腐蝕與防護控制技術是航空裝備安全、長壽命、高耐久性和低維修成本的重要保證，也是未來航空科技和武器裝備研制、發展之必不可少的技術之一。為了全面科普航空工業腐蝕與防護的專業知識，深入探討腐蝕與防護技術的前沿科技，推動飛行器腐蝕防護與控制技術跨越式發展。記者特邀請到中國航空發動機集團北京航空材料研究院副總工程師、中國航空工業集團公司基礎技術研究院腐蝕與防護首席技術專家陸峰研究員做相關方面的精彩解讀。

 陸峰研究員

    厚積薄發 乘六十年技術底蘊

    北京航空材料研究院腐蝕與防護專業是國內最早成立的從事航空腐蝕與防護研究的專業機構。陸峰自豪地說，北京航空材料研究院自建立以來在航空材料環境試驗及表面防護技術的應用基礎研究和工程應用方面取得了諸多可喜的成果及進展。

    北京航空材料研究院自1956 年建院以來就設立了腐蝕與防護研究室，是國內最早從事航空材料環境適應性評價、腐蝕性能表征、表面防護技術研究的專業研究機構。建有國家材料環境腐蝕平臺北京大氣環境試驗站，同時也是國防科技工業自然環境試驗站網的重要組成部分之一。

    1957 年，北京航空材料研究所（原航空工業局六所）遷入新址（北京市海淀區環山村），通過調研，根據蘇聯專家建議在所內建立北京大氣腐蝕試驗站，建成后具備常規的自然環境試驗能力，之后還在沈陽、南昌、海南等地建立了航空材料的大氣暴露場（站）。

    1980 年北京大氣腐蝕試驗站成為國家科委和國家自然科學基金委的組織領導下的全國大氣環境腐蝕試驗網站中的八個試驗站成員單位之一，1982 年在國家自然科學基金委、三機部和北京航空材料研究院的支持下，改擴建北京大氣腐蝕試驗站，新建了符合國際標準的暴露場和實驗室，并添置了用于金屬、非金屬材料腐蝕性能檢測的多種儀器設備。

    2001 年國防科技工業自然環境試驗研究中心和國防科技工業自然環境試驗站網成立，北京自然環境試驗站是站網主要成員之一。

    2003 年，國防科工委批復了北京大氣自然環境試驗站建設項目，對北京大氣試驗站進行全面的改造，顯著提升了北京大氣試驗站試驗與研究能力，基本滿足了武器裝備新產品研制、開發對暖溫帶半鄉村氣候自然環境適應性試驗研究，提高武器裝備質量、可靠性的需要。具有完整的腐蝕性能測試設備和高素質的研究、測試人員，獲得中國實驗室國家認可委員會（CNAS）頒發的認可證書， 通過GE 公司的S400 認證，是GE 公司、龐巴迪公司等認可的腐蝕實驗室。

    60 年來，隨著我國航空工業的快速發展，航空材料環境試驗技術、表面防護技術基礎研究與工程應用研究也取得了長足的進步。在環境試驗技術研究方面，開展了多種航空材料及制件的大氣暴露試驗，多種實驗室加速腐蝕（單因素、多因素的綜合模擬）試驗，以及電化學腐蝕試驗研究。在實驗室加速模擬試驗方面和腐蝕測試上的研究獨具特色，開發了多因素綜合環境試驗裝置， 建立了多項大氣腐蝕監檢測技術，研制出的便攜式拉伸應力腐蝕試驗裝置等， 在戶內外腐蝕損傷相關關系、航空材料在大氣環境中的失效及破壞規律等方面取得了豐碩的成果。

    特別是“十二五”期間，開展了航空關鍵材料的環境適應性數據資源建設， 投試高強鋼、橡膠及密封劑、復合材料、鋁合金、防護涂層、結構件和等各類環境試驗樣品4900 余件，積累各類材料的環境適應性基礎數據3 萬余條，總結了各類航空關鍵材料及零部件在自然環境中的適應性規律。探討了典型航空高強度鋼的大氣腐蝕機理、典型航空有機涂層在氣候- 力學環境中的損傷機理、典型非金屬結構和功能材料的大氣老化機理、新型鋁鋰合金的大氣腐蝕機理等。

    突破了航空關鍵材料及其結構件和零部件在典型自然環境中的性能演變規律和損傷機理評價技術，橡膠及密封劑、樹脂基復合材料等環境試驗的等效性評估技術，為武器裝備及其基礎產品的環境適應性評價提供有效的技術手段。突破了航空有機涂層的氣候環境與力學環境模擬加速試驗技術，新型鋁鋰合金模擬海洋大氣環境加速試驗技術、典型樹脂基復合材料在自然大氣環境中耐沖擊性能加速試驗評價技術等多項關鍵技術。

    為新型戰斗機、運輸機等型號開展了環境適應性設計選材數據咨詢服務， 篩選材料、防護工藝數十種，優選出了適用于不同環境下使用的材料、防護工藝，有效保障了武器裝備全天候、多地域可靠使用的環境適應性要求；開展環境適應性考核、評價和技術咨詢服務， 提出環境適應性改進措施建議，解決產品腐蝕、老化、壽命不符要求等問題， 為型號研制成功做出了重要貢獻。

    譜寫華章 為航空裝備防腐出謀劃策

    陸峰表示，為了提高科研人員的科研水平、開展眼界，曾以第一作者組織撰寫了《航空材料環境試驗及表面防護技術》。該書系統地介紹了北京航空材料研究院腐蝕與防護專業成立以來在航空材料環境試驗及表面防護技術的基礎研究和工程應用方面取得的成果，著重對北京航空材料研究院（以下簡稱“航材院”）近20 年來的創新性成果進行了系統展示。通過對航材院航空材料環境試驗及表面防護技術在幾十年發展過程中從無到有、由弱到強的發展過程的回顧及分析，對航空材料環境試驗及表面防護的特色技術、關鍵技術研究過程及工程應用的總結，可以系統地總結航空材料環境試驗及表面防護技術的發展規律、規劃我國新型航空材料環境試驗及表面防護技術的發展方向，特別是對提高科研人員的科研水平、開展眼界等具有很好的指導作用。

    全書共分為12 章。內容包括：高強度鋁合金大氣腐蝕模擬加速評價技術；樹脂基復合材料環境適應性評價技術；飛機表面防護涂層環境適應性加速評價技術；結構試樣防護涂層體系性能評價技術；大氣腐蝕監測儀和kelvin 探針電化學檢測技術；大氣應力腐蝕試驗技術；圖像識別和電化學噪聲大氣腐蝕早期監檢測技術；高強度鋼和鈦合金表面鍍覆層防護技術；有色金屬表面轉化膜技術；超音速火焰噴涂、爆炸噴涂及低溫氣動噴涂技術；飛機腐蝕維護與維修技術；航空高強度材料及構件表面強化技術等。

    該書可供從事航空產品設計、研究、生產、檢驗、使用和維修等部門的有關工程技術人員使用，亦可供其他相關部門的有關技術人員及高等院校師生參考。

    走向深藍 航空工業腐蝕控制迫在眉睫

    近年來，我國周邊區域軍事熱點事件頻發。我國南海主權不斷受到東南亞國家挑戰，在釣魚島附近海域與日本存在潛在沖突，同時我國海軍艦隊遠赴亞丁灣打擊索馬里海盜等行動突顯了新時期我軍建設理念由國土防御向突破第一島鏈，走向深藍，以現代化的國防軍事力量保障全球范圍內經濟貿易長期穩定的方向轉變。在這樣的背景下，海軍飛機、航母編隊各型飛機如艦載戰斗機、直升機、預警機等迅速發展，我國航空工業迎來井噴式、跨越式發展的新階段， 同時，航空工業的防腐蝕問題獲得前所未有的受到重視。

    陸峰說，眾所周知，熱帶海洋大氣環境十分惡劣，其基本因素包括溫度、濕度、風、降水、太陽輻射、海水飛濺作用等。與內陸環境相比，其高溫、高濕及高鹽霧的特性突出。因此，海洋大氣環境中金屬的腐蝕要遠高于內陸地區，以海南萬寧的熱帶海洋大氣環境為例，其對鋼的腐蝕速率是江津等內陸地區的2-4 倍。以我國海軍迄今為止深入海洋最遠、時間最久的任務“亞丁灣護航行動”為例，多種直升機在此任務中暴露了嚴重的腐蝕問題，不得不提前進入返廠大修。

    由環境效應引發的海洋環境服役飛機故障給美軍機務維修工作帶來了沉重的負擔，造成維修費用提高和飛機服役期限降低。美國海軍的統計數據表明， 從1994 年到2004 年，海洋環境服役飛機腐蝕損傷檢查、維修時間占綜合檢查維修時間的36%；由于腐蝕損傷，海軍航空裝備每年直接損失達10 億美元左右，因腐蝕原因而引發的安全事故224 件，涉及飛機227 架。美國海軍每年用于應對海洋環境服役飛機腐蝕問題的費用達到20 億至30 億美元，占海軍年維修費用的1/3。美國海軍明確提出結構及設備等嚴重、廣布的腐蝕損傷已構成當前航空裝備頭等重要的安全問題。

    因此，對于海軍飛機尤其是剛剛處于起步階段的我國海軍飛機，由于經常處于海洋大氣腐蝕環境之中，機體腐蝕問題已經成為決定其壽命、保證技戰術水平的關鍵因素。

    航空器包括很多不同種類的航空材料，這些材料所處的工作環境各不相同， 導致對航空材料產生腐蝕的原因也是多種多樣的。腐蝕類型可分為以下幾種：

    電化學腐蝕

    電位差與電解質溶液是形成電化學腐蝕的兩個基本條件。在飛行器的結構之中，承擔功能的不同，所以不同結構所使用的材料性質也不同。比如，飛行器的表面材料大多使用具優良延展性、相對強度低的鋁合金材料、起落架及龍骨梁則選用強度高的合金鋼材料。材料不同，它們的電極電位也不同，如果它們接觸就有可能產生腐蝕的隱患；就算是同類的材料，由于其內部雜質的存在或其自身就是由不同電極電位多相組成，因此也存在著電化學腐蝕隱患。

    作為中遠程運輸的交通工具，飛行器工作的特點直接決定了它的工作環境的變化要大于其他交通工具。飛機在工作中經常穿越溫度、溫度相差很大的氣候地帶，尤其是我國幅員廣闊，有著亞熱帶及熱帶濕潤型氣候，航空材料難以避免的要在潮濕的環境中工作，還會因為晝夜溫差的變化，在結構中積水。空氣里的二氧化碳、二氧化硫等氣體包附在航空材料的表面，發生電離而產生電解質溶液，使航空材料產生吸氧腐蝕現象。同時飛行器內部有大量連接間隙， 形成電化學腐蝕蔓延。

    承力結構應力腐蝕

    它是指應力與腐蝕環境的共同作用下對材料的破壞方式。應力腐蝕只會發生在特定腐蝕環境與材料體系之中，它的特點是造成破壞的靜應力大大低于材料屈服強度，斷裂形式是不產生塑性變形的脆裂，拉應力是其主因。

    以飛機起落架應力腐蝕例，起落架是飛行器主要受力結構之一，當飛行器停放時，起落架輪軸受到拉應力的作用， 可能在腐蝕介質下產生應力腐蝕現象。起落架的材質通常為鍍鉻高強鋼，其強度高、耐磨損但硬度較脆，易在飛行器的起降突變負荷作用下缺陷掉落而失去效果。清洗、結露等會使起落架輪軸積水，其雜質也容易在起降或是清洗時附在輪軸位置，形成應力腐蝕溶液，從而造成應力腐蝕。在飛行器上易產生應力腐蝕部位還有：廚房、廁所下方區域， 濕氣的長期聚焦，容易出現腐蝕；機身頂部，由于冷凝水聚集作用再加受拉伸應力，易產生應力腐蝕；機身下部，艙門口、廚房、貨艙附近的部位易出現腐蝕；框架、桁條及止裂帶；機身蒙皮， 在應力、濕氣雙重作用下，產生蒙皮鼓包、變形、丟失緊固件，易出現裂紋； 壓力隔框，經常出現于位置較低部位， 尤其是排水設施不夠及未維護的部位； 大翼及安定梁，對梁上各種位置腐蝕的探測、修理非常困難；翼中段、承壓艙板； 貨艙門的平衡彈簧應力性腐蝕。

    發動機部件的高溫氧化

    發動機部件的主要腐蝕表現形式是高溫氧化。推力大、效率高、油耗低、壽命長是航空發動機發展趨勢。只有對渦輪進口燃氣溫度進行提升，才能提高航空發動機的性能，實現提升推力的同時降低油耗。所以發動機的渦輪葉片抗高溫氧化的性能非常關鍵。對此可采取幾種方法進行防護：保障性能前提之下， 提高葉片材料本身熔點和高溫抗氧化的能力；使用與基體材料具有良好結合力、高溫性能佳的高溫防護涂層或熱障涂層；采用氣膜冷卻技術，令冷卻的空氣在渦輪葉片表面構成保護氣膜，顯著提高葉片的使用溫度和承溫能力。

    鎳基高溫合金是當前在航空航天領域中發展最成熟、應用最廣泛的材料。它具備優良的綜合性能：高溫強度、室溫的韌性及抗氧化性能優異，但它的極限應用溫度為1100 至1150 攝氏度，已達其熔點85%，再提升其使用溫度潛力較小。隨著發動機推力和效率的提高，發動機渦輪前溫度需不斷提高。未來的航空發動機要求其熱端關鍵部件在2000K 以上的高溫和復雜載荷條件下長期可靠使用，因此傳統的鎳基和鈷基高溫合金已經不能滿足下一代高性能先進發動機的需求。

    近年來在單晶高溫合金、金屬間化合物、難熔金屬、超高溫陶瓷基復合材料、碳/ 碳復合材料、抗氧化涂層材料及技術、熱障涂層材料和技術方面發展很快，開展了高溫和超高溫結構材料的抗氧化、抗燒蝕、抗沖刷、抗蠕變、抗熱震等環境適應性研究，顯著提高了材料的高溫斷裂韌性、持久強度和疲勞性能等。

    超高音速飛行器與空氣的劇烈摩擦產生的熱量，會導致鼻錐、機翼前緣、機翼擋板等的溫度升高到20000℃左右。密度低、抗燒蝕、導熱好、抗熱沖擊和熱震性良好的碳/ 碳復合材料是最佳的選擇，但碳/ 碳復合材料的主要問題是高溫環境下的氧化。

    面向未來 四大舉措為航空裝備“保駕護航”

    航空裝備、飛行器的環境適應性設計都是在對之前研制、使用、修理、維護過程中出現的環境損傷事件（事故） 充分分析研究后，基于經驗的研究方法逐步建立并完善起來的。以往的環境適應性設計技術主要針對內陸服役飛機， 在形成過程中已有大量的內陸服役飛機處于不同的狀態，從生產、服役、大修、到再次服役直至退役。這些不同狀態的飛機，為環境適應性設計提供了大量豐富的實踐經驗和教訓，在設計中目標和狀態明確，針對性強。由于我國尚沒有海洋環境飛機長期服役，缺乏可直接借鑒的經驗，飛行器海洋環境適應性的系統研究剛剛起步。因此，目前海洋環境服役飛機的環境適應性設計只能以內陸服役飛機為參考，進行局部完善，雖然加強了裝配過程中防護設計，但整體提升有限。我國海洋環境服役飛機已經發生的環境損傷問題說明了目前海洋環境服役飛機環境適應性設計的局限性。

    隨著海洋環境服役飛機或艦載機大規模長時間的服役，尤其是在熱帶海域執行遠洋任務，將面臨更加嚴酷的壽命期環境的影響，屆時環境腐蝕和環境損傷現象將日益嚴重，出現更多的由環境適應性不足引起的故障。以目前海洋環境服役飛機具有的環境適應性水平，將會帶來使用和保障費用的居高不下，造成我國海軍飛機的作戰效能受到嚴重影響。

    陸峰表示，由于飛行器腐蝕問題已成為決定海洋大氣環境服役飛機壽命、保證技戰術水平的關鍵因素，未來應以英、美等空軍、海軍飛機腐蝕控制理念為參照，逐步改變我國以往以經驗、修理為主，被動應對飛機腐蝕問題的觀念， 將飛機腐蝕與防護作為一個系統學科， 在飛機型號論證、設計、選材、制造、維護的全壽命期內貫徹和體現積極的環境適應性設計和腐蝕預防與控制理念， 形成系統的防腐蝕技術體系。具體來說， 需要從實驗室加速試驗技術、關鍵結構環境適應性設計、腐蝕性能檢測評價及材料篩選、表面處理和維護/ 維修等方面加強我國航空材料腐蝕與控制領域的研究。

    （1）實驗室加速試驗技術：航空材料、涂層以及結構的防腐蝕性能的評價方法主要包括實驗室加速腐蝕試驗和自然環境暴露試驗。為了更好的模擬飛機的服役環境，進行航空結構環境適應性的評價，廣泛開展環境模擬加速試驗譜的研究，開展戶外暴曬、艦上暴曬及實驗室模擬加速試驗，獲得材料、防護體系、關鍵（易腐蝕）結構件環境耐久性數據， 為整機防護體系改進提供依據；同時采用飛機腐蝕損傷及腐蝕環境的原位監測技術，將以往的“發現腐蝕- 進行修復” 的模式轉變為“預測腐蝕- 進行管理” 的模式，根據預測結果決定飛機維護和管理策略。

    （2）合理的結構環境適應性設計： 通過設計合理的密封、通風、排水等措施改善結構的服役條件；盡量避免異種金屬接觸或采取有效的防電偶腐蝕設計，控制電偶腐蝕；提高承載結構的抗應力腐蝕能力和承載能力，改善應力狀態。

    （3）以腐蝕性能檢測/ 評價方法體系指導綜合性能優良的耐蝕材料選用： 不同材料的防腐蝕性能檢測種類和方法不同，如鋁合金主要采用航標、國軍標、ASTM、ISO 以及美軍標等進行晶間腐蝕、剝落腐蝕、應力腐蝕等性能的檢測與評價，高強度結構鋼和鈦合金主要進行應力腐蝕和腐蝕疲勞等的檢測，對于表面處理及防護涂層主要采用中性鹽霧試驗的方法進行耐蝕性能的評價，未來針對不斷出現的新型航空材料應建立完整的腐蝕性能檢測/ 評價方法體系。在此基礎上，根據結構/ 部位與使用要求，對材料的強度、疲勞性能、斷裂韌性、耐蝕性、工藝性、經濟性等進行綜合對比， 在滿足必要的力學、工藝和結構對比的前提下，優先考慮其耐蝕性，尤其耐應力腐蝕和氫脆性能。

    （4）采用先進表面處理技術和腐蝕控制維護/ 維修技術：根據不同的金屬材料、服役環境合理選擇鍍層、覆蓋層或沉積層，提高材料制件的耐蝕性、耐磨性、導電性等；重視腐蝕控制維護/ 維修技術，廣泛應用飛機專用清洗劑， 緩蝕劑以及快速腐蝕修復等技術控制腐蝕發生、發展。

    后記：“工欲善其事，必先利其器。”腐蝕與防護研究對航空裝備的防護至關重要并為航空工業的發展做出了應有的貢獻，現在乃至將來它仍是航空工業非常重要的研究課題！放飛大航空夢想！大家一起努力吧！

    人物簡介

    陸峰，研究員，中國航空發動機集團北京航空材料研究院副總工程師，中國航空工業集團公司基礎技術研究院腐蝕與防護首席技術專家，中國航空工業集團公司航空材料腐蝕與防護重點實驗室主任，中國腐蝕與防護學會航空航天專業委員會主任委員，中國航空工業集團公司航材中心表面工程分委會主任委員。主要從事航空航天高強輕質結構材料表面防護，航空發動機高溫抗氧化防護涂層、熱障涂層，材料及構件環境適應性研究與評價，復合材料表面防護等研究。國防科工局“基礎科研”、“技術基礎”專家組成員，國家科技部國際科技合作項目評審專家。獲國防科技進步一等獎1次，二等獎2次，中航工業集團科技進步一等獎1次，二等獎5次。榮立集團二等功1次，三等功2次。獲授權發明專利10余項，出版的“航空材料自然環境試驗評價技術”專著1本，發表論文50余篇。擔任“中國腐蝕與防護學報”、“材料工程”、“裝備環境工程”、“腐蝕科學與防護技術”、“熱噴涂技術”、“電鍍與精飾”、“材料保護”等期刊編委。

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責任編輯：王元

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