1 前言

    航空母艦艦載機是航母最為主要的攻擊武器。艦載機在海洋環(huán)境下服役，它不同于陸基飛機，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、艦載機發(fā)動機廢氣等的腐蝕，特別是這些廢氣與海洋鹽霧組合成pH 值達到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?shù)貒谰Ｈ缥臆娔撑炤d直升機的服役壽命不及陸上的20% ;某型飛機由于不適應(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遭受腐蝕的嚴重性。

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

    2 腐蝕失效常見模式及其特點

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

    2.1 點蝕

    點蝕是腐蝕表面呈點坑狀，腐蝕點多、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、表面保護膜的不完整性有關(guān)。點蝕坑的擴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展這一過程。

    點蝕坑邊沿基本比較平滑，因腐蝕產(chǎn)物覆蓋，坑底呈深灰色，很多時候由于腐蝕產(chǎn)物覆蓋，從表面無法看到點蝕坑的存在。垂直于蝕坑表面觀察，蝕坑多呈半圓形或多邊形，圖1 顯示1Cr15Ni4Mo3N 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，如圖1a 所示，清洗后則清晰可見，如圖1b 所示。

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

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

    2. 2 絲狀腐蝕

    絲狀腐蝕是一種在氧濃差控制下的電化學腐蝕，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，首先形成點狀腐蝕，在點蝕處，由于凝結(jié)水膜、氧及腐蝕介質(zhì)的作用，腐蝕向周邊膜下擴展，凝點在擴展中形成了氧濃差電池致激發(fā)絲狀腐蝕的形成，某產(chǎn)品7A04 鋁合金表面的絲狀腐蝕形貌見圖2。

    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，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)展起著促進作用。

    艦載機機身蒙皮出現(xiàn)不同程度的絲狀腐蝕，不但增加了飛機的防腐維修費用，而且，絲狀腐蝕可能會導致點腐蝕和晶間腐蝕，甚至會危及飛機的飛行安全。

    2. 3 晶間腐蝕

    晶間腐蝕是腐蝕沿晶界發(fā)生并擴展。晶間腐蝕不僅降低材料的機械性能，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，裂紋沿晶擴展。圖3 給出了1Cr17Ni2 不銹鋼晶界腐蝕表面晶粒和截面的SEM 照片。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。

    2. 4 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)力的共同作用所導致的腐蝕。飛機結(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)力腐蝕導致開裂也是飛機結(jié)構(gòu)，特別是艦載機結(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)物或點蝕坑，表明應(yīng)力腐蝕裂紋源于點蝕、晶間腐蝕等化學損傷缺陷。應(yīng)力腐蝕斷口的微觀形態(tài)可以是解理或準解理、沿晶斷裂或混合型斷裂。應(yīng)力腐蝕裂紋擴展過程中會發(fā)生裂紋分叉現(xiàn)象。圖4 是2Cr13Mn9Ni4 不銹鋼卡箍應(yīng)力腐蝕裂紋擴展形貌的SEM 照片。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。

    2. 5 氫脆

    由于氫滲入金屬內(nèi)部導致?lián)p傷，從而使金屬零件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力作用下導致的失效稱為氫致?lián)p傷，亦稱氫脆。氫脆是飛機結(jié)構(gòu)中高強度結(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。高強度鋼氫脆沿晶斷裂晶面上典型的“雞爪痕”特征如圖5所示。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)、材料強度、應(yīng)力因素等。

    3 腐蝕失效及其預(yù)防

    由腐蝕導致飛機構(gòu)件失效的微觀機理包括晶間腐蝕、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。本文作者根據(jù)因飛機構(gòu)件腐蝕失效造成事故的幾個具體案例，闡述飛機構(gòu)件腐蝕失效的機理及預(yù)防措施。

    3. 1 設(shè)計

    案例某型外貿(mào)機機身25 ～ 27 框接頭耳片裂紋埃及空軍對某型機定檢時發(fā)現(xiàn)25 ～ 27 LD5 鋁合金框接頭耳片裂紋（ 見圖6） ，普查發(fā)現(xiàn)大量飛機存在類似裂紋。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，導致在耳片內(nèi)側(cè)的螺栓孔內(nèi)表面有長0. 5 ～ 1 mm 暴露在空氣中失去保護，這是導致應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的主要原因（ 圖7） 。此外，螺栓孔打孔是在接頭陽極化處理后再進行的，導致在耳片內(nèi)側(cè)表面產(chǎn)生金屬卷邊和陽極化膜局部破裂（ 圖8） ，這也促進了應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。

    類似的故障在我國殲8 飛機也出現(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)計中存在缺陷。在設(shè)計中沒有充分考慮對導致腐蝕的因素進行有效控制。主要是過大的過盈配合導致拉應(yīng)力、襯套與孔配合導致金屬裸露、打孔工藝不合理等多個不合理的設(shè)計因素。

    飛機的腐蝕控制是一項系統(tǒng)工程，其控制過程總的來說包括補救性控制和預(yù)防性控制2 個主要方面。補救性控制是指當發(fā)現(xiàn)飛機結(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)計開始，根據(jù)飛機將來可能的使用環(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，不可避免時需增加防護層； ④采用排水設(shè)計，對不可避免的雨水滲入或冷凝水匯集，應(yīng)有導流通道排除； ⑤在機體其他便于檢查的部位應(yīng)適當?shù)卦O(shè)置排水孔、放油孔等，確保機內(nèi)腐蝕積液能順利排出； ⑥采用通風設(shè)計，全機結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置必要的艙門、口蓋，以便通風排氣； 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，涂底漆等防腐蝕密封技術(shù)。

    3. 2 工藝

    案例某型飛機1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓應(yīng)力腐蝕失效某沿海機場使用的1Cr17Ni2 飛機卡箍螺栓發(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（ 表面沿晶開裂形貌見圖9） ，卡箍螺栓的回火處理是在脆性區(qū)進行的，這種回火工藝會導致表面脫碳（ 見圖10） 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2Cr13Mn9Ni4 不銹鋼卡箍鋼帶應(yīng)力腐蝕失效某型飛機用不銹鋼卡箍鋼帶使用一段時間后表面出現(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（ 見圖11） 。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)件上進行表面氧化、化學鍍鎳，選擇鍍覆時應(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)計強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)的表面強化技術(shù)，如噴丸強化、激光沖擊強化、擠壓強化等； 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。

    3. 3 選材

    案例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度鋼具有腐蝕作用，說明選材不合理是導致螺栓發(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，在其它多種因素聯(lián)合作用下導致該型飛機42 框發(fā)生嚴重的晶間腐蝕，飛機大面積停飛。材料的選擇，需要根據(jù)其工作環(huán)境，包括外界環(huán)境和飛機局部環(huán)境進行選擇。為滿足防腐要求，飛機選材一般需注意： ①在滿足技術(shù)指標的前提下，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高強度結(jié)構(gòu)鋼在滿足技術(shù)指標的前提下，盡可能使強度值處于技術(shù)條件的中下限，降低氫脆敏感性。

    4 結(jié)語

    艦載機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。我國艦載機的應(yīng)用時間較短，對于艦載機的腐蝕規(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、跟蹤和研究艦載機在全壽命過程中的腐蝕失效模式及其形成機理，搞清艦載機全壽命期間不同階段腐蝕失效規(guī)律及其演化機理，并不斷地從防腐設(shè)計、工藝和材料選擇等多方面深入摸索。在此基礎(chǔ)上，形成艦載機腐蝕控制技術(shù)體系和標準體系，將腐蝕控制技術(shù)貫穿于艦載機的設(shè)計、制造、使用和維護的全過程。

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責任編輯：王元

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