文 | 蔡健平 陸峰 吳小梅 北京航空材料研究院

腐蝕現(xiàn)象廣泛存在于自然界和工業(yè)環(huán)境中。由于航空產(chǎn)品使用范圍更廣 , 服役條件更為惡劣 , 在自然環(huán)境中和工作環(huán)境下 , 腐蝕問題會很突出。例如英、美空軍每架飛機每年因腐蝕造成的直接修理費用在 11000 美元 ~52000 美元之間 , 而且腐蝕對飛行安全也造成很大威脅。又如渦輪是航空噴氣發(fā)動機的關鍵部件 , 它在非常嚴酷的環(huán)境下工作 , 易受到高溫氧化和熱腐蝕的損害。通過防護提高渦輪葉片高溫性能，使其能在更高的溫度下工作已經(jīng)成為制約飛機性能的關鍵技術之一。因此開展航空產(chǎn)品的腐蝕與防護的研究具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。滯1. 航空材料的腐蝕與防護發(fā)展現(xiàn)狀我國針對航空產(chǎn)品的腐蝕與防護的研究和應用起始于上世紀五十年代 , 經(jīng)過幾十年的曲折發(fā)展 , 取得了很大進步。目前在航空產(chǎn)品的常溫腐蝕與防護上 , 已經(jīng)進入了向國際接軌的發(fā)展階段。在飛機發(fā)動機高溫腐蝕和防護上 ,已經(jīng)研究成功多種發(fā)動機部件所使用的中、高溫防護涂層 , 部分涂層進入批量生產(chǎn)階段 , 有些研究工作達到或接近國際先進水平。滯1.1 自然環(huán)境試驗自然環(huán)境試驗是在極端環(huán)境或典型環(huán)境條件下對航空產(chǎn)品及其材料、工藝、構件進行環(huán)境適應性研究。戶外暴露試驗是自然環(huán)境試驗的基本手段 , 是研究材料和環(huán)境作用的試驗基礎。

我國已經(jīng)對純鋁及幾種常用的航空鋁合金進行了二十多年的自戶外暴露試驗。研究發(fā)現(xiàn)一般鋁及鋁合金在海洋、工業(yè)、濕熱鄉(xiāng)村和潮濕城市大氣暴露約3 年后 , 表面會布滿腐蝕產(chǎn)物 , 并伴有棕、灰、白、黑等均勻分布的點狀腐蝕產(chǎn)物。硬鋁 LY12 在酸雨地區(qū)有晶間腐蝕的傾向 , 而在濕熱或濕熱海洋性大氣中還會發(fā)生剝蝕。如圖 1 為 LY12 鋁合金萬寧暴露十年后剝蝕的電子顯微鏡照片。

目前我國戶外暴露的試樣不僅有平板金屬試樣 , 還包括部分實際工程用的非金屬材料和受力件和構件。在試驗設備和研究能力方面 , 初步具備了齊全的環(huán)境試驗和研究的條件。例如北京大氣試驗站實驗室面積已經(jīng)達到 900m 2 , 設有氣象觀測實驗室、化學分析實驗室、材料性能檢測實驗室、微觀分析實驗室、電化學實驗室、腐蝕實驗室、腐蝕模擬加速實驗室等。目前在戶外試驗數(shù)據(jù)分析處理、大氣腐蝕監(jiān)測器和大氣環(huán)境腐蝕性分類等方面的研究取得了不小的進展。滯1.2 戶內(nèi)加速試驗研究自然環(huán)境下戶外暴露試驗是評價材料大氣腐蝕的基本方法 , 但試驗的周期很長 , 遠遠不能滿足材料研制、腐蝕控制、材料防護工程和科學研究的要求。

為了更好地滿足我國航空工業(yè)對快速評價材料環(huán)境適應性的要求 , 北京航空材料研究院發(fā)展了一種綜合環(huán)境試驗機 , 并發(fā)展了一種針對航空鋁合金的綜合加速試驗譜。表 1 是該綜合加速試驗的加速試驗譜。研究表明 , 同傳統(tǒng)的加速試驗相比 , 該綜合加速試驗能更好地模擬航空鋁合金的大氣腐蝕。滯1.3 腐蝕機理和測試技術研究高強度航空材料在力學 - 環(huán)境因素的交互作用下可能會發(fā)生應力腐蝕而導致災難性的事故。因此開展應力腐蝕的測試和研究是腐蝕和防護的一項重要內(nèi)容。目前已經(jīng)發(fā)展了一些應力腐蝕敏感性的測試標準。這些試驗標準在研究新研材料和引進飛機材料的應力腐蝕性能方面發(fā)揮了重要作用。另外也有人設計了一些非標準的應力腐蝕試驗來模擬試件的服役條件 , 試驗的結果與實際情況符合的較好。由于實際的應力腐蝕往往發(fā)生在大氣環(huán)境中 , 所以設計了一種便攜式拉伸應力腐蝕試驗器 , 用于開展戶外大氣應力腐蝕的研究。

飛機結構往往由多種材料構成 , 在一定條件下不同材料的相互接觸會導致接觸腐蝕和電偶腐蝕。研究者對鋼與鋁合金和鈦合金接觸時的電偶腐蝕和防護方法進行研究 , 得到了很多對實際工程有指導價值的結論。隨著復合材料在航空產(chǎn)品上得到應用 , 復合材料和金屬材料接觸時所引起的相容性問題開始得到人們的重視 , 并提出了一些防護措施。

某型飛機承力框下半框 7A04-T6 鋁合金與橡膠軟油箱接觸部位發(fā)生了嚴重腐蝕裂紋故障。研究表明 : 這是由于在一定條件下橡膠抗老化涂層對鋁合金的接觸腐蝕所致。圖 3 是在相同相對濕度條件下 , 幾種橡膠抗老化涂層對鋁合金的接觸腐蝕作用。圖 3 表明的不同涂層對于接觸腐蝕有不同的作用 , 因此必須重視非金屬材料和金屬材料的接觸腐蝕。

總之 , 在腐蝕機理和測試技術研究方面 , 我國取得了不少成果 , 對指導工程應用起到了重要作用。滯1.4 航空發(fā)動機高溫防護涂層航空發(fā)動機所用的高溫防護涂層一般可分成擴散涂層 （diffusion coatings）和包覆涂層 （overlaycoatings） 目前我國已經(jīng)發(fā)展出多種發(fā)動機部件所使用的鎳鎘擴散涂層、滲 Al 、Al -Si 料漿涂層、滯Pt-Al 涂層、包覆型 MCrA lX 涂層、熱障涂層、抗氧化防脆化涂層、封嚴涂層等 , 部分涂層進入批量生產(chǎn)階段。滯MCrAIY 涂層是一種包覆性涂層 ,它克服了傳統(tǒng)鋁化物涂層與基體之間互相制約的弱點 , 進一步提高了發(fā)動機材料的抗氧化的能力。圖 4 是通過真空電弧鍍技術在實際發(fā)動機渦輪葉片上涂敷NiCoCrAlYHf 高溫防護涂層的樣件。

隨著航空燃氣輪機向高流量比、高推重比、高進口溫度的方向發(fā)展 , 燃燒室中的燃氣溫度和壓力不斷提高 ,我國開展了熱障涂層 （therma l barriercoatings, 簡稱 TBCs） 的研究。熱障涂層是由陶瓷隔熱面層和金屬粘結底層組成的涂層系統(tǒng) ZrO 2 是目前陶瓷隔熱面層中研究最多的成分 , 圖 5 是采用電子束物理氣相沉積 （EB-PVD） 方法制備的氧化鋯陶瓷隔熱層 , 可以看出隔熱層呈現(xiàn)柱狀晶組織、熱循環(huán)試驗證明柱狀晶組織較普通的纖維狀組織具有更高的抗熱疲勞性能。另外我國還開展了納米陶瓷熱障涂層的研究 , 圖 6 是納米陶瓷熱障涂層 1100℃高溫氧化動力學曲線 , 該涂層氧化動力學曲線呈比較明顯的拋物線形狀 , 在氧化進行到 340h 才開始失效。

1.5 表面處理和防護技術的研究目前在航空工業(yè)中常見的表面處理和防護技術有電鍍、陽極化、緩蝕劑、涂層等。為了滿足航空工業(yè)的需要 , 國內(nèi)開展了高強度鋼低氫脆無氰鍍鎘 - 鈦替代氯化銨鍍鎘的工藝應用研究。研究發(fā)現(xiàn) , 鎘 - 鈦鍍層的耐蝕性優(yōu)于氯化銨鍍鎘鍍層 , 且其氫脆性能也優(yōu)于氯化銨鍍鎘鍍層。圖 7 為鍍鎘 - 鈦 + 鈍化后的鍍層微觀形貌。由于傳統(tǒng)的鋁合金鉻酸陽極化會造成環(huán)境污染 , 而硫酸陽極化會影響材料的疲勞性能。因此我國開展了硼酸 - 硫酸陽極化工藝的應用研究。結果表明 : 硼酸硫酸陽極化耐蝕性滿足航空工業(yè)的要求 , 并且不降低材料的疲勞性能。

為了在日常飛機維護過程中防止和減緩腐蝕 , 研制了一種飛機用的硬膜型脫水防銹劑。該防銹劑施加在飛機表面，可自動去除表面水分和鹽分 , 并很快形成透明硬膜、硬膜型防銹劑的特點是膜厚質(zhì)地較硬、不易破壞 , 耐磨、不沾灰 ,保護期一般可長達半年至一年半時間 ,是飛機外場簡便易行的一種防護材料。

鋁合金的化學氧化由于設備簡單、操作方便、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點 , 也廣泛應用于航空工業(yè)中。北京航空材料研究院研制的 CJ-23 型化學氧化工藝所得到的膜層耐蝕性好 , 成本低 , 在實際應用中取得了良好的效果。滯防腐涂層是提高飛機環(huán)境適應性的最重要的防護手段之一 , 目前我國的防腐涂層正向高性能和環(huán)境友好等方向發(fā)展。另外國內(nèi)在防腐密封劑、憎水劑等方面的工程化也取得很大的進步。滯2 航空材料的腐蝕和防護技術發(fā)展展望隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展 , 對腐蝕和防護技術提出了更高的要求 , 因此我國的腐蝕和防護技術將會得到更大發(fā) 滯2.1 自然環(huán)境中的戶外暴露試驗在戶外暴露試驗方面 , 將進一步提高試驗網(wǎng)站的環(huán)境試驗能力和水平。如實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)自動采集分析和處理 ; 實現(xiàn)試驗對象主要及關鍵性能的現(xiàn)場檢。

將通過自然環(huán)境試驗開展新材料和先進材料環(huán)境適應性及其環(huán)境失效行為研究。如復合材料、鋁鋰合金、阻尼鋁合金、新型鑄造鋁合金等新材料和先進材料環(huán)境適應性及其環(huán)境失效行為研究 , 為新材料和先進材料的應用提供依據(jù)。加強零件、部件、受力件、焊接件、涂層防護系統(tǒng)的環(huán)境適應性及其環(huán)境失效行為研究。加強整機環(huán)境適應性及其環(huán)境失效行為研究。為提高整機的環(huán)境適應性提供方向、開展早期和現(xiàn)場監(jiān)檢測技術研究 , 研究材料在環(huán)境中早期失效的行為 , 為預測材料的長期環(huán)境適應性提供依據(jù) , 為實現(xiàn)預測 - 防護的技術路線奠定基礎。滯2.2 戶內(nèi)加速試驗及戶內(nèi)外試驗之間的相關性應根據(jù)我國的環(huán)境特點和航空材料體系和防護體系 , 研制具有獨立知識產(chǎn)權的加速試驗設備。使試驗設備向多樣化、大型化、綜合化發(fā)展 ; 發(fā)展適合我國的加速試驗方法 , 同時要在試驗方法和試驗手段上向國際接軌 , 滿足我國航空工業(yè)對快速評價材料環(huán)境適應性的要求。滯2.3 加強腐蝕控制技術及其應用研究進一步提高已有腐蝕控制技術的工程應用水平 , 發(fā)展高性能、環(huán)境友好的防護技術如氟涂料、高速火焰噴涂、微弧氧化、離子鍍鋁等技術 , 以滿足新一代航空產(chǎn)品腐蝕與防護的要求。滯2.4 提高我國航空材料高溫防護技術和工程應用水平在現(xiàn)有研究基礎上 , 大力開發(fā)新型高效涂層技術 , 研究多元、多層及納米涂層以及高性能抗氧化防脆化防護涂層 , 加速涂層的應用研究。重視采用電子束物理氣相 （EB-PVD） 等先進技術 ,從熱障涂層壽命、隔熱效果、質(zhì)量檢測等方面研究熱障涂層工藝及應用技術。

2.5 加強腐蝕和防護工程管理加強控制腐蝕和防護措施、方案、標準、規(guī)范等的制訂 , 進一步開發(fā)腐蝕和防護數(shù)據(jù)庫平臺。環(huán)境適應性知識庫，進行人員培訓 , 開展航空腐蝕工程系統(tǒng)控制技術研究。使將環(huán)境適應性控制貫穿于設計、維護和日常管理上。滯3 結束語我國的腐蝕和防護研究在過去為我國航空工業(yè)的發(fā)展做出了應有的貢獻 ,在戶外暴露試驗、戶內(nèi)加速試驗研究、腐蝕機理和測試、航空發(fā)動機高溫防護涂層以及表面處理和防護技術等方面都取得了不小成績。未來將重點發(fā)展自然環(huán)境試驗、材料環(huán)境適應性、戶內(nèi)加速試驗及戶內(nèi)外試驗之間的相關性、腐蝕控制技術及其應用、航空發(fā)動機高溫腐蝕和防護技術和腐蝕和防護的管理等方面。