飛機結構腐蝕損傷造成的結構安全問題與直接經(jīng)濟損失日趨嚴重， 腐蝕防護與控制的要求日益提高， 腐蝕防護與控制技術也得到了重視和不斷發(fā)展。近年來， 腐蝕防護控制技術應用已從單純的腐蝕防護轉(zhuǎn)為防護與控制并重；研究方向從材料、工藝及其表面防護擴展到綜合考慮結構細節(jié)構型、局部環(huán)境、局部應力和變形等諸多設計因素及通風、排水、密封、緩蝕劑應用和可檢性等設計方法；研究途徑從使用經(jīng)驗與對比試驗評定發(fā)展到使用經(jīng)驗、試驗研究和分析評估并行；研究方法從定性和半定量迅速向定量發(fā)展；在試驗方面， 從簡單的試樣試驗發(fā)展為試樣、元件、構件/子構件的積木式試驗， 試驗方法從單一環(huán)境條件到整個使用壽命期內(nèi)所遭遇的綜合環(huán)境條件， 并要求能再現(xiàn)裝備環(huán)境效應。

    1　航空裝備腐蝕防護控制技術的新進展

    1.1　最新設計規(guī)范中的腐蝕防護控制技術

    在《飛機結構完整性大綱》美國最新版本《MIL-HDBK-1530B（2002.7.3）》中已將“腐蝕防護與控制”與“損傷容限”、“耐久性”并列；在《飛機結構通用規(guī)范》美國最新版本《JSSG-2006》中對設計要求、參數(shù)和方法作了更全面、更詳細的規(guī)定。

    規(guī)范《MIL-HDBK-1530B》指出：“腐蝕防護和控制的目標是控制與腐蝕有關的維護費用， 并保證不引起飛行安全/結構完整性的問題， 同時腐蝕防護也應是研制和實施耐久性與損傷容限控制程序及機隊管理程序的一個主要問題， 而材料與工藝、表面處理、鍍涂層都應是滿足目標要應用的基礎”。其腐蝕防護與控制設計準則是：

    1）允許使用中常規(guī)檢查；

    2）因漏檢的裂紋、缺陷和其它損傷的擴展而造成飛機失事的概率減至最小；

    3）使開裂、腐蝕、剝離、磨損和外來物損害的影響減至最小。

    新規(guī)范《JSSG-2006》規(guī)定的腐蝕防護與控制設計的總要求是：機體應設計成在設計載荷/環(huán)境譜作用下， 在整個使用壽命期內(nèi)必須具有足夠的耐久性， 其經(jīng)濟壽命按期望的裕度大于使用壽命， 使能產(chǎn)生諸如漏油、操縱效率降低、座艙壓力下降等嚴重問題的開裂與材料退化減至最少。機體結構在規(guī)定的使用壽命期內(nèi)不應要求作任何檢查， 例如， 美國F-15飛機要求10年內(nèi)無須進行與腐蝕有關的定期維修 。另外， 表面防護還應滿足以下附加要求：

    1）難以檢查、修理、更換或過分增加用戶經(jīng)濟負擔的結構， 在機體的使用壽命期內(nèi)保持有效；2）對其它結構， 在規(guī)定的時間間隔內(nèi)保持有效。

    這些規(guī)定的時間間隔為使用壽命的一個百分比值， 并與機體外場檢查維修間隔相當。

    新規(guī)范還對其特別要求的設計參數(shù)及技術作了較詳細的規(guī)定， 主要有：環(huán)境、材料和工藝、表面處理、結構抗腐蝕設計、無損檢測和檢查（NDT/I）等，詳見參考文獻。

    1.2　環(huán)境當量方法

    目前有幾種可行的方法：按電化學原理當量、按腐蝕量/腐蝕率當量、按壽命/壽命特征值當量以及按統(tǒng)一的腐蝕損傷環(huán)境變量-環(huán)境嚴酷性指數(shù)當量等方法。以下只扼要介紹環(huán)境嚴酷性指數(shù)當量的原理與基本方法。

    在材料/結構腐蝕與單一環(huán)境類型/要素/強度關系基礎上， 按照《由電化學測量值計算腐蝕率和相關量的標準方法》（ASTM G102 -89）， 引入并給出相應的環(huán)境嚴酷性指數(shù)（ESI, EnvironmentalSeverityIndex），并在一定工程假設下， 給出在綜合環(huán)境（由不同環(huán)境類型/要素/強度組成）作用下的ESI。同時， 在腐蝕損傷等效原則下， 用標準的環(huán)境類型/要素/強度及其作用時間當量化地表征多種不同環(huán)境類型/要素/強度及它們相應的作用時間（即環(huán)境譜）。

    1.3　防護涂層

    1.3.1　典型防護體系有效性試驗研究

    605所針對飛機結構3種常用材料（2A12鋁合金、30CrMnSiA鋼、TC4 鈦合金）， 篩選出22 種防護體系（包括納米涂料）， 進行了標準軸向疲勞光滑板材試樣在典型海軍飛機加速試驗環(huán)境/載荷譜下的有效性試驗研究 。有效期超過10年的試驗結果列于表1中， 可供海軍新研飛機蒙皮腐蝕防護與現(xiàn)役飛機的改進改型和使用維護借鑒。尤其是2A12防護體系， 在納米涂層厚度僅有17.5 μm的情況下有效性與某新型飛機蒙皮防護體系（氟聚氨酯涂層約70 μm厚）相當， 其綜合性能優(yōu)于試驗參照的海軍某型飛機蒙皮現(xiàn)用的防護體系。所用的加速試驗環(huán)境譜中包括濕熱、紫外線照射、熱沖擊、低溫疲勞、鹽霧等環(huán)境。

    1.3.2　緩蝕劑的推廣應用

    緩蝕劑用于結構裝配件的最后一道防護， 用以增強己有的防護體系， 或在使用維護中用于涂層損傷處。在民用飛機中已大量使用， 在軍用直升飛機上也有很多使用。針對海軍飛機需求， 605所選擇4種緩蝕劑組合（AV8、AV8 +AV100D、AV30、AV15）， 對2種材料（2A12 鋁合金、30CrMnSiA鋼）的板材鉚接和螺接試樣在典型海軍飛機加速試驗環(huán)境譜下進行了有效性試驗研究， 結果見表2, 推薦海軍飛機鋁合金結構使用緩蝕劑AV15或AV30。所用的加速試驗環(huán)境譜中包括濕熱、低溫、鹽霧等環(huán)境塊。

    1.4　材料

    1.4.1　新材料及選用要求

    新材料選用要求主要包括各種金屬材料、非金屬材料選用原則、腐蝕特性、環(huán)境試驗數(shù)據(jù)及在飛機結構上的限用要求。其中， 金屬材料包括當前最先進的結構鋼AF1410、改性AF1410、AerMet100（AM100）、AerMet310;鋁合金7A33、6A02、2214、2219、2524、2195、2197、7049、7050、7150、7055、7175、7475和鈦合金。腐蝕性能分別參見圖2、表3和表4。

    1.4.2　新材料腐蝕損傷特性試驗研究

    對1420鋁鋰合金環(huán)境腐蝕行為進行了深入研究， 采用銅加速乙酸鹽霧腐蝕和EXCO溶液腐蝕的試驗方法， 并獲得腐蝕損傷量值、概率分布及變化規(guī)律。主要結論如下：

    1）在銅加速乙酸鹽霧環(huán)境和EXCO溶液環(huán)境情況下， 1420 鋁鋰合金的腐蝕深度大多數(shù)服從Gumbel分布、正態(tài)分布、威布爾分布和對數(shù)正態(tài)4種分布， 一般可采用正態(tài)分布來描述腐蝕損傷的概率分布；

    2）銅加速乙酸鹽霧環(huán)境下可采用表達式d=atb定量描述1420鋁鋰合金腐蝕深度隨試驗時間變化， 如圖3所示；

    3） EXCO溶液環(huán)境下1420鋁鋰合金的腐蝕過程分為3個階段：點蝕階段， 處于腐蝕初始階段， 腐蝕深度隨時間增加而增加， 其特征為點蝕；過渡階段， 處于腐蝕轉(zhuǎn)化階段， 腐蝕深度變化不大， 其特征是由點蝕向剝蝕過渡；剝蝕階段， 處于腐蝕快速增長階段， 腐蝕發(fā)展速度隨時間增加而迅速加快， 并呈現(xiàn)出明顯的剝蝕特征， 如圖4所示。

    1.5　磨蝕試驗研究

    磨蝕試驗研究包括試驗件結構設計、摩擦副材料選擇、試驗載荷大小與加載設備確定、檢測設備的選擇及試驗結果分析， 其中很多工作在國內(nèi)是首創(chuàng)。安裝后的試驗件與摩擦副組成（示意）、磨損量隨時間的變化關系以及擬合曲線方程， 分別如圖5、圖6所示。

    2　腐蝕防護控制技術發(fā)展展望

    2.1　技術研究與工程需求

    當前重要的技術研究與工程應用需求包括： 1）研制環(huán)境適應型的防護涂層， 代替正被逐步淘汰的有害材料（如：鉻化物）；2）開發(fā)并推廣應用新腐蝕防護劑（CPCs）， 如去水型緩蝕劑， 提高防護涂層的有效性和耐久性；3）提供改進的腐蝕性能， 指導應用先進合金材料和加工方法；4）飛機去濕存儲或特殊飛機可疑區(qū)域的去濕化；5）研究檢測隱蔽腐蝕與量化表征的技術；6）腐蝕損傷級別確定與分區(qū)， 為維護工作提供指導；7）總結結構設計經(jīng)驗， 改善結構抗腐蝕設計，控制應力與變形；8）研究腐蝕概率和腐蝕增長規(guī)律， 指導飛機壽命評估、預測與計劃維護工作。

    2.2　近/長期研究工作若干建議

    主要建議項目為：1）建立使用環(huán)境與實驗室試驗條件之間的聯(lián)系， 并制定能實行更精確模擬飛機使用期內(nèi)腐蝕損傷加速試驗的實驗室試驗方案；2）評估新防護涂層環(huán)境適應的有效性和耐久性；3）評估與實施腐蝕早期檢測的方法；4）確定前腐蝕損傷對材料基本力學性能， 如彈性模量、屈服強度和斷裂韌性的影響；5）確定預腐蝕或嚗露環(huán)境對疲勞裂紋增長率的可能影響；6）開展基礎研究， 支持CPC材料性能改進的研究工作；7）主要腐蝕類型腐蝕率的量化表征；8）研究確定控制涂層耐久性的基本因素；9）確定已有缺陷特性（即：缺陷形態(tài)、點穴、晶間裂紋、機械缺陷）如何與嚴酷環(huán)境條件相結合， 影響裂紋從小裂紋到與WFD相關尺寸裂紋的增長。

    3　結語

    腐蝕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， 是裝備全壽命期內(nèi)（設計、制造、使用和維護）的重要工作， 是裝備結構完整性設計中與靜、動、疲勞和損傷容限同等重要的內(nèi)容。腐蝕防護控制技術的發(fā)展是長期而又迫切的任務， 要從多專業(yè)/跨學科入手， 近/長期結合， 共同努力推動我國航空裝備的現(xiàn)代化事業(yè)。

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責任編輯：王元

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