孫志華,湯智慧,李斌

(中航工業(yè)北京航空材料研究院,北京100095)

海洋環(huán)境服役飛機(jī)的全面腐蝕控制

孫志華,湯智慧,李斌

(中航工業(yè)北京航空材料研究院,北京100095)

摘.要:從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料篩選、表面處理、有機(jī)防護(hù)體系、防銹劑的應(yīng)用、維護(hù)/維修、人員培訓(xùn)等方面,分析了國(guó)外海洋服役飛機(jī)的腐蝕防護(hù)與控制的發(fā)展?fàn)顩r。從腐蝕與防護(hù)系統(tǒng)工程的角度,提出了我國(guó)海洋服役飛機(jī)全面腐蝕控制的發(fā)展建議,主要包括加強(qiáng)細(xì)節(jié)的密封防水設(shè)計(jì)、應(yīng)用先進(jìn)高性能防護(hù)技術(shù)、加強(qiáng)維護(hù)/維修中技術(shù)與產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用等幾個(gè)方面。最終建立起海洋服役飛機(jī)表面防護(hù)研究體系,保證了海洋服役飛機(jī)的研制、生產(chǎn)和使用的順利進(jìn)行,全面提高了海洋服役飛機(jī)的使用壽命。

海軍飛機(jī);腐蝕防護(hù)與控制;密封設(shè)計(jì);防護(hù)技術(shù);維護(hù)/維修

與內(nèi)陸大氣環(huán)境相比,海洋大氣潮濕,鹽霧重, 海面風(fēng)浪大,遠(yuǎn)洋航行溫差大,這些直接影響海洋服役飛機(jī)操穩(wěn)性能。飛機(jī)的服役環(huán)境惡劣,受到海浪沖刷、鹽霧腐蝕、霉菌腐蝕、高溫輻射、高溫水蒸氣等的環(huán)境作用,會(huì)造成金屬件腐蝕、非金屬件老化、油液易污染變質(zhì)等[1—3]。這些問(wèn)題的出現(xiàn),輕者增加維修工作的難度和工作量,重者則危及飛行安全。據(jù)資料[4]統(tǒng)計(jì)美國(guó)1994年至2004年的10年間,每年約1億平均維修工時(shí)用于解決腐蝕及腐蝕檢查工作。平均7.6維修小時(shí)/飛行小時(shí),占整個(gè)檢查維修時(shí)間的36%;引發(fā)安全事故224件,涉及飛機(jī)227架,經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10億美元/年。美國(guó)各型艦載機(jī)因腐蝕造成多次故障發(fā)生,如F-18主起落架失效、F-14發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支座裂紋、P-3腐蝕和疲勞裂紋、EA-6B起落架腐蝕等。亞丁灣護(hù)航任務(wù)是我國(guó)海軍迄今為止深入海洋最遠(yuǎn)、時(shí)間最久的任務(wù),多種直升機(jī)在此任務(wù)中暴露出了嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題[5],飛機(jī)不得不提前進(jìn)入大修,因腐蝕所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上千萬(wàn)。對(duì)于經(jīng)常處于濕熱海洋腐蝕環(huán)境中的飛機(jī),腐蝕問(wèn)題成為決定其壽命、保證技戰(zhàn)術(shù)水平的關(guān)鍵因素。

文中從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料篩選、表面處理、有機(jī)防護(hù)體系、防銹劑的應(yīng)用、維護(hù)/維修、人員培訓(xùn)等方面,分析了國(guó)外海洋服役飛機(jī)的腐蝕防護(hù)與控制的發(fā)展?fàn)顩r,從腐蝕與防護(hù)系統(tǒng)工程的角度,提出了我國(guó)海洋服役飛機(jī)全面腐蝕控制的發(fā)展司思路和建議。

1 國(guó)外海洋環(huán)境服役飛機(jī)腐蝕控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

英、美等國(guó)空軍、海軍從第三代戰(zhàn)斗機(jī)開始,改變了以往以修理為主的被動(dòng)應(yīng)對(duì)飛機(jī)腐蝕問(wèn)題的觀念,將飛機(jī)腐蝕控制研究發(fā)展為防護(hù)系統(tǒng)工程學(xué),內(nèi)容涵蓋合理設(shè)計(jì)、正確選材、精心裝配施工、先進(jìn)的綜合防護(hù)體系、科學(xué)的腐蝕評(píng)價(jià)和檢測(cè)方法、有效的腐蝕維護(hù)與修理技術(shù)以及對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行多方位培訓(xùn)等,在飛機(jī)方案論證、設(shè)計(jì)、選材、制造、維護(hù)的全壽命期內(nèi)貫徹和體現(xiàn)積極的腐蝕預(yù)防與控制理念,形成系統(tǒng)的防腐蝕技術(shù)體系[6]。針對(duì)長(zhǎng)期在海洋濕熱環(huán)境下服役的飛機(jī),國(guó)外在腐蝕控制技術(shù)領(lǐng)域的研究成果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意密封和選用合適密封劑,增加貼合面密封,采用聚硫密封劑做貼合面密封作為加強(qiáng)防護(hù)(如圖1所示),以及采用濕裝配[7](如圖2所示)。避免雨水或清洗水從縫隙、溝槽、搭接部位流入或滲入機(jī)內(nèi);注重通風(fēng)(設(shè)計(jì)通風(fēng)口蓋、通氣孔)和排水(設(shè)計(jì)排水孔及排水螺栓),使污水、積水盡快排除,防止潮氣滯留機(jī)內(nèi),侵蝕結(jié)構(gòu)和設(shè)備;在結(jié)構(gòu)中不允許有電偶腐蝕傾向的金屬或鍍層或復(fù)合材料之間相互接觸。折疊機(jī)翼的折翻機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)盡可能簡(jiǎn)單,易于折翻,同時(shí)考慮到應(yīng)力腐蝕控制,所有轉(zhuǎn)角均應(yīng)圓滑過(guò)渡。折翻機(jī)構(gòu)由鍛件加工而成,應(yīng)合理選擇鍛件分模面,減少或消除流線末端外露,使主應(yīng)力、流線方向和分模面匹配,提高鍛件的抗應(yīng)力腐蝕能力和承載能力。

圖1 貼合面密封Fig.1 Faying surface sealing

圖2 采用濕裝配Fig.2 Wet installation of fasteners

1.2 發(fā)展綜合性能優(yōu)良的耐蝕材料

采用全面綜合(強(qiáng)度、斷裂韌性、耐腐蝕性、經(jīng)濟(jì)性等)的選材原則[8],尤其是在滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的前提下,盡可能選用耐蝕材料。從設(shè)計(jì)、選材等角度即把腐蝕控制技術(shù)納入飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)中。建立分級(jí)的腐蝕性能評(píng)估方法供設(shè)計(jì)選材使用,重要結(jié)構(gòu)材料都有比較全面的腐蝕性能數(shù)據(jù),如高強(qiáng)度材料,英、美等國(guó)具有比較完備的應(yīng)力腐蝕強(qiáng)度門檻值體系。

1.3 新型表面處理技術(shù)

基本所有的航空金屬制件都要采用鍍層、覆蓋層或沉積層,以提高材料制件的耐蝕性,以及達(dá)到耐磨、導(dǎo)電、減摩、隔熱、裝飾等目的。近年來(lái),在傳統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)上,飛機(jī)表面處理技術(shù)的發(fā)展方向主要是提高材料綜合防護(hù)性能及適應(yīng)環(huán)保需求。如替代鋼結(jié)構(gòu)件、緊固件鍍鎘和鈦合金陽(yáng)極化的離子鍍鋁技術(shù)、替代高強(qiáng)度鋼松孔鍍鎘的電鍍鋅-鎳合金工藝,替代電鍍硬鉻的高速火焰噴涂技術(shù)[9]、替代六價(jià)鉻的鋁合金化學(xué)轉(zhuǎn)化膜工藝、替代鉻酸陽(yáng)極化的硼酸-硫酸陽(yáng)極化工藝[10]等。

1.4 新型防護(hù)涂層體系

現(xiàn)代海軍飛機(jī)蒙皮涂層體系多數(shù)為雙層防護(hù)體系,即底漆采用結(jié)合力和耐蝕性能良好的環(huán)氧聚酰胺涂層,面漆使用耐候性、耐化學(xué)介質(zhì)及耐久性較好的脂肪族聚氨酯涂層。近年來(lái),歐、美海軍發(fā)展的飛機(jī)防護(hù)涂層主要向環(huán)保型、柔韌型、單層體系、多功能等方向發(fā)展,如發(fā)展高性能水基環(huán)氧底漆、聚氨酯彈性底漆、無(wú)毒緩蝕底漆、自底漆面漆、抗雨蝕涂層等。

1.5 脫水防銹劑的應(yīng)用

美海軍航空工程部門研究表明,海軍飛機(jī)的大部分腐蝕是從結(jié)構(gòu)連接處開始的,因此在飛機(jī)裝配后,將脫水防銹劑噴灑在易于凝露的區(qū)域,尤其是結(jié)構(gòu)連接處。由于脫水防銹劑具有較強(qiáng)的滲透性,可以進(jìn)入極小的縫隙和孔內(nèi),溶劑揮發(fā)后將結(jié)構(gòu)表面的水分和鹽分置換出來(lái),并覆蓋一層具有防腐蝕作用的膜層[11]。美海軍于1997年和2000年分別對(duì)部署在波斯灣某航母上的7架ES-3A型反潛機(jī)和大西洋艦隊(duì)、太平洋艦隊(duì)的幾十架S-3B型反潛機(jī)使用了ACF-50脫水防銹劑(如圖3所示),飛機(jī)腐蝕率大大降低。

圖3 噴涂防銹劑Fig.3 Spraying water displacing rust inhibitor

1.6 先進(jìn)的腐蝕維護(hù)修理新技術(shù)

飛機(jī)飛行和停放過(guò)程中易沉積腐蝕性介質(zhì),加速腐蝕過(guò)程。針對(duì)這些問(wèn)題,國(guó)外將飛機(jī)的清洗、緩蝕、去濕、腐蝕修復(fù)等作為使用維護(hù)過(guò)程中控制腐蝕發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。廣泛采用飛機(jī)專用清洗劑[12](如圖4所示)、脫水防銹劑、去濕防腐劑。在維護(hù)中采用多種腐蝕修復(fù)技術(shù),如鋁合金阿洛丁(Alodine)化學(xué)氧化;鎂合金鉻酸鹽化學(xué)氧化;碳鋼磷化等。近年來(lái),飛機(jī)腐蝕修復(fù)技術(shù)主要有如下幾個(gè)方面發(fā)展:高速火焰噴涂(HVOF)代鉻技術(shù)、電刷鍍技術(shù)和電刷陽(yáng)極化技術(shù)對(duì)零件的損傷鍍層進(jìn)行原位修理,有效降低維修費(fèi)用,縮短裝備停用時(shí)間。如低氫脆刷鍍鎘用于飛機(jī)起落架鍍鎘零部件修理。美海軍正在進(jìn)行電刷鍍鋅-鎳和鋅-鈷技術(shù)以及電刷硫酸陽(yáng)極化、鉻酸陽(yáng)極化、硼酸-硫酸陽(yáng)極化等技術(shù)的研究。

圖4 飛機(jī)的定期清洗Fig.4 Regular cleaning of aircraft with cleaners

1.7 針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的腐蝕控制技術(shù)

針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備腐蝕問(wèn)題,美海航指揮系統(tǒng)制訂了機(jī)載電子設(shè)備腐蝕預(yù)防及控制計(jì)劃,采用注射成形增強(qiáng)聚合材料制作電子設(shè)備罩和箱體材料,替代不銹鋼和石墨復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料,避免接觸腐蝕。以硅烷偶聯(lián)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(hù),隔絕濕氣和腐蝕性介質(zhì)的侵入,同時(shí)可避免電鍍工藝對(duì)環(huán)境的污染。研制機(jī)載電子設(shè)備專用清洗劑、腐蝕緩蝕劑及相應(yīng)的設(shè)備和方法,有效清除污染物及腐蝕產(chǎn)物,確保電子設(shè)備的固有性能。應(yīng)用3M氧化劑吸收紙有效吸收環(huán)境中H2S,SO2, NO2,O3,HCl,Cl2等腐蝕性介質(zhì),保障電子產(chǎn)品的存貯穩(wěn)定性。

1.8 飛機(jī)材料及防護(hù)體系腐蝕監(jiān)檢測(cè).環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)及日歷壽命評(píng)定

隨著新型結(jié)構(gòu)材料在海軍航空裝備上的大量應(yīng)用,飛機(jī)腐蝕控制工作也面臨極大挑戰(zhàn)。新材料從研制到服役,周期較短。在材料實(shí)際應(yīng)用前,不可能進(jìn)行大范圍的飛行考核或長(zhǎng)期的環(huán)境暴露試驗(yàn)。因此,必須建立具有良好模擬性、加速性、相關(guān)性的試驗(yàn)室加速試驗(yàn)方法,科學(xué)地評(píng)價(jià)新材料、結(jié)構(gòu)件及防護(hù)體系的耐蝕性能,進(jìn)行整機(jī)環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)和日歷壽命的研究。美軍在佛羅里達(dá)州暴曬場(chǎng)進(jìn)行了大量的材料、構(gòu)件的戶外暴露試驗(yàn),如圖5所示。美軍標(biāo)MIL-STD-810F規(guī)定了環(huán)境試驗(yàn)的通用要求及20多個(gè)試驗(yàn)方法[13],使試驗(yàn)質(zhì)量和可靠性得到極大提高,并且發(fā)展出質(zhì)量更高、用途更廣的試驗(yàn)設(shè)備。如綜合了多種環(huán)境因素的多因子循環(huán)復(fù)合腐蝕試驗(yàn)機(jī),使環(huán)境試驗(yàn)從對(duì)現(xiàn)象的模擬向?qū)Ρ举|(zhì)規(guī)律的模擬發(fā)展。此外,發(fā)展飛機(jī)腐蝕損傷及腐蝕環(huán)境的原位監(jiān)測(cè)技術(shù),一方面搜集宏觀環(huán)境數(shù)據(jù),另一方面通過(guò)原位檢測(cè)飛機(jī)的腐蝕損傷及其主要影響因素。綜合兩方面信息對(duì)飛機(jī)腐蝕損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估,將以往的“發(fā)現(xiàn)腐蝕-進(jìn)行修復(fù)”的模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦A(yù)測(cè)腐蝕-進(jìn)行管理”的模式,根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果決定飛機(jī)維護(hù)和管理策略。

圖5 ATLAS佛羅里達(dá)州暴曬場(chǎng)Fig.5 Atlas Exposure station in Florida

1.9 注重飛機(jī)腐蝕數(shù)據(jù)積累及相關(guān)人員的技術(shù)培訓(xùn)

20世紀(jì)90年代,美國(guó)海軍航空培訓(xùn)部門開發(fā)了用于指導(dǎo)海軍飛機(jī)維護(hù)人員進(jìn)行腐蝕控制技術(shù)培訓(xùn)的計(jì)算機(jī)輔助訓(xùn)練軟件(Computer-based training for corrosion control,簡(jiǎn)稱CBT)。CBT軟件在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行,綜合了文字、動(dòng)畫、聲音、圖形等多媒體形式,訓(xùn)練課程包括腐蝕控制基礎(chǔ)、機(jī)載設(shè)備的腐蝕控制、涂鍍層、腐蝕產(chǎn)物去除及表面處理、緊急情況的處理、海軍飛機(jī)的防護(hù)、材料的毒性等,與普通的課堂教學(xué)比較,多媒體軟件教學(xué)所需時(shí)間短、信息量大、培訓(xùn)效果好。

2 海洋服役飛機(jī)全面腐蝕控制研究總體思路及建議

2.1 海洋服役飛機(jī)全面腐蝕控制研究總體思路

海洋服役飛機(jī)的腐蝕與防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程,貫穿設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、使用全過(guò)程,完善頂層管理,以指導(dǎo)海洋服役飛機(jī)全面腐蝕控制的研究,確保腐蝕控制系統(tǒng)工程的全面貫徹執(zhí)行質(zhì)量保證。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使海洋服役飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更適應(yīng)海洋服役環(huán)境的需要,提高整機(jī)的防腐蝕能力。根據(jù)海洋服役的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材需求,進(jìn)行材料研制、腐蝕性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)和表面防護(hù)技術(shù)研究。加強(qiáng)使用中的維護(hù)/維修,共同開展生產(chǎn)過(guò)程、使用過(guò)程中的腐蝕控制技術(shù)和維修維護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用。最終建立起海洋服役飛機(jī)表面防護(hù)研究體系,保證海洋服役飛機(jī)的研制、生產(chǎn)和使用的順利進(jìn)行,全面提高海洋服役飛機(jī)的使用壽命。

2.2 海洋服役飛機(jī)全面腐蝕控制研究重點(diǎn)發(fā)展方向及建議

1)建立完善的頂層管理制度。應(yīng)成立腐蝕防護(hù)與控制辦公室或腐蝕防護(hù)聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì),確立責(zé)任制,完善機(jī)制管理,制定控制文件,建立飛機(jī)腐蝕控制管理體系、完善的飛機(jī)腐蝕控制文件體系以及飛機(jī)腐蝕控制人員培訓(xùn)系統(tǒng)。由設(shè)計(jì)所、應(yīng)用研究單位、生產(chǎn)廠以及使用單位相關(guān)人員共同組成,隨型號(hào)進(jìn)度解決腐蝕防護(hù)難點(diǎn)問(wèn)題,為機(jī)關(guān)和腐蝕控制決策提供技術(shù)支持。

2)加強(qiáng)細(xì)節(jié)密封防水設(shè)計(jì)。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn),進(jìn)行細(xì)節(jié)的密封和防水設(shè)計(jì),并采用先進(jìn)的阻蝕密封材料和密封劑精細(xì)密封施工工藝,控制關(guān)鍵部件和結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境,將海洋環(huán)境的影響降低到最小程度。

3)采用先進(jìn)表面處理和防護(hù)涂層技術(shù)。大幅度推進(jìn)先進(jìn)的表面處理和防護(hù)涂層技術(shù)的應(yīng)用,如高強(qiáng)度鋼、鈦合金高速火焰噴涂、爆炸噴涂代鍍鉻技術(shù);離子鍍鋁、鋁涂料替代鍍鎘用于鋼、鈦合金零件及緊固件防護(hù);鈦合金溶膠-凝膠表面處理提高與漆層及膠粘劑的結(jié)合力等。

4)防銹緩蝕劑的系列化發(fā)展及應(yīng)用。在前期研究硬膜緩蝕劑(如YTF-1)、軟膜緩蝕劑(如TSN-5)等產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,發(fā)展系列化的防銹緩蝕劑,如使用艦上使用的高閃點(diǎn)硬膜緩蝕劑、軟膜緩蝕劑以及電子產(chǎn)品用緩蝕劑等,實(shí)現(xiàn)不同部位的補(bǔ)充防護(hù),進(jìn)一步提高整機(jī)的腐蝕防護(hù)能力。

5)應(yīng)用先進(jìn)的腐蝕控制維護(hù)/維修技術(shù)。應(yīng)重視使用過(guò)程中的腐蝕控制,加強(qiáng)維護(hù)/維修技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用,如定期清洗飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī),及時(shí)清除表面的鹽分和油污等。并發(fā)展和應(yīng)用快速的維護(hù)/維修技術(shù),以控制腐蝕的發(fā)生和發(fā)展,及時(shí)進(jìn)行修理,減少維修成本比,避免重大的安全事故的發(fā)生,保障戰(zhàn)斗力和使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

腐蝕問(wèn)題已成為決定海洋環(huán)境服役飛機(jī)壽命、保證技戰(zhàn)術(shù)水平的關(guān)鍵因素,其因腐蝕防護(hù)與控制是一個(gè)系統(tǒng)工程,貫穿設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、使用全過(guò)程。文中從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料篩選、表面處理、有機(jī)防護(hù)體系、防銹劑的應(yīng)用、維護(hù)/維修、人員培訓(xùn)等方面,分析了國(guó)外海洋服役飛機(jī)的腐蝕防護(hù)與控制的發(fā)展?fàn)顩r。從腐蝕與防護(hù)系統(tǒng)工程的角度,提出了我國(guó)海洋服役飛機(jī)全面腐蝕控制的發(fā)展建議,主要包括加強(qiáng)細(xì)節(jié)的密封防水設(shè)計(jì)、應(yīng)用先進(jìn)高性能防護(hù)技術(shù)、加強(qiáng)維護(hù)/維修中技術(shù)與產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用等幾個(gè)方面,最終建立起海洋服役飛機(jī)表面防護(hù)研究體系,保證海洋服役飛機(jī)的研制、生產(chǎn)和使用的順利進(jìn)行,全面提高海洋服役飛機(jī)的使用壽命。

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Comprehensive Corrosion Control of Naval Aircraft

SUN Zhi-hua,TANG Zhi-hui,LI Bin
(AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

The development in corrosion prevention and control of abroad naval aircraft was comprehensively analyzed from the aspects of structure design,material selection,surface treatment,organic protective system,rust inhibitor application,maintenance/repair,personnel training,etc.From the view of corrosion and protection system engineering,the development research directions of overall corrosion control of our aircraft serviced in marine environment was put forward,including sealing and waterproof design,applying advanced high-performance protective technology,enhancing the application and development of maintenance/repair techniques and products.Finally,a surface protection research system for naval aircraft can be established,to ensure the development,production and usage of naval aircraft,and then improve the service lifetime.

naval aircraft;corrosion prevention and control;sealing design;protective technology;maintenance/repair products

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.006

TG174

:A

1672-9242(2014)06-0035-05

2014-09-03;

2014-10-26

Received:2014-09-03;Revised:2014-10-26

孫志華(1969—),女,河北人,博士,研究員,主要研究方向?yàn)轱w機(jī)環(huán)境適應(yīng)性研究與壽命評(píng)價(jià)、鋁合金防護(hù)技術(shù)等。

Biography:SUN Zhi-hua(1969—),Male,from Hebei,Ph.D.,Researcher,Research focus:aircraft environmental adaptability research and service life evaluation,aluminum alloy protection technology.