氧化物陶瓷基可磨耗封嚴(yán)涂層抗氣流沖蝕能力相對較差，因此在材料組成及涂層制備工藝參數(shù)控制方面必須予以高度關(guān)注，以保證涂層使用壽命。近年來，等離子噴涂 MCrAlY 高溫合金型（如 NiCrAlY、CoCrAlY、NiCrAlYSi 等）可磨耗封嚴(yán)涂層及陶瓷基（如稀土氧化物穩(wěn)定 ZrO 2 、Al 2 O 3 等）可磨耗封嚴(yán)涂層獲得了明顯進(jìn)展，涂層可磨耗性能和抗沖蝕性能明顯提高。MCrAlY 具有高溫抗氧化和抗熱腐蝕作用，一般添加聚苯酯作為造孔劑，聚苯酯加熱去除后在涂層內(nèi)留下大量細(xì)小均勻分布的孔隙可以降低涂層硬度、增強(qiáng)涂層可磨耗性、減輕涂層對渦輪葉片的磨損。添加六方 BN或氟化物作為減摩自潤滑材料，降低摩擦系數(shù)。高溫可磨耗封嚴(yán)涂層厚度一般超過 1.5mm，必須采用機(jī)器人自動噴涂技術(shù)，噴涂參數(shù)計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制、涂層厚度在線監(jiān)測，這樣才能保證涂層組織結(jié)構(gòu)及厚度均勻性及再現(xiàn)性。采用纖維增強(qiáng)涂層技術(shù)可明顯提高封嚴(yán)涂層熱循環(huán)壽命。

    Oerlikon Metco 研制的 Dy 2 O 3 -ZrO 2 -hBN- 聚苯酯高溫可磨耗封嚴(yán)涂層用于航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪氣路封嚴(yán)工作溫度可達(dá) 1200℃，工作壽命比普通 Y 2 O 3 -ZrO 2 -hBN- 聚苯酯高溫封嚴(yán)涂層提高 4倍以上。對于 SiC/SiC 陶瓷復(fù)合材料（CMC）渦輪部件，在 EBC 的基礎(chǔ)上制 備 多 孔 Yb 2 Si 2 O 7 及 Yb 2 O 3 、Sm 2 O 3 或Gd 2 O 3 等摻雜ZrO 2 涂層作為可磨耗涂層，目前取得了積極進(jìn)展。熱噴涂陶瓷涂層代替硬鉻電鍍層技術(shù)因電鍍硬鉻對環(huán)境有持久的危險(xiǎn)性，電鍍廢液中的六價(jià)鉻更是嚴(yán)重危害人體健康，減少直至取消電鍍硬鉻工藝意義重大。近年來超音速火焰噴涂（HVOF、HVAF）WC-Co、WC-Co-Cr、Cr 3 C 2 -NiCr 金屬陶瓷涂層、等離子噴涂 Cr 2 O 3 及 A1 2 O 3 -TiO 2 氧化物陶瓷涂層在工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用，全面取代電鍍硬鉻工藝已是必然。HVOF 噴涂 WC-Co-Cr 涂層在空客、波音、洛克希德·馬丁等生產(chǎn)的先進(jìn)軍民用飛機(jī)（包括空客 A380、波音 787、F-35 等）已成功應(yīng)用，結(jié)果表明 HVOF 噴涂的 WC-Co-Cr 涂層在耐磨、防腐蝕、抗疲勞等關(guān)鍵性能指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)硬鉻電鍍層。

    Cr 3 C 2 -NiCr 涂層廣泛用于高溫摩擦磨損環(huán)境，渦輪導(dǎo)向器篦齒封嚴(yán)采用 HVOF噴涂 Cr 3 C 2 -NiCr 硬質(zhì)涂層（主動磨削涂層）或等離子噴涂 A1 2 O 3 -TiO 2 陶瓷硬質(zhì)涂層，具有耐蝕、高溫抗氧化、耐磨損等能力。等離子噴涂 Cr 2 O 3 陶瓷硬質(zhì)涂層在發(fā)動機(jī)動密封及飛機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部件磨損防護(hù)方面應(yīng)用廣泛，其耐磨性及防腐蝕性比傳統(tǒng)硬鉻電鍍層提高數(shù)倍。

    納米涂層

 

    納米材料技術(shù)是 20 世紀(jì) 80 年代誕生并仍快速發(fā)展的新技術(shù)，受到世界各國高度重視。PVD（物理氣相沉積）、熱噴涂、 CVD （化學(xué)氣相沉積） 、 MBE （分子束外延）、化學(xué)沉積、電沉積等方法是獲得納米涂層或薄膜的典型方法。近10 年來研究人員利用 PVD（包括磁控濺射、離子束濺射、射頻放電離子鍍、等離子體離子鍍、EB-PVD 等）在制備納米單層膜及納米多層膜方面取得很多成果，如納米 Ti（N，C，CN）、（V，Al， Ti、 Nb、 Cr） N、 SiC、 β-C 3 N 4 、 α-Si 3 N 4 、TiN/CrN、TiN/AlN、WC-Co 薄 膜 或 涂層可用于飛機(jī)軸類零件耐磨防腐，等離子噴涂納米 A1 2 O3-TiO 2 涂層已用于航空發(fā)動機(jī)氣路封嚴(yán)，納米 Y 2 O 3 -ZrO 2 涂層已用于渦輪葉片隔熱防護(hù)，添加石墨烯、碳納米管復(fù)合涂層具有雷達(dá)隱身功能。總之，近年來在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)方面納米涂層已取得巨大進(jìn)展，有的已在航空、艦船等產(chǎn)品的防腐、耐磨、隔熱、吸波隱身、防海洋生物附著、自清潔等功能涂層上獲得應(yīng)用。

    熱噴涂是制作納米涂層的極有競爭力的方法之一，與其他技術(shù)相比，具有許多優(yōu)越性，如工藝簡單、涂層材料和基體選擇范圍廣、可制備厚涂層、沉積速率高、涂層成分易控制、容易形成復(fù)合功能涂層等，適用于大型零部件。采用納米團(tuán)聚粉末作為熱噴涂喂料，通過嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，縮短納米材料在焰流中的停留時(shí)間、限制原子擴(kuò)散和晶粒長大，可制備納米涂層。美國納米集團(tuán)英佛曼公司（Inframat Co.）開發(fā)的等離子噴涂納米 A1 2 O 3 -TiO 2 復(fù)合涂層與傳統(tǒng) A1 2 O 3 -TiO2 涂層相比，耐磨損能力提高 5 倍、抗疲勞能力提高 10 倍、彎曲 180°無裂痕（傳統(tǒng) A1 2 O 3 -TiO 2 涂層彎曲 180°后開裂剝落）、涂層附著力提高 4 倍，納米涂層表現(xiàn)出極其優(yōu)異的性能。

    表面涂層設(shè)備重要進(jìn)展

 

    冷氣動力噴涂

 

    冷氣動力噴涂，簡稱冷噴涂，根據(jù)不同噴涂材料及零件基體，冷噴涂中工作氣體可為 N 2 或 He，工作氣體 1 將固態(tài)粒子加速至 300 ～ 1200m/s，與零件基體碰撞發(fā)生劇烈的塑性變形而沉積形成涂層，粒子沉積主要靠其動能來實(shí)現(xiàn)。冷噴涂可有效避免噴涂粉末材料的氧化、分解、相變、晶粒長大，對基體幾乎沒有熱影響，可用來噴涂對溫度敏感的易氧化材料、納米材料。需特別注意的是冷噴涂對噴涂粉末材料粒度、形態(tài)及純度（如含氧量）要求十分嚴(yán)格，國際上只有少數(shù)幾家粉末材料供應(yīng)商可提供冷噴涂粉末貨架產(chǎn)品，且價(jià)格昂貴。

    冷噴涂制備 Al、Cu、Cu 合金、Ti、Ta、TiAl、 FeAl、 AlNi、 Ni合金等涂層非常成功，通過真空擴(kuò)散熱處理可實(shí)現(xiàn)冷噴涂涂層與零件基體間冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)200MPa 以上。

    超低壓等離子噴涂

 

    超低壓等離子噴涂（PlasmaSpray-Physical Vapor Deposition，PSPVD），是在低壓等離子體噴涂（LowPressurePlasma Spray，LPPS，噴涂時(shí)壓力為幾千帕）基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低真空室的工作壓力至幾百帕甚至 100Pa 以下，同時(shí)大幅度提高等離子噴槍功率，將粉末加熱熔化、并有部分氣化，在等離子射流中同時(shí)存在氣液兩相，沉積形成涂層的過程。通過粉末顆粒加熱狀態(tài)控制可獲得氣相沉積與顆粒沉積的混合組織，既可制備薄膜，也可制備厚度數(shù)百 μm 的涂層。制備的 MCrAlY 涂層孔隙率低，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá) 80MPa 以上，通過擴(kuò)散處理可進(jìn)一步提高結(jié)合強(qiáng)度。制備的 YSZ 陶瓷涂層呈現(xiàn)類似 EBPVD 的柱狀晶結(jié)構(gòu)。

 

    溶液等離子噴涂

 

    溶液等離子噴涂根據(jù)液體喂料不同，分為前驅(qū)體溶液等離子噴涂（SolutionPrecursor Plasma Spray,SPPS）和微納米顆粒懸浮液等離子噴涂（Suspension PlasmaSpray,SPS），將液體喂料直接送入等離子焰流在零件表面沉積形成涂層。采用前驅(qū)體化合物液體直接噴涂制備納米結(jié)構(gòu)熱障涂層，簡化傳統(tǒng)納米氧化鋯粉末噴涂涂層制備的復(fù)雜工序，可降低材料損耗和工藝過程成本。并且溶液等離子噴涂制備納米結(jié)構(gòu)熱障涂層能有效避免納米晶粒長大，涂層孔隙細(xì)小、分布均勻。美國英佛曼公司采用前驅(qū)體化合物液體喂料，采用大氣等離子噴涂設(shè)備成功制造帶垂直裂紋結(jié)構(gòu)的納米熱障涂層，其熱沖擊壽命超過 EB-PVD 工藝制備的熱障涂層，比傳統(tǒng)粉末等離子噴涂工藝制備的熱障涂層壽命提高 1 倍以上。

    結(jié)語

 

    表面涂層技術(shù)是制造技術(shù)重要組成部分，以個(gè)人技術(shù)經(jīng)驗(yàn)為主的傳統(tǒng)表面涂層技術(shù)已不能滿足現(xiàn)代航空工業(yè)發(fā)展需要。現(xiàn)需抓緊建立大型表面涂層應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，以大數(shù)據(jù)技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)自動控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)零部件外形與功能、服役環(huán)境與使用壽命需求，實(shí)現(xiàn)涂層材料與涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、涂層制備加工方法選擇與工藝實(shí)施、涂層質(zhì)量檢測與評價(jià)等整個(gè)涂層制備過程自動化、智能化，促進(jìn)航空表面涂層技術(shù)又好又快的發(fā)展。（本篇資料來源：航空制造技術(shù)）

 

 

 

    03 波音飛機(jī)腐蝕防護(hù)要點(diǎn)分析

 

    波音飛機(jī)由于長時(shí)間使用，腐蝕現(xiàn)象會日益嚴(yán)重。因此，機(jī)務(wù)工作者的重要任務(wù)之一是對機(jī)體結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)。腐蝕的預(yù)防工作不但是對波音飛機(jī)采取技術(shù)手段防治腐蝕，而且與飛機(jī)制造廠密切相關(guān)。因此，飛機(jī)制造廠也應(yīng)當(dāng)做好飛機(jī)腐蝕防護(hù)。一方面，波音飛機(jī)腐蝕發(fā)展帶來飛行安全問題，不利于乘客安全。另一方面，腐蝕會提升波音飛機(jī)維護(hù)成本，造成資金浪費(fèi)。下面從波音飛機(jī)腐蝕防護(hù)的幾大要點(diǎn)進(jìn)行解讀。

    波音飛機(jī)腐蝕原因分析

 

    潮濕的空氣

 

    潮濕的空氣是造成波音飛機(jī)腐蝕的主要原因。一般來講，潮濕空氣和地理環(huán)境具有十分密切的聯(lián)系。我國的地理環(huán)境非常復(fù)雜，并且受到季風(fēng)影響明顯。

    一般來講，我國大部分地區(qū)處于潮濕東南季風(fēng)以及西南季風(fēng)控制下。因此，東南、西南地區(qū)降水量以及濕度比較大，從而造成這些地區(qū)機(jī)場的波音飛機(jī)的腐蝕問題嚴(yán)重。

    海洋大氣腐蝕

 

    海洋大氣的主要特點(diǎn)是含鹽量高以及濕度相對較高。海水中含有大量氯離子，氯離子通過海洋大氣接觸波音飛機(jī)，從而引起波音飛機(jī)腐蝕，海洋大氣中的氯離子對飛機(jī)具有很強(qiáng)的腐蝕作用。

    工業(yè)大氣腐蝕

 

    由于工業(yè)發(fā)展，工業(yè)排風(fēng)氣體中含有腐蝕性氣體。腐蝕性對金屬具有很強(qiáng)腐蝕作用。例如工業(yè)大氣中的二氧化硫氣體，一般來講，二氧化硫在大氣中含量超過百分之一，就能明顯腐蝕金屬，因此，工業(yè)大氣能夠造成對波音飛機(jī)的腐蝕。

    飛機(jī)內(nèi)部腐蝕

 

    主要包括兩點(diǎn)：首先，乘客在乘坐飛機(jī)過程中會排出水分，其次，濕度較大時(shí)候，波音飛機(jī)處于水分飽和狀態(tài)。

    因此，當(dāng)波音飛機(jī)上升，飛機(jī)內(nèi)部溫度下降，從而造成水分凝結(jié)，由于水分大量存在，促使波音飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件等腐蝕。

    此外，廁所污水流入飛機(jī)結(jié)構(gòu)之上或者廚房飲料等留在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，同樣引起波音飛機(jī)結(jié)構(gòu)性的腐蝕。

    波音飛機(jī)腐蝕防護(hù)要點(diǎn)

 

    對機(jī)務(wù)人員防護(hù)要點(diǎn)

 

    作為機(jī)務(wù)人員，波音飛機(jī)腐蝕防護(hù)要點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)：

    第一，腐蝕防護(hù)培訓(xùn)。應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對相關(guān)波音工作人員的培訓(xùn)以及教育，促使每個(gè)工作人員重視波音飛機(jī)腐蝕防護(hù)工作，自覺做好飛機(jī)防腐工作。只有全體工作人員對波音飛機(jī)腐蝕防護(hù)工作負(fù)起責(zé)任心，才能保障波音飛機(jī)腐蝕防護(hù)工作順利開展。

    第二，保障排水系統(tǒng)通暢波音飛機(jī)工作人員應(yīng)當(dāng)經(jīng)常性檢查飛機(jī)內(nèi)部的排水管道，從而保障排水系統(tǒng)通暢。此外，波音飛機(jī)的貨艙以及客艙等區(qū)域應(yīng)當(dāng)經(jīng)常通風(fēng)，從而保障飛機(jī)內(nèi)部水分排出。

    第三，定期清潔污染區(qū)域飛機(jī)工作人員應(yīng)當(dāng)經(jīng)常性清潔飛機(jī)污染區(qū)域，對于電解質(zhì)污染區(qū)一級強(qiáng)腐蝕介質(zhì)區(qū)域應(yīng)當(dāng)噴涂防腐劑。

    第四，確保地板密封性。相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)時(shí)常檢查廁所廚房的地板十分密封，如果沒有密封或者損壞，應(yīng)當(dāng)采取有效措施修復(fù)地板。

    第五，加強(qiáng)裝卸管理。波音飛機(jī)裝卸貨物過程中，應(yīng)當(dāng)注意避免裝卸貨物造成飛機(jī)地板損壞或者腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入地板，避免飛機(jī)結(jié)構(gòu)性腐蝕。

    第六，防止微生物滋生飛機(jī)相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)防止飛機(jī)油箱的微生物蔓延，確保油箱排水通暢，飛機(jī)油箱內(nèi)應(yīng)當(dāng)定期加入殺蟲劑，從而減少細(xì)菌滋生。

    第七，嚴(yán)格防腐工藝應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格防腐工藝。確保飛機(jī)質(zhì)量，避免飛機(jī)腐蝕。

    針對飛機(jī)設(shè)計(jì)防護(hù)要點(diǎn)

 

    針對波音飛機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)而言，應(yīng)當(dāng)根據(jù)飛機(jī)使用環(huán)境以及功能要求制定從而進(jìn)行波音飛機(jī)防止腐蝕工作，一般來講，主要做到以下幾點(diǎn)：

    第一，針對波音飛機(jī)進(jìn)行合理地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第二，波音飛機(jī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)選用耐腐蝕的材料，不合格的材料應(yīng)當(dāng)杜絕使用。第三，建立合理的防護(hù)體系，對飛機(jī)防腐蝕設(shè)計(jì)層層把關(guān)。第四，設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)對波音飛機(jī)上異種金屬零件腐蝕加強(qiáng)控制。第五，波音飛機(jī)表面設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)確定強(qiáng)化型的飛機(jī)表面，從而減少腐蝕。第六，采用密封劑進(jìn)行波音飛機(jī)的防腐密封設(shè)計(jì)。 第七波音飛機(jī)的設(shè)計(jì)圖紙應(yīng)當(dāng)明確防腐蝕要求。制造部門對飛機(jī)圖紙進(jìn)行性嚴(yán)格的審查，包括飛機(jī)的外部構(gòu)建以及結(jié)構(gòu)零件等的審查。設(shè)計(jì)圖紙中，明確防腐蝕的要點(diǎn)區(qū)域，從而方便相關(guān)工作人員日常維護(hù)。

    有機(jī)防護(hù)涂層防護(hù)要點(diǎn)

 

    首先，外部油漆以及顏色應(yīng)當(dāng)符合飛機(jī)熱穩(wěn)定設(shè)計(jì)具體要求。此外，根據(jù)飛機(jī)的零件材料、部位、環(huán)境條件要求選擇優(yōu)秀有機(jī)涂層， 不但底漆以及面漆相互配套，而且底漆與密封膠相互配套，暴露外部環(huán)境內(nèi)表面視為外表面。

    經(jīng)常處腐蝕環(huán)境的內(nèi)表面視為外表面進(jìn)行涂層。最后，確保各零件防護(hù)性能前提下，應(yīng)對各零件涂層厚度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

    表面強(qiáng)化處理防護(hù)要點(diǎn)

 

    波音飛機(jī)的超高強(qiáng)度鋼以及超高強(qiáng)度的鋁合金加工鍛煉過程中，應(yīng)當(dāng)按照飛機(jī)制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行噴丸處理，此外，噴丸處理后，波音飛機(jī)的零件不能進(jìn)行其他機(jī)械加工或者校形。如果一定要對已經(jīng)噴丸處理的飛機(jī)表面進(jìn)行加工或者校形，應(yīng)當(dāng)根據(jù)加工量嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定實(shí)施操作。

    結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)改機(jī)

 

    結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)改機(jī)主要是根據(jù)飛機(jī)的不同以及不同材料，從而采取不同的防護(hù)方法，制定科學(xué)的防腐蝕方法。首先，應(yīng)力腐蝕。就是不改變波音飛機(jī)的接頭材料，消除接頭裝備應(yīng)力，并且減少孔軸之間的干涉量，增加飛機(jī)防護(hù)涂層從而防止應(yīng)力腐蝕。其次，電偶腐蝕。

    主要是在相對較濕的腐蝕環(huán)境下。將飛機(jī)金屬部分與腐蝕介質(zhì)進(jìn)行隔離處理，從而消除腐蝕介質(zhì)，防止波音飛機(jī)電偶腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。最后，縫隙腐蝕。波音飛機(jī)縫隙腐蝕應(yīng)當(dāng)清楚縫隙之內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物以及封堵縫隙的方法阻止縫隙之處形成腐蝕。此外，均勻腐蝕。波音飛機(jī)的前墻腹板以及油箱壁板等部分容易出現(xiàn)均勻腐蝕現(xiàn)象。應(yīng)當(dāng)在涂上防護(hù)底漆。針對油箱壁板腐蝕現(xiàn)象，在噴涂底漆之后，應(yīng)當(dāng)再噴涂一層面漆以及噴涂一層多功能的密封膠，從而保障均勻腐蝕問題能夠得到徹底解決。提高波音飛機(jī)質(zhì)量應(yīng)當(dāng)從以上幾個(gè)方面采取有效措施，增加飛機(jī)安全性以及穩(wěn)定性。

    控制腐蝕等級

 

    一級腐蝕

 

    所謂一級腐蝕，是腐蝕屬于局部性的。腐蝕程度較為輕微，然而，根據(jù)實(shí)踐表明，主要是輕微腐蝕，以后會演變?yōu)榇竺娣e的腐蝕。因此，應(yīng)當(dāng)在發(fā)現(xiàn)輕微腐蝕后，采取相關(guān)措施清除腐蝕區(qū)域，保障波音飛機(jī)質(zhì)量。

    二級腐蝕

 

    二級腐蝕是腐蝕面積較大，屬于大面積腐蝕，采取一般手段修復(fù)或者清除損傷依舊超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的極限，應(yīng)當(dāng)采取相關(guān)措施補(bǔ)救，從而保障波音飛機(jī)的健康與安全。

    三級腐蝕

 

    三級腐蝕對于飛機(jī)飛行影響比較嚴(yán)重，是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件出的腐蝕。三級腐蝕是程度最高的腐蝕，直接影響飛機(jī)性能以及安全性。腐蝕面積大并且集中在關(guān)鍵部件位置。應(yīng)當(dāng)立即采取相關(guān)措施進(jìn)行補(bǔ)救。

    結(jié)語

 

    波音飛機(jī)腐蝕防護(hù)工作對于飛機(jī)的安全性以及延長壽命具有重要意義。相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)加大力度進(jìn)行波音飛機(jī)腐蝕防護(hù)工作。認(rèn)真總結(jié)腐蝕原因以及控制腐蝕等級，做好波音飛機(jī)維護(hù)保養(yǎng)工作，保障飛機(jī)以及乘客安全，從而促使波音飛機(jī)向高可靠性、高安全性方向發(fā)展。

 

    04 國際新型高速飛行器熱防護(hù)涂層前沿技術(shù)

 

    新型高速飛行器（如可重復(fù)使用天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)、飛船返回艙、近空間高超聲速飛行器等）在穿越或飛行于大氣層過程中表面受到強(qiáng)氣動加熱的作用，溫度可達(dá) 1327 ～ 2727℃甚至更高，因此對飛行器表面熱防護(hù)系統(tǒng)提出異常苛刻的要求，同時(shí)高速飛行器表面不同部位在往返過程中將承受不同的熱腐蝕環(huán)境， 其表面須采用不同功能的熱防護(hù)材料。 其鼻錐、前緣、垂尾等部位采用的是高溫 / 超高溫防熱材料，而飛行器表面其它部位則主要采用可重復(fù)使用的非燒蝕防隔熱材料，外加熱防護(hù)涂層。于是，熱防護(hù)涂層成為了防隔熱材料能否成功運(yùn)用于飛行器外部防隔熱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它解決了防隔熱材料在高溫環(huán)境下的抗沖蝕、抗熱裂、輻射和抗氧化等瓶頸問題。

 

新型高速飛行器

 

    高速飛行器表面熱防護(hù)研究進(jìn)展

 

    非燒蝕防隔熱層可分為剛性隔熱瓦和柔性隔熱氈。剛性隔熱瓦表面經(jīng)歷了 RCG、TUFI、HETC 為代表的３代涂層發(fā)展歷程，而柔性隔熱氈表面熱防護(hù)涂層也經(jīng)歷了 DC92、D-9、PCC 三代涂層的演變。在這些涂層的研發(fā)過程中，不斷提高耐溫性和輻射率成為了科研者一直追求的目標(biāo)，通過不斷的創(chuàng)新和努力，新一代涂層 HETC 的耐溫性被提高到 1600℃以上，而輻射率被提高到 0.9 以上。

    美國航天飛機(jī)挑戰(zhàn)者號、X-34、X43A、X-51A 高速飛行器表面非燒蝕防隔熱材料的應(yīng)用分布情況如下圖所示。

 

美國挑戰(zhàn)者號、X-34高速飛行器表面熱防護(hù)材料應(yīng)用

 

    剛性隔熱瓦是高速飛行器迎風(fēng)面主要采用的熱防護(hù)材料，經(jīng)過多年研制，剛性隔熱瓦由一元朝多元材料體系發(fā)展，通過結(jié)構(gòu)上的組合成功實(shí)現(xiàn)了多元體系兩元結(jié)構(gòu)的防隔熱一體化設(shè)計(jì)， 其典型代表有：LI （Lock heed insulation） 、 FRCI （Fibrousrefractory composite insulation）、AETB（Alumina enhancedthermal barrier）、BRI（Boeing reusable insulation）幾代陶瓷纖維隔熱瓦以及新型防隔熱一體化材 TUFROC（Toughened uni-piece fibrous reinforced oxidization-resistant composite）。

    剛性隔熱瓦表面熱防護(hù)涂層也分別經(jīng)歷了：RCG（Reactioncured glass）、TUFI（Tougheneduni-piece fibrous）、HETC（Highefficency tantalum based ceramic composite structures）三代涂層的升級改進(jìn)。

    柔性隔熱氈是高速飛行器背風(fēng)面主要使用的熱防護(hù)材 料， 典 型 代 表 有：FRSI（Flexible reusable surface）、AFRSI（Advanced flexible reusable surface）、LHB（Lowheatblanket）、HHB（High heat blanket）、TABI（Tailorableadvanced blanket insulation）、CFBI（Composite flexible blanketinsulation）、CRI（conformal reusable insulation）、OFI（Opacifledfibrous insulation） 。

    柔性隔熱氈表面熱防護(hù)涂層也主要經(jīng)歷了：DC92、D-9、PCC （Protective ceramic coating）三代涂層的升級改進(jìn)。

    剛性隔熱瓦熱防護(hù)涂層

 

    雙層梯度涂層

 

    最早由美國宇航局 James.C Fletcher 提出，該涂層由阻擋內(nèi)層和輻射玻璃外層組成，內(nèi)層為 SiO 2 ，其作用是將輻射玻璃層和基體材料分開，防止二者可能發(fā)生的反應(yīng)，另外它也可以很好地匹配基底材料的熱膨脹系數(shù)，使整體材料具有很好的抗熱震性。其外層由難溶輻射劑（SiC、CrO 2 CoO 2 NiO 2Si 3 N 4 CrO 2 等其中一種或幾種） 、 高硅玻璃和硼硅酸鹽玻璃組成，使涂層擁有高硬度、極高的輻射率以及抗熱震裂紋性能。

    固化玻璃涂層RCG

 

    該涂層是美國航天飛機(jī)剛性陶瓷瓦上首次得到使用的高輻射率涂層，它成功地被運(yùn)用在 LI-2200、LI-900 等第一代陶瓷隔熱瓦上。RCG 采用 SiB 4 作為輻射劑，以特別制備的高硅玻璃粉和硼硅酸鹽玻璃粉為粘結(jié)劑。最終使涂層具有低的熱膨脹系數(shù)、高的力學(xué)強(qiáng)度和高的輻射率等優(yōu)異性能，具有較高的抗熱沖擊強(qiáng)度和表面硬度，其高溫下的流動性可以很好地使涂層達(dá)到高溫自愈合的作用，且可在 1480℃高溫下成功實(shí)現(xiàn)抗氧化。

    增韌單層纖維隔熱涂層TUFI

 

    TUFI 涂層被成功運(yùn)用到 FRCI、AETB、BRI 為代表的陶瓷隔熱瓦上。以高溫結(jié)構(gòu)材料 MoSi 2 作為輻射劑，以硼硅酸鹽玻璃作為粘結(jié)劑，以 SiB 6 作為燒結(jié)助劑，使涂層具有高的熔點(diǎn)、極好的高溫抗氧化性。

    高性能鉬基涂層

 

    主要由 MoSi 2 和 MoB 2 組成，可以在低溫下流動，且可以起到抗氧化作用。鉬基涂層的熔點(diǎn)在 1949℃左右，軟化點(diǎn)在1593～1649℃， 這說明鉬基涂層具有比硅基涂層更好的耐溫性，同時(shí)鉬基涂層擁有高的輻射率、良好的抗沖擊性和抗氧化性。

    難熔金屬相超高溫?zé)岱雷o(hù)涂層

 

    該涂層由硼硅酸鹽玻璃作為內(nèi)層，硅酸鹽玻璃（如 SiC、HfC 等）作為外保護(hù)層，再添加一定量的難熔金屬相（如 Ti、Hf、Zr、Mo、Ni、Ta 等及其硅化物，氧化物，硼化物或碳化物等）。摻雜難熔金屬相復(fù)合材料可以在 1650℃下很好地保護(hù)基底材料， 起到很好地抵抗腐蝕、潮濕、高溫?zé)彷d荷等作用。

    防隔熱一體化梯度涂層TUFROC

 

    2010 年美國成功發(fā)射并返回的 X-37B 臨近空間飛行器的翼前緣、垂尾等部位首次使用了整體增韌抗氧化復(fù)合結(jié)構(gòu)材料TUFROC。其雙層結(jié)構(gòu)的內(nèi)層采用低熱導(dǎo)率的 AETB 或 FRCI，其表面涂覆了 TUFI 涂層，而外層則采用耐高溫的 ROCCI 材料。

    內(nèi)層作為過渡層可緩和涂層和基底的熱膨脹不匹配，外層起到高輻射抗氧化抗沖刷作用。ROCCI 表面涂覆了高效鉭基陶瓷復(fù)合涂層 HETC，中間過渡區(qū)域采用成分為 TaSi 2 、MoSi 2 、WSi 2等高輻射劑和含醇鹽的有機(jī)硅組成的高效粘結(jié)劑，這種設(shè)計(jì)將隔熱和防熱問題耦合起來研究，真正實(shí)現(xiàn)了防隔熱一體化的梯度設(shè)計(jì)理念。

 

    柔性隔熱氈表面熱防護(hù)涂層

 

    柔性隔熱氈主要有 FRSI、AFRSI、LHB、HHB、TABI、CFBI、CRI、OFI，被廣泛運(yùn)用在飛行器機(jī)身表面大部分面積，如上翼、尾翼側(cè)面， 升降舵輔助翼， 剎車裝置中， 如美國OV-099航天飛機(jī)。

 

美國OV-099航天飛機(jī)柔性隔熱氈表面涂層應(yīng)用

 

    其發(fā)展歷程包括：

    DC92型熱防護(hù)涂層

 

    該涂層由 50% ～ 55% 的膠態(tài)硅溶膠和 45% ～ 50% 的石英陶瓷顆粒組成。其中石英陶瓷顆粒作為增強(qiáng)相，膠態(tài)硅溶膠作為粘結(jié)劑，另外為了判斷涂層涂覆情況， SiB4 作顏料劑，通過氣相沉積混合氣體方式制備疏水涂層表面，可運(yùn)用到柔性隔熱氈 FRSI 剛性隔熱瓦 LI-900 和 FRCI 上。

    D-9型熱防護(hù)涂層

 

    該涂層由膠態(tài)的硅溶膠和不定形的 SiC 或 SiB6 組成，以異丙醇為溶劑，它具有低的熱膨脹系數(shù)，耐高溫性和抗熱震性能相比 DC92 提高。

    PCC型熱防護(hù)陶瓷涂層

 

    該涂層以氧化硅粉末和膠態(tài)的硅溶膠為混合物，以六硼化硅、四硼化硅、碳化硅、二硅化鉬、二硅化鎢、氧化鋯中的一種或幾種為輻射劑。高比表面積凝膠粒子與大尺寸 SiO 2 和硼化硅粘附在一起形成一個(gè)整體，使涂層粘度和熱穩(wěn)定性相對于 RCG、C-9 增加，六硼化硅在加熱過程中在硼硅酸鹽玻璃表面慢慢發(fā)生氧化形成表面薄膜，阻止涂層表面的揮發(fā)和進(jìn)一步氧化。PCC 不僅能耐受 1650℃高溫條件，同時(shí)具有高輻射率、高粘性和高穩(wěn)定性、低表面能等諸多優(yōu)點(diǎn)。

    結(jié)語

 

    未來的熱防護(hù)涂層的研究需改變以往涂層各功能單獨(dú)分開設(shè)計(jì)的理念，需將涂層耐溫性、抗氧化性、高輻射率、抗沖刷性等多種有益性能綜合起來考慮，以實(shí)現(xiàn)多種功能一體化設(shè)計(jì)。

 

    05 國內(nèi)外海運(yùn)及沿海發(fā)射期間航天產(chǎn)品的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對策略

 

    繼酒泉、西昌和太原發(fā)射場后，我國正在海南省文昌市建設(shè)第四個(gè)航天發(fā)射中心，即海南發(fā)射場。文昌緯度低、靠近赤道，在此發(fā)射航天器可最大限度地利用地球自轉(zhuǎn)離心力提高火箭的運(yùn)載能力（對于地球同步衛(wèi)星）和延長衛(wèi)星在軌壽命。此外，海南發(fā)射場將成為我國新一代大型運(yùn)載火箭的主要發(fā)射基地，火箭尺寸的大小不受鐵軌的限制，可以通過水路運(yùn)至海南。因此，海南發(fā)射場是保障我國航天可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要里程碑， 建成后， 將主要承擔(dān)地球同步軌道衛(wèi)星、大質(zhì)量極軌衛(wèi)星、大噸位空間站和深空探測衛(wèi)星等航天器的發(fā)射任務(wù)。在具備上述優(yōu)勢的同時(shí)，海南發(fā)射場也給中國航天帶來了一個(gè)陌生的課題，即航天器在海運(yùn)、儲存、綜合測試和發(fā)射準(zhǔn)備期間的腐蝕問題。

    腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分析

 

    文昌是我國少有的嚴(yán)酷大氣腐蝕性地區(qū) , 在氣候類型上屬于熱帶季風(fēng)島嶼型氣候，具有高溫、高濕、多雷暴、強(qiáng)降水、有熱帶氣旋登陸和高鹽霧等氣候特點(diǎn)。該地區(qū)環(huán)境是典型的熱帶海洋大氣環(huán)境：年平均氣溫 24.1℃；大氣年平均相對濕度＞ 86%，遠(yuǎn)高于 GB/T 19292.1《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性分類》規(guī)定的最高濕度 τ5 等級；大氣中的鹽霧含量很高，氯離子的質(zhì)量濃度在 0.01 ～ 0.05mg/m 3 之間，氯離子的沉降速率在 0.0006 ～ 0.0137mg/（cm 2 ·d）之間。而我國的酒泉、西昌和太原發(fā)射場都屬于內(nèi)陸發(fā)射場大氣環(huán)境，大氣的腐蝕性很弱，不存在像海南發(fā)射場那樣嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境及潛在的腐蝕失效問題。（海南發(fā)射場與內(nèi)陸發(fā)射場的大氣環(huán)境和腐蝕等級見表 1。）

 

表1 海南發(fā)射場與內(nèi)陸發(fā)射場的大氣環(huán)境和腐蝕等級

 

    沿海發(fā)射場熱帶海洋大氣環(huán)境及其效應(yīng)

 

    1）高溫與太陽輻射

 

    熱帶海洋大氣環(huán)境的高溫環(huán)境會使電子設(shè)備的工作狀態(tài)、工作點(diǎn)發(fā)生變化，技術(shù)性能指標(biāo)下降，可靠性降低，工作壽命縮短；對運(yùn)載火箭和航天器的推進(jìn)劑儲運(yùn)、加注不利。強(qiáng)太陽輻射會使暴露在自然環(huán)境的設(shè)施和設(shè)備加速老化、變質(zhì)，令表面涂層開裂、脫落，使某些塑料物質(zhì)變形、破損，縮短其使用壽命。

    2）空氣濕度

 

    當(dāng)相對濕度大于 80% 時(shí)，易使絕緣材料受潮而導(dǎo)致產(chǎn)品電氣絕緣性能下降，甚至漏電或短路；高濕對運(yùn)載火箭推進(jìn)系統(tǒng)、閥門等需要保持干燥部位不利；高濕促使霉菌孢子發(fā)芽生長，使金屬及其他材料部件腐蝕，當(dāng)濕度超過金屬的臨界腐蝕濕度時(shí)，腐蝕速度將成倍增長。總之，高濕環(huán)境對發(fā)射場、運(yùn)載火箭、航天器的光學(xué)儀器、設(shè)備以及太陽電池的工作有較多不利影響。

    3）風(fēng)與熱帶氣旋

 

    地面大風(fēng)使火箭發(fā)射前的地面載荷加大，對火箭地面測試和平穩(wěn)、安全起飛不利；超過火箭設(shè)計(jì)載荷的地面風(fēng)將導(dǎo)致火箭不能正常瞄準(zhǔn)、點(diǎn)火發(fā)射；地面大風(fēng)使發(fā)射場建筑物、構(gòu)筑物載荷加大，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全不利。熱帶氣旋則由于其生成快、移動速度快、風(fēng)速高、破壞力強(qiáng)，因而對發(fā)射場和運(yùn)載火箭、航天器的影響和危害更大。

    4）降水

 

    火箭轉(zhuǎn)運(yùn)、發(fā)射時(shí)暴露在自然環(huán)境中，降水將導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣下降、漏電甚至短路，影響火箭、航天器的正常測試、加注、發(fā)射。降水會直接接觸發(fā)射場地面設(shè)施或室外設(shè)備，也可能進(jìn)入發(fā)射場地面設(shè)施內(nèi)部，對設(shè)施、設(shè)備的工作狀態(tài)、性能產(chǎn)生影響。長時(shí)間或大量降水會使環(huán)境濕度上升，對發(fā)射場地面設(shè)備設(shè)施、運(yùn)載火箭、航天器產(chǎn)生腐蝕，影響設(shè)備可靠性與工作壽命。

 

    5）雷暴

 

    發(fā)射場地面設(shè)備設(shè)施、運(yùn)載火箭和航天器如直接受到電閃雷擊，輕者會損壞，重者則嚴(yán)重?fù)p毀；加注推進(jìn)劑后的火箭、航天器，以及推進(jìn)劑生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸、加注設(shè)備可能會因遭受雷擊而起火爆炸，從而導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)失敗。雷擊電磁脈沖和雷電感應(yīng)會對處于其影響范圍的火箭、航天器、測試發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生影響，使某些電子儀器設(shè)備性能參數(shù)發(fā)生改變或失效， 甚至是絕緣擊穿， 引燃或引爆外泄可燃推進(jìn)劑、 氣體等。

    6）海潮與海浪

 

    海潮與海浪在與海風(fēng)的綜合作用下， 會使沿海區(qū)域鹽霧濃度大大增高，影響運(yùn)載火箭、航天器海上運(yùn)輸安全，影響運(yùn)輸船在港口的停泊、進(jìn)出和裝卸載。此外，還會對近海、低海拔的發(fā)射場設(shè)施安全構(gòu)成威脅。

    7）鹽霧

 

    空氣含鹽（鹽霧）后：一是產(chǎn)生導(dǎo)電性，會使長期處于鹽霧作用區(qū)域的電子設(shè)備、儀器、電纜等。絕緣性能下降、工作可靠性降低，甚至導(dǎo)致漏電、短路； 二是具有腐蝕性，尤其對金屬物質(zhì)的腐蝕最為嚴(yán)重。鹽霧對金屬的腐蝕是以電化學(xué)方式進(jìn)行的，腐蝕機(jī)理基于原電池腐蝕。鹽霧腐蝕是熱帶海洋大氣環(huán)境的重要特征。腐蝕的結(jié)果使地面設(shè)備、設(shè)施性能變差，可靠性降低，工作壽命縮短，維護(hù)成本增加。

    NASA 肯尼迪航天中心的航天器腐蝕案例分析

 

    對于海南發(fā)射場嚴(yán)酷的大氣腐蝕環(huán)境是否會造成航天器的腐蝕，我國尚無實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，但發(fā)生在 NASA 肯尼迪航天中心（KFC）的航天器腐蝕案例或許可以帶給我們一些啟示：KFC位于美國東部佛羅里達(dá)州東海岸的梅里特島，瀕臨大西洋，靠近赤道，是美國地球同步軌道衛(wèi)星、 航天飛機(jī)、“阿波羅”

    飛船、“天空實(shí)驗(yàn)室”及各類行星際探測器的主要發(fā)射場。

    無論是地理位置、氣候條件還是發(fā)射任務(wù)，KFC 都與我國海南發(fā)射場極為相似。前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，KFC 的海洋大氣環(huán)境給航天發(fā)射活動帶來了嚴(yán)重的腐蝕問題。

    1993 年，NASA 針對航天飛機(jī)軌道器的腐蝕問題專門成立了“軌道器項(xiàng)目腐蝕控制評估委員會”，對航天飛機(jī)軌道器在 12 年間的腐蝕歷史進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：軌道器的腐蝕主要發(fā)生在發(fā)射任務(wù)期間航天飛機(jī)停留的運(yùn)載裝配間和發(fā)射臺，在軌道器在發(fā)射臺停留的近 1 個(gè)月時(shí)間，來自大西洋的高濃度鹽霧、高濕的大氣給軌道器造成了嚴(yán)重的腐蝕問題；軌道器的腐蝕區(qū)域共有 926 個(gè)，正式詳細(xì)記錄的腐蝕問題有26 個(gè)，包括與機(jī)械分系統(tǒng)相關(guān)的腐蝕問題 13 個(gè)，與主、次結(jié)構(gòu)相關(guān)的腐蝕問題 13 個(gè)，其中 12 個(gè)是由發(fā)射場大氣中的高濃度鹽霧導(dǎo)致的。

肯尼迪航天中心

 

    調(diào)研發(fā)現(xiàn)，海洋大氣對 KFC 的航天器的腐蝕影響范圍主要有：

    1）結(jié)構(gòu)與材料類。航天器的各類金屬結(jié)構(gòu)和材料；密封件和密封材料；絕緣材料；各種涂層和鍍層等。

    2）電子設(shè)備類。航天器的各類電子儀器、設(shè)備、電力與信號電線、電纜及連接器、接插件等。

    3）光學(xué)設(shè)備類。航天器的光學(xué)敏感器、光學(xué)相機(jī)、光能電池等。

    4）機(jī)械電氣設(shè)備類。航天器的各類機(jī)械電氣設(shè)備。

    5）推進(jìn)劑與火工品類。星上發(fā)動機(jī)火藥啟動器、電爆管、電爆閥。

    海南發(fā)射場航天產(chǎn)品腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分析

 

海南省文昌發(fā)射中心

 

    海南發(fā)射場是我國少有的嚴(yán)酷大氣腐蝕性地區(qū)，其大氣腐蝕性顯著高于我國酒泉、西昌和太原發(fā)射場，甚至高于KFC。從上面的腐蝕案例來看，雖然 NASA 在材料和工藝的選用和產(chǎn)品保證中有嚴(yán)格的腐蝕控制要求，但海運(yùn)和沿海發(fā)射場帶來的航天產(chǎn)品腐蝕問題仍時(shí)有發(fā)生；所以將來在海南發(fā)射場發(fā)射的航天器，在海上運(yùn)輸和發(fā)射場的儲存、綜合測試、發(fā)射準(zhǔn)備期間，材料、元器件、零部件甚至組件發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)是存在的。腐蝕的發(fā)生雖然不足以引起航天器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低，但腐蝕對航天器的危害是巨大的，主要體現(xiàn)在：

    1）腐蝕產(chǎn)物是一種隱性的多余物，且成分較為復(fù)雜，往往是金屬、氧化物和鹽的混合物。其中的金屬多余物易導(dǎo)致航天器元器件（如電連接器、繼電器等） 發(fā)生短路、 擊穿、絕緣不良等致命失效；非金屬多余物易則導(dǎo)致航天器元器件、零部件發(fā)生阻塞、觸點(diǎn)不通或接觸電阻過大等失效。

    2）腐蝕會導(dǎo)致航天產(chǎn)品表面的光學(xué)、電、熱控和磁性能等退化。

    3）腐蝕危害具有延時(shí)性。雖然腐蝕主要發(fā)生在海運(yùn)和發(fā)射場的儲存、綜合測試、發(fā)射準(zhǔn)備等地面階段，但腐蝕的危害性會延伸至航天器的在軌運(yùn)行階段。

    此外，我國現(xiàn)行的航天器包裝技術(shù)要求主要適用于以往內(nèi)陸發(fā)射場的公路、鐵路、飛機(jī)運(yùn)輸及測試、發(fā)射過程，包裝箱、星（船）衣是否能夠滿足海運(yùn)和文昌發(fā)射中心高腐蝕性大氣的防護(hù)需求是未知的。

    國外應(yīng)對腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的策略

 

    為避免和降低海運(yùn)和沿海發(fā)射場海洋大氣環(huán)境對航天產(chǎn)品的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，NASA 和 ESA 制定了多項(xiàng)應(yīng)對措施，主要包括：

    1） 頒布各類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， 針對航天器的設(shè)備、 組件、 元器件、材料和工藝推行以鹽霧和濕熱試驗(yàn)為主的環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)和保證工作NASA/TP-1999-209263《Multilayer Insulation MaterialGuidelines》 （多層隔熱材料指南） 指出 ： 多數(shù)發(fā)射場都建在沿海，雖然多數(shù)航天器在運(yùn)至發(fā)射塔和安裝至運(yùn)載火箭的過程中都是在凈室或環(huán)境密封艙內(nèi)操作，并且在發(fā)射塔期間還處于有恒溫恒濕空調(diào)保障的隔離間內(nèi)，但鹽霧等海洋性大氣依然能夠通過空調(diào)與航天器接觸，因此，在多層隔熱材料的設(shè)計(jì)中，要考慮材料在鹽霧等海洋大氣環(huán)境下的腐蝕問題，進(jìn)行有關(guān)鹽霧試驗(yàn)評價(jià)。鹽霧試驗(yàn)要求按照美國材料與試驗(yàn)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM B117《Standard practice for operating salt spray（fog）apparatus》（鹽霧試驗(yàn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程）的規(guī)定進(jìn)行。

    2）航天器與沿海運(yùn)輸、裝卸的兼容性設(shè)計(jì)與防護(hù)在 NASA 航天器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 SP-8000《NASA Space VehicleDesign Criteria SP-8000》系列中，NASA SP-8104《StructuralInteraction with Transpor- tation and Handling Systems》（結(jié)構(gòu)與運(yùn)輸和裝卸系統(tǒng)間的相互作用）介紹了航天器結(jié)構(gòu)與運(yùn)輸、裝卸系統(tǒng)間的兼容性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與防護(hù)策略。值得注意的是，其中與環(huán)境的兼容性設(shè)計(jì)和防護(hù)同海運(yùn)中的海洋氣候環(huán)境相關(guān)。下面將介紹 NASA SP-8104 中航天器與運(yùn)輸環(huán)境的兼容性設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。

    ①航天器與運(yùn)輸、 裝卸環(huán)境兼容性設(shè)計(jì)的必要性。 在運(yùn)輸、裝卸過程中，包括暫時(shí)性儲存中，航天器將一定程度地暴露于自然環(huán)境中，由此給航天器結(jié)構(gòu)帶來一些潛在的有害影響。因此， 需要通過運(yùn)輸和裝卸系統(tǒng)， 或者適當(dāng)?shù)暮教炱鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對航天器結(jié)構(gòu)施加保護(hù)來避免這些有害影響。一種確定航天器在運(yùn)輸和裝卸過程中關(guān)鍵性環(huán)境因素的方法是使用物流流程圖。物流流程圖能夠詳細(xì)說明運(yùn)輸和裝卸過程中的各個(gè)階段及與之相關(guān)的自然環(huán)境，并最終確定環(huán)境的嚴(yán)酷性、作用頻率和各環(huán)境因素間的組合。

    ②兼容性設(shè)計(jì)中需要考慮的自然環(huán)境及其效應(yīng)。下表給出了航天器在運(yùn)輸過程中最經(jīng)常暴露于其中的環(huán)境及其主要的破壞作用。其他的自然環(huán)境（包括太陽輻射、臭氧、沙 / 塵、電磁和粒子輻射、閃電和靜電放電等）并不是運(yùn)輸和裝卸過程中航天器結(jié)構(gòu)的主要危害。

 

 

 

    3）航天器與運(yùn)輸、裝卸系統(tǒng)間兼容性設(shè)計(jì)的建議措施要識別并量化航天器在運(yùn)輸、裝卸包括暫時(shí)儲存過程中遇到的自然環(huán)境因素，就要判斷這些環(huán)境因素的量值是否超過了航天器對這些環(huán)境的抗力進(jìn)而決定是否需要控制或完全消除這些環(huán)境因素對航天器的影響。根據(jù)需要，這些自然環(huán)境因素及其控制方法可單獨(dú)或整體考慮。下表列出了通常需要考慮的自然環(huán)境因素及建議的防護(hù)措施。這些自然環(huán)境因素來自于沿海發(fā)射場和一些與發(fā)射場連接的船運(yùn)水路。

    結(jié)論及建議

 

    海南發(fā)射場地處我國少有的嚴(yán)酷大氣腐蝕性地區(qū)，未來在此發(fā)射的航天器在海運(yùn)和發(fā)射場期間存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。為降低、防范這些腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，提出以下建議：

    1）提高航天產(chǎn)品的表面處理工藝水平，提升海運(yùn)和海南發(fā)射場期間產(chǎn)品的抗腐蝕能力。

    2）加強(qiáng)航天產(chǎn)品的腐蝕控制管理。在相關(guān)原材料、元器件、 零部件和工藝的選用中以及批次產(chǎn)品的復(fù)驗(yàn)中，將抗鹽霧、 濕熱等耐腐蝕性能作為主要的驗(yàn)收技術(shù)要求。

    3）積極開展航天器關(guān)鍵材料、元器件、零部件在海南氣候環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)研究，逐步完善、健全我國關(guān)于航天產(chǎn)品腐蝕控制的技術(shù)要求、選用準(zhǔn)則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

    4）對現(xiàn)在使用的航天器用包裝箱、星（船）衣能否滿足航天器在海洋運(yùn)輸及海南發(fā)射場期間高腐蝕性大氣的防護(hù)需求，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

    5）識別并量化航天器在海運(yùn)及海南發(fā)射場期間的自然環(huán)境， 評價(jià)這些環(huán)境的量值是否超過了航天器的抗力，進(jìn)而決定是否需要控制或完全消除這些環(huán)境對航天器的影響。（資料來源：知網(wǎng)）