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艦載飛機腐蝕控制與防護技術

2017-11-15 11:51:10 作者：孫盛坤,孫志華,湯智慧等來源：裝備環境工程分享至：

1 艦載飛機服役環境分析

隨著我國深海遠海戰略的實施，艦載飛機以航空母艦為載體，并隨航母在廣泛水域內活動，艦載飛機的停機貯存和工作環境非常特殊。主要表現為：

1）整個使用壽命期內，在航母上起飛、著落、停機及海上飛行，長期暴露于含鹽量高的海洋大氣環境中，航母的活動范圍多數在溫暖潮濕的海面（據美軍統計占總時間的82%），使飛機又長期處于濕熱的環境中，其溫度、濕度、Cl-含量較內陸地區高得多。

如我國萬寧熱帶濕潤性海洋氣候，Cl-含量是西雙版納熱帶雨林氣候的百倍以上，Cl-具有較強的侵蝕性，會加重結構的腐蝕。

2）以燃油為動力時，艦面和其他艦載機排放大量含硫煙氣，以及艦面工作人員生活排放的腐蝕性氣體等，使艦載機處于酸性腐蝕氣氛中，硫酸根含量較高。美軍在不同航母上測得的pH 值和SO42-濃度見表1，可見，pH 值為酸性，最低可達到2.4，具有較強的腐蝕性。

3）艦面機庫內擁擠、潮濕，易于各種微生物生長。

4）受海浪和海風拍打，船體傾斜與搖擺，以及起飛、著艦和海面作業影響，誘發出結構振動、沖擊、沖蝕等。

這些因素均導致艦載飛機處于極其苛刻惡劣的腐蝕環境中，經常面臨腐蝕與應力載荷雙重作用導致結構件失效的威脅。

2 艦載飛機腐蝕問題

艦載飛機由于受到海浪沖刷、鹽霧腐蝕、霉菌腐蝕、高溫輻射、高溫水蒸氣等多種因素耦合作用，極易發生金屬件腐蝕、非金屬件老化、油液易污染變質等嚴重的腐蝕問題。腐蝕問題已成為決定艦載飛機壽命、保證技戰術水平的關鍵因素。一方面腐蝕可削弱結構強度，破壞結構的完整性，影響裝備的正常使用，甚至危及飛行安全。另一方面，在使用壽命期內，由于腐蝕防護與控制不當以致發生嚴重腐蝕，致使停飛檢修，增加外場維護強度和成本，不但造成人力和物力的巨大損失，更影響飛機的安全性和出勤率，重者將縮短飛機的設計使用壽命，甚至機毀人亡，其損失難以用經濟損失來估量。由于腐蝕而引發的損傷和事故在國內外均有慘痛的教訓，如1983 年一架美國F-18 飛機，由于不銹鋼油管接頭發生晶間腐蝕，造成飛機墜毀；1980 年一架前蘇聯蘇-27 飛機，由于機身腐蝕引起結構破壞導致機毀人亡；1985 年日本一架波音747 客機由于增壓艙段端框腐蝕斷裂而墜毀，一次死亡500 多人；1981 年臺灣一架波音747客機因機身下部腐蝕，蒙皮變薄，產生孔洞和裂紋，在壓力作用下導致空中解體。

美國海軍明確提出結構及設備嚴重、廣布的腐蝕損傷已成為當前航空裝備頭等重要的安全問題。據資料統計，美國1994 年至2004 年的10 年間，每年約1 億平均維修工時用于解決腐蝕及腐蝕檢查工作。平均7.6 維修小時/飛行小時，占整個檢查維修時間的36%。引發安全事故224 件，涉及飛機227 架，經濟損失達10 億美元/年。僅F/A-18 系列艦載飛機用于腐蝕防護與控制的年度費用總計約5.7 億美元。我國亞丁灣護航任務是我國海軍迄今為止深入海洋最遠、時間最久的任務，多種直升機在此任務中暴露出了嚴重的腐蝕問題[1]，飛機不得不提前進入大修，因腐蝕所帶來的經濟損失達上千萬。

3 艦載飛機腐蝕防護與控制的發展思路

英、美等國空軍、海軍將飛機腐蝕控制研究發展為防護系統工程學，貫穿設計、研制、生產、使用全過程。完善頂層管理，以指導艦載飛機全面腐蝕控制的研究，確保腐蝕控制系統工程的全面貫徹執行質量保證。

加強結構設計，使艦載飛機的結構設計更適應海洋服役環境的需要，提高整機的防腐蝕能力。根據海洋服役的結構設計和選材需求，進行材料研制、腐蝕性能檢測與評價和表面防護技術研究。加強使用中的維護/維修，共同開展生產過程、使用過程中的腐蝕控制技術和維修維護技術研究與應用，全面提高海洋服役飛機的使用壽命。

例如美國對艦載飛機腐蝕問題高度重視，成立了由美國國會監察、國防部監管、各軍種主管，自頂向下、面向產品全壽命周期、基礎研究與工程研發相結合的腐蝕管理及組織機構。發布了一系列法令對各部門的職責進行規定，各軍種腐蝕管理辦公室，每年向國防部遞交工作報告和下一年度預算，國防部每年12 月向國會遞交工作報告和下一年預算，內容納入海洋科學部（OSD）腐蝕戰略規劃。

4 艦載飛機腐蝕控制與防護技術

4.1 綜合防護設計

在結構設計中應盡量防止或減小腐蝕現象的發生，并將抗腐蝕設計思想貫徹到設計、生產、使用整個過程中。在選用合理的材料和防護體系的同時，應控制機體結構環境，杜絕滲漏。飛機無論是飛行或停放期內，均應保證密封，防止水及其他介質進入機體內部，并加強通風、排水、可達性以及抗應力腐蝕設計等。同時應細化易腐蝕連接件（緊固件、軸承等）、特殊結構（折疊、軸套、起落架等）的設計，注重貼合面、鉚釘等位置的防護。有效控制電偶腐蝕，不允許有電偶腐蝕傾向的構件之間相互接觸。針對折疊機翼，機構應簡單、易于折翻、轉角均圓滑過渡，并進行合理選擇鍛件分模面，主應力、流線方向和分模面匹配等，提高鍛件的抗應力腐蝕能力和承載能力。

4.2 選用綜合性能優良的耐蝕材料

針對可能出現的腐蝕類型選擇相應的耐腐蝕材料，尤其在易產生腐蝕和不容易維護的部位，應盡量選擇耐腐蝕性能好的材料，所選用的材料應具有相容性。應按材料-環境組合體系選擇合適的材料及熱處理狀態，應盡量避免選擇對腐蝕敏感的熱處理狀態，避免選擇會引起應力腐蝕和氫脆敏感性的表面加工工藝。

4.3 阻蝕密封技術

采用鉻硫化體系、環境友好的低密度緩蝕改性聚硫密封劑，提高粘接能力和防腐蝕性能。同時加強精細密封施工工藝的應用，如螺釘用密封帽、專用的施工修正工具以及采用雙組分單包裝等。增加貼合面密封，內部貼合面做傳統陽極化處理并涂底漆。托板螺母采用濕裝配，采用聚硫密封劑做貼合面密封作為加強防護，在低濕度環境下進行濕裝配施工。可拆卸緊固件采用不硫化密封膩子，永久緊固件采用硫化密封劑。

4.4 新型先進表面處理技術

金屬零件應采用鍍層、覆蓋層或沉積層，以提高材料制件的耐蝕性、耐磨性、導電性、減摩性、隔熱性、裝飾性等。目前飛機表面處理技術向提高材料綜合防護性能及環保需求方向發展，如低氫脆無氰鍍鎘-鈦（Cd-Ti）技術、高耐蝕硬鉻鍍層封孔技術、耐中溫離子鍍鋁技術（IVD）、高速火焰噴涂技術（HVOF）替代電鍍硬鉻、爆炸噴涂技術、代替鉻酸環保陽極氧化技術、提高與漆層及密封劑結合強度的溶膠-凝膠表面處理技術、中溫無機鹽鋁涂層技術等。

4.5 高性能表面防護涂料

有機防護涂層是飛機腐蝕防護的重要材料之一。

現代海軍飛機蒙皮涂層體系多數為雙層防護體系，即底漆采用結合力和耐蝕性能良好的環氧聚酰胺涂層，面漆使用耐候性、耐化學介質及耐久性較好的脂肪族聚氨酯涂層。兼具有防潮拒水、高柔韌性、“三防”涂層是最佳解決方案。全機外表面采用耐濕熱抗鹽霧表面涂料，如目前最新研制了鋁合金用QH-15 防腐環氧底漆、結構鋼用H06-1011H 防腐環氧底漆、復合材料用H06-1371 防潮環氧底漆以及與面漆QFS-15耐候聚氨酯磁漆配套的新型防護涂層體系。局部腐蝕環境惡劣的區域，如艦載預警機特有的盥洗室、登機艙門門檻等腐蝕嚴重區域采用專用的重防腐涂料，如BFJ-1901-1 薄型重防腐底漆。艙內除了進行底漆的噴涂外，在結構孔和縫隙、連接部位噴涂滲透型防銹劑進行補充防護，如YTF-3 高閃點硬膜脫水防銹劑。

4.6 機載電子設備等成品件的腐蝕控制技術

針對機載電子設備腐蝕問題，美海航指揮系統制訂了機載電子設備腐蝕預防及控制計劃，采用注射成型增強聚合材料制作電子設備罩和箱體材料，替代不銹鋼和石墨復合材料、金屬基復合材料，避免接觸腐蝕。以硅烷偶聯劑為主要成分的熱固型凝膠和熱塑型凝膠用于電子元器件和殼體表面防護，隔絕濕氣和腐蝕性介質的侵入，同時可避免電鍍工藝對環境的污染。研制機載電子設備專用清洗劑、腐蝕緩蝕劑及相應的設備和方法，有效清除污染物及腐蝕產物，確保電子設備的固有性能。應用3M 氧化劑吸收紙有效吸收環境中H2S，SO2，NO2，O3，HCl，Cl2 等腐蝕性介質，保障電子產品的存貯穩定性。

4.7 生產過程中的腐蝕控制

艦載機的生產過程要經歷入廠、保管、鑄造、鍛造、熱處理、機械加工、焊接、膠接或膠焊、特種加工、表面防護、裝配成品、防護包裝等一系列過程。在這些生產過程中，不得損害飛機所要求的設計指標和耐環境侵蝕的能力，必須做好原材料從驗收入庫直到制造組裝完畢整個生產環節中的腐蝕控制，尤其是在熱加工過程中不能損傷材料固有的耐蝕性，而且通過加工過程，尤其是表面防護要進一步提高制件的耐蝕性。這就需要進行全過程的腐蝕控制，只有證明不會損傷材料固有耐蝕性的工藝才能使用。

4.8 艦上腐蝕控制維護/維修技術

飛機在交付之后的外場使用過程中，其機體結構在海洋性氣氛等強腐蝕環境條件作用下，不可避免地會出現不同程度的腐蝕破壞。因此，外場使用維護過程中的腐蝕控制對于飛機的使用和壽命至關重要。采用清洗、緩蝕、艦上快速腐蝕修復技術等可以有效控制腐蝕的發生和發展。

1）清洗劑。艦載飛機在停放和飛行期間，表面會沉積鹽霧、灰塵、油污等。這不僅影響飛機外觀，而且成為腐蝕的誘發因素。清潔飛機既可以保持美觀，又是防止腐蝕發生的手段。美國海軍針對艦載飛機規定了具體的清洗頻率，如當飛機在海洋上空在低于一定高度飛行后，應每天對飛機進行清洗等，大大減緩了飛機的腐蝕。目前用于飛機的清洗劑種類、特點、用途及相關產品見表2。

2）緩蝕防銹劑。脫水防銹劑具有極強的滲透能力和水置換能力，噴涂或刷涂在飛機金屬結構上，可自動去除表面及縫隙中水分和鹽分，并很快形成一層透明的硬膜，對飛機上鋼、銅、鋁、鎂、鎘、鋅等多種金屬均有良好防護作用。脫水防銹劑的種類、用途及相關產品見表3。

3）去腐蝕產物膏。在外場使用維護過程中，原位快速結構鋼/鋁合金的腐蝕膏維護/維修技術對于飛機的使用和壽命至關重要，它可快速、有效地去除生成的腐蝕產物，同時在清理部位形成一層耐腐蝕涂層以及與漆膜結合良好的底層，保證局部腐蝕部位維護、修理的需要。如ALT-1 鋁合金去腐蝕產物膏和LYG-2 鋁合金局部化學氧化膏以及鋼零件用BT-1 軟膏和BT-2G 軟膏，分別適用于處理鉻含量不低于18%的高耐蝕性不銹鋼和處理鉻質量分數為10%～18%的不銹鋼及30CrMnSiA。

5 艦載飛機全面腐蝕控制研究重點發展方向及建議

應建立完善的頂層管理制度，成立腐蝕防護與控制辦公室或腐蝕防護聯合攻關團隊，確立責任制，完善機制管理、制定控制文件，建立飛機腐蝕控制管理體系、完善的飛機腐蝕控制文件體系以及飛機腐蝕控制人員培訓系統。由設計所、應用研究單位、生產廠以及使用單位相關人員共同組成，隨型號進度解決腐蝕防護難點問題，為機關和腐蝕控制決策提供技術支持。

在論證、設計、選材、制造和維護的全壽命周期內貫徹和體現腐蝕預防與控制理念，多學科交叉，需要設計、密封技術、防護技術、涂層技術、維護技術等專業協同作用。應重視使用過程中的腐蝕控制，加強維護/維修技術的研發和應用，如定期清洗飛機和發動機、及時清除表面的鹽分和油污等。發展和應用快速的維護/維修技術，以控制腐蝕的發生和發展，及時進行修理，減少維修成本比，避免重大安全事故的發生，保障戰斗力和使用壽命。

未來我國航空材料的腐蝕與防護應當堅持全壽命周期、體系化的發展思路，系統規劃飛機、發動機的腐蝕與防護技術體系。未來發展的技術重點應包括長壽命涂層、環保表面處理工藝、海洋環境先進防護技術、腐蝕損傷原位監檢測及自修復/外場快速修復技術、環境適應性評價等方面。

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責任編輯：楊揚

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