鋁合金結構腐蝕傳感器綜述

劉馬寶,王巧云,張勇,陳躍良

(1.西安交通大學,西安710049;2.機械結構強度與振動國家重點實驗室,西安710049; 3.西安航空學院,西安710077;4.海軍航空工程學院青島校區,山東青島266041)

鋁合金結構腐蝕傳感器綜述

劉馬寶1,2,王巧云3,張勇4,陳躍良4

(1.西安交通大學,西安710049;2.機械結構強度與振動國家重點實驗室,西安710049; 3.西安航空學院,西安710077;4.海軍航空工程學院青島校區,山東青島266041)

摘.要:基于鋁合金材料發生腐蝕后,其電特性發生了很大的變化,可以通過監測電特性的變化實現鋁合金結構腐蝕程度評估的特性,重點描述了電流式、電阻式、阻抗式等腐蝕傳感器的主要構造、功能及其工作原理。這些腐蝕傳感器的研發和應用為早期發現飛機結構的腐蝕損傷提供了技術儲備和有效手段,有利于及時采取修理或預防措施,從而減少或避免飛機結構發生重大腐蝕故障。最后提出了飛機結構腐蝕傳感器研發的基本構想和總體思路,明確了其技術發展的重點方向。關鍵詞:鋁合金結構;傳感器;電化學腐蝕;腐蝕電流

在飛機服役期間,鋁合金結構腐蝕的發生和加劇主要歸因于飛機防護體系失效,如保護漆、陽極氧化層、密封劑等的老化和破壞。作為飛機主要結構材料之一的高強度鋁合金,在惡劣環境下十分容易被腐蝕破壞,因此需要經常對鋁合金結構可能存在的腐蝕進行檢測、修復和更換受損結構,從而有效確保飛機的可靠性和使用壽命,但同時也大大增加了維護成本[1]。對于軍用飛機來說,飛機維護費用的一大部分都用于腐蝕監測與維護。據報道,1998年美國空軍用于飛機腐蝕維護的費用高達8億美元[2],美國海軍用于飛機結構腐蝕損傷的檢測和維護每年花費超過15億美元[3]。因此提高飛機鋁合金結構抗腐蝕性能、延長飛機服役年限、削減飛機腐蝕檢測和維護成本受到越來越多的關注[4],一些先進的腐蝕防護技術、檢測技術和腐蝕監測傳感器技術得到了快速的發展。這些技術的開發和應用給飛機結構腐蝕維護帶來了極大的方便,降低了飛機結構故障率,保證了飛機使用安全性,節省了人力財力。文中主要介紹了目前世界先進的腐蝕傳感器技術的工作原理及其應用,闡述了腐蝕傳感器設計的基本思路,指明在實際工作中腐蝕傳感器監測的重點,為腐蝕傳感器技術的研發提供新思路。

1 飛機鋁合金結構腐蝕機理及評價方式

1.1 飛機鋁合金結構腐蝕機理

飛機鋁合金結構腐蝕主要是電化學腐蝕,內因是飛機鋁合金結構局部防護體系存在缺陷或損傷,鋁合金結構暴露在腐蝕環境中;外因是環境中有腐蝕液(即電解液)存在,使得鋁合金結構與腐蝕液接觸。鋁合金作為活潑金屬,往往成為電化學腐蝕反應的陽極,失去電子,形成化合物,原有的鋁合金結構遭到破壞。鋁合金結構腐蝕初期,結構表面逐漸失去金屬光澤,變得粗糙,出現暗斑。隨著腐蝕損傷加劇,結構表面出現點蝕。到了腐蝕后期,結構表面出現大面積剝蝕、點蝕穿孔等現象。鋁合金電化學腐蝕過程中,在陽極和陰極之間會有腐蝕電流產生,腐蝕電流的大小與反應物類型及腐蝕環境的濕度、溫度等密切相關。一方面,處于特定腐蝕環境中的鋁合金結構發生電化學腐蝕產生腐蝕電流的大小是一個相對穩定的值,該值能夠反應鋁合金結構腐蝕反應的平均快慢程度。另一方面,腐蝕電流的產生意味著陽極金屬的流失,所以腐蝕電量的累積是參與反應的陽極金屬流失質量大小的表征。鋁合金腐蝕過程中,一些特定離子,如氯離子在鋁合金結構表面的聚集,也預示著該位置存在點蝕隱患[5]。基于飛機鋁合金結構腐蝕的典型特點,可以開發相關傳感器,用來捕捉鋁合金結構腐蝕信息。

1.2 飛機鋁合金結構腐蝕評價方式

評估結構防護體系及腐蝕損傷,一般有2種典型方式[3]。一是使用傳感器直接對腐蝕結果進行測量,如測量防護體系的老化、鉻化的耗損,點蝕及大面積腐蝕等。這種評估方式不關心結構的腐蝕機理,注重對腐蝕結果的捕捉。這類傳感器不需要實時監測,采用周期性檢測即可,一般每周1次,無需持續供電,能夠給出腐蝕發展歷程。二是使用環境氣候傳感器測量各種腐蝕環境參數,通過建立的腐蝕預測模型推算各種腐蝕行為。這種方式注重腐蝕成因,從腐蝕機理出發,考慮了環境擾動因素。這類傳感器必須要持續供電,實時監測環境參數,并根據測量數據所處的環境條件進行相應修正。由于這種測量方式理論復雜,對測量條件要求高,數據測量受環境影響較大,測得的數據一般有特定的使用條件等原因,迄今還沒有成熟的腐蝕預測模型能夠投入實際應用,因此工程實際多采用第一種方式對結構防護體系和腐蝕損傷進行監測和評估。

2 腐蝕傳感器分類

根據腐蝕傳感器監測對象的不同,目前腐蝕傳感器可分為4種類型[6],分別是直接測量腐蝕影響型傳感器、測量環境腐蝕特性型傳感器、測量腐蝕產物型傳感器和測量腐蝕局部環境型傳感器。

2.1 直接測量腐蝕影響型傳感器

使用電化學阻抗分析儀[7]或者基于微機電系統的傳感器可以實現對腐蝕的直接測量,但這種測量方式只適用于對局部區域的腐蝕監測。對結構大面積腐蝕監測往往需要在被監測結構上布置大量傳感器。另外,有一種腐蝕指示油漆,其漆層的顏色隨結構表面的pH值變化而變化,從而指示腐蝕發生的信息。這種方法適用于大面積腐蝕檢測,需要定期進行人工輔助檢查。

2.2 測量環境腐蝕特性型傳感器

這種測量方式的傳感器主要通過對環境腐蝕的測量,建立環境腐蝕嚴酷度和基體結構表面腐蝕速率之間的關系。目前這種傳感器種類最多,應用最廣。例如腐蝕電流傳感器能夠通過自身電流的變化,指示腐蝕環境濕度隨時間的變化,或者給出腐蝕金屬失重隨時間的變化等。環境腐蝕性傳感器需要將結構腐蝕程度通過標定顯示出來,正是如此,這種傳感器在用于噴涂了復雜漆層防護體系結構的腐蝕監測時,難度較大,需要格外注意。一些傳感器本身就包含了和待監測結構材料完全相同的樣本金屬,傳感器也可以同樣被噴上防護漆,進行保護封裝。這種傳感器與結構表面處于相同的腐蝕環境當中,受到相同的腐蝕因子侵蝕,因此能夠很好地反映結構腐蝕狀態。

2.3 測量腐蝕產物型傳感器

化學傳感器能夠和一些特定的物質離子起化學反應,這些離子是腐蝕發生的征兆,其濃度大小反應了腐蝕反應的進行程度。這類傳感器常用來安裝在腐蝕產物大量堆積的區域,如飛機腹艙中,因此可用于間接監測一個較大區域的腐蝕程度。目前這種傳感器能否在大量腐蝕產物存在的環境中正常工作而不被損壞,還有待大量實驗進一步證實。一些腐蝕指示漆層也有類似的功效,當它與腐蝕產物發生化學反應后,漆層的熒光譜會發生變化。

2.4 測量腐蝕局部環境型傳感器

飛機鋁合金結構的腐蝕損傷進程與飛機的服役環境和服役歷程有很大關系,因而有可能建立一個完整的非侵入型腐蝕模型,包括腐蝕開始和腐蝕進程。在實際服役環境中,飛機受到各種因素的影響,如污染累積(pollution accretion)、紫外線輻射損傷、不可預期的大氣狀況等,把這些實際影響因素全部考慮在預測模型中,難度很大。盡管可以通過環境氣候監測傳感器提供某個構件或某組構件所處環境(或微環境)的溫度、濕度、相關離子濃度等,以供建立待監測結構件腐蝕預測模型所需主要參數,但各參數對結構腐蝕的綜合作用非常復雜,模型難以精確建立。因此,該類腐蝕預測模型目前還無法投入實際應用。

3 典型腐蝕傳感器

國外在腐蝕傳感器的開發與應用研究方面相對較早,主要采用傳感器對腐蝕結果進行直接測量的評估方式,已開發出較為成熟的腐蝕傳感器,并投入了實際應用[8—9],而我國腐蝕傳感器的開發尚處于起步階段。在此,對一些典型的腐蝕傳感器工作原理、結構、開發和應用現狀進行了總結及分析[10]。

3.1 電容-電阻式腐蝕傳感器

與監測的鋁合金結構完全相同的傳感材料(偽金屬)作為平行極板電容器的一個極板,暴露于腐蝕環境當中;另一個極板被妥善的保護起來,使其免受腐蝕。兩極板間填充電絕緣材料,構成一個電容傳感器。傳感器安裝于待監測基體結構附近,處于與基體結構完全相同的腐蝕環境當中,腐蝕因子會使得傳感材料極板出現穿孔,導致電容傳感器正對面積減小,從而引起電容值與腐蝕穿孔面積的線性變化,進而推算出腐蝕穿孔面積,間接評估基體結構腐蝕損傷面積百分比。為了能夠得到結構腐蝕的深度,可以設計不同厚度的傳感材料極板,同時在電容傳感器兩極板正中安裝一定形狀的金屬箔電阻層,電阻層通過位于其上下兩側的電解質絕緣層與電容傳感器極板隔開,并且保持電絕緣。位于電容傳感器傳感材料極板一側的絕緣層開有均勻分布的小孔(或小槽),使得該極板腐蝕穿孔后,腐蝕介質可以隨孔蔓延到金屬箔上,造成金屬箔的腐蝕,從而導致金屬箔的電阻發生變化,從而獲知腐蝕進行的深度。電容-電阻式腐蝕傳感器結構如圖1所示。

圖1 電容-電阻腐蝕傳感器結構Fig.1 Structure of capacitance-resistance corrosion sensor

3.2 電阻式腐蝕傳感器

電阻式腐蝕傳感器的基本工作原理是利用腐蝕損傷引起傳感器傳感層的電阻變化進行監測[11—12]。該傳感器的工作原理簡單,實際應用可靠性高,如圖2所示。

圖2 電阻式腐蝕傳感器結構Fig.2 Structure of resistance corrosion sensor

作為傳感器的工作主體,傳感層材料可以采用與待監測鋁合金結構成份一樣的材料(偽金屬),亦可采用比監測金屬結構更活潑的金屬材料。電阻式腐蝕傳感器一般安裝在待監測結構表面,與待監測結構采取相同保護措施。傳感器包括基板和傳感層兩層結構。根據安裝傳感器時基板和傳感層表層、底層位置的不同,有2種不同的安裝方式。第1種方式(正裝):傳感器的傳感層位于表層。這種安裝方式可以用來監測結構保護體系(如漆層)的完整性及其臨界老化程度。傳感器安裝在待監測結構表面,與結構采用相同的保護措施。當傳感器傳感層表面的保護體系被破壞以后,傳感層暴露出來,引起腐蝕,導致傳感層電阻發生變化,從而可獲知保護體系也發生了相應的破壞。第2種安裝方式(反裝):傳感器的傳感層位于底層。這種安裝方式可以用來監測結構表面腐蝕是否發生以及腐蝕進行的程度。當結構表面發生腐蝕,與結構表面接觸的傳感層也相應發生腐蝕,導致傳感層電阻發生變化,從而獲知結構表面出現了腐蝕。這類傳感器已經在歐洲狂風戰斗機(Tornado)以及各種陸基設備上得到應用,另外F-35戰斗機也已經采用電阻式腐蝕傳感器對結構腐蝕監測。

3.3 電流式腐蝕傳感器

電流式腐蝕傳感器,亦稱為電化學雙金屬腐蝕電流傳感器,一般為雙層結構,如圖3所示。底層結構是與待監測鋁合金結構表面直接接觸的絕緣基板,起到承載金屬層以及電絕緣的作用。基板材料為鋅黃底漆,或用聚酰亞胺薄膜、硅片等材料。表層結構,即金屬層,是兩種活性不同的金屬材料通過濺射沉積或蒸鍍等附著在基板上。兩種金屬材料在基板上呈現交錯穿插排布,類似于兩個梳齒相互交錯排列,但彼此之間不接觸。兩種金屬材料活性不同,其一為偽金屬,另一種金屬可以是銅或鉻等,從兩種材料上分別引出兩根引線。也可去除偽金屬材料,把兩根引線中的一根直接連接待監測結構,而另一根連接陰極金屬層。當傳感器處于腐蝕環境當中時(一般相對濕度大于50%),不同電化學特性的兩種金屬之間就構成了一個原電池,其中一種充當陽極,被氧化,失去電子,被腐蝕。這樣,在該兩種金屬之間產生了腐蝕電流。通過不同位置傳感器腐蝕電流的差異,獲知結構區域腐蝕環境的嚴酷程度,從而實現對鋁合金結構腐蝕損傷的監測。

圖3 電流式腐蝕傳感器結構Fig.3 Structure of galvanic corrosion sensor

美國和印度共同研制開發了電化學雙金屬腐蝕電流傳感器[13],其典型結構如圖4所示。這種傳感器采用類似于三明治結構的分層布局,位于最上層和最下層的是鋁合金裸板,作為陽極。該鋁合金裸板與待監測鋁合金結構材料完全相同,而位于中間的是梳齒狀金箔,作為陰極,通過玻璃布與鋁合金裸板隔開。

圖4 雙金屬腐蝕電流傳感器結構[14]Fig.4 Structure of electrochemical bimetallic galvanic corrosion sensor

目前,國內也開展了電流式腐蝕傳感器的研制工作。筆者成功開發了薄膜型電化學雙金屬腐蝕電流傳感器,如圖5所示[10]。該型傳感器質量輕、體積小,安裝快捷方便,易于應用于飛機鋁合金結構的腐蝕監測。

圖5 薄膜型電化學雙金屬腐蝕電流傳感器[10]Fig.5 Film-type electrochemical bimetallic galvanic corrosion sensor[10]

雙金屬腐蝕電流傳感器已在美國海軍P-3C型飛機上得到應用,在8個關鍵部位安裝了雙金屬腐蝕電流傳感器(Sensor 1#—8#),進行結構腐蝕和防護體系監測[14],如圖6所示。

圖6 P-3C型飛機腐蝕傳感器安裝點[14]Fig.6 The installation sites of the corrosion sensors on the P-3C aircraft(red squares)[14]

3.4 智能阻抗貼片傳感器

智能阻抗貼片傳感器粘貼在基體結構表面,通過構造片狀電極,測量傳感器電極阻抗變化,來判斷基體表面防護體系是否發生破壞[15]。傳感器為分層結構,如圖7所示。

圖7 智能阻抗貼片傳感器結構[15]Fig.7 Structure of smart appliqué impedance corrosion sensor[15]

位于最下層的是基體結構表面,其上噴涂底漆。傳感器的電極層通過壓敏粘結劑粘貼于底漆之上。位于最上層的是基體防護體系,如耐腐蝕漆層或阻蝕劑等。當飛機停機檢修時,通過地面阻抗測量設備,獲取并分析傳感器粘貼局部基體與傳感器電極之間的阻抗頻譜,判斷傳感器粘貼部位的結構防護體系是否發生了破壞以及基體表面是否發生了腐蝕。該傳感器由美國和哥倫比亞共同開發完成,已對3105鋁合金和1008鋼進行鹽霧實驗,傳感器成功檢測材料的腐蝕行為。

4 腐蝕傳感器發展趨勢

盡管對單一環境下鋁合金腐蝕機理的認識較為清晰,但是,鋁合金及其結構在飛機實際服役環境下的腐蝕行為是多種因素共同作用的結果。因此,單純從腐蝕機理出發設計腐蝕傳感器十分困難,且實際監測效果欠佳。在實際使用中,如果腐蝕傳感器能夠探知鋁合金結構某局部區域防護體系的破壞及腐蝕損傷,維護人員可根據傳感器的監測結果對腐蝕損傷部位進行相應的修復,消除飛機鋁合金結構腐蝕帶來的安全隱患。在開發腐蝕傳感器時,不應過分關注腐蝕機理,更應注重對腐蝕信息的捕捉。因此,在開發腐蝕傳感器的過程中應考慮以下因素。

1)傳感器本身應具有良好的環境適應性、耐久性和可靠性。要求傳感器能夠及時發現結構腐蝕發生之處,同時傳感器具有良好的環境適應性和穩定可靠的性能也尤為重要。

2)注重對腐蝕苗頭的捕捉。過分追求從腐蝕機理入手設計腐蝕傳感器可能并不實用,而注重對腐蝕苗頭的捕捉有時會起到事半功倍的效果。因此,對腐蝕傳感器的設計應當結合結構腐蝕特征,針對結構不同部位腐蝕特點,設計有針對性的腐蝕傳感器。

3)功能綜合化。通過鋁合金結構電化學腐蝕特征參量,如腐蝕電流、腐蝕電阻、腐蝕電抗、腐蝕電壓、典型離子濃度、環境相對濕度等,設計對相應參量敏感的腐蝕傳感器。將各種類型的腐蝕傳感器集成在一個基片上,構建綜合化環境腐蝕監測模塊,實現各種傳感器功能互補,從而對鋁合金結構腐蝕損傷的全面監測和評估,更加有效地指導飛機鋁合金結構維護工作。

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Review on Corrosion Sensors for Aluminium Alloy Structure

LIU Ma-bao1,2,WANG Qiao-yun3,ZHANG Yong4,CHEN Yue-liang4

(1.Xi＇an Jiaotong University,Xi＇an 710049,China; 2.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structure,Xi＇an 710049,China; 3.Xi＇an Aeronautical University,Xi＇an,710077,China; 4.Institute of Naval Aeronautical Engineering at Qingdao,Qingdao 266041,China)

Once aluminum alloys are corroded,their electrical characteristics will be significantly changed.Based on this principle,the corrosion sensors have been developed by detecting the changes in electrical characteristics to evaluate the corrosive degree for aluminum alloy structure.Currently,a series of corrosion sensors have been developed,which can capture the corrosive effect of aluminum alloy structures,including galvanic corrosion sensor,resistance corrosion sensor and impedance corrosion sensor and so on.The development and application of these corrosion sensors provide technical backup and effective means for the early detection of corrosions in the aircraft structure,and help to adopt corrosion resist-ant maintenance or protection measures in a timely manner so as to reduce or avoid severe corrosion failures of the aircraft structure.Finally,the working principles and application situations of the corrosion sensors were summarized,and the future development trend for the corrosion sensor technology was pointed out.

aluminum alloy structures;sensor;electrochemical corrosion;corrosion current

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.005

V252.2;TG174

:A

1672-9242(2014)06-0029-06

2014-08-01;

2014-11-02

Received:2014-08-01;Revised:2014-11-02

國家自然科學基金面上項目(51075394,51175404);西安蓮湖區產學研項目(K2013-026)

Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China(51075394,51175404);Industry,Education and Research Project of Lianhu District in Xi'an(K2013-026)

劉馬寶(1966—),男,博士,教授,博士生導師,主要研究方向為結構健康監測、材料損傷演化及性能評估。

Biography:LIU Ma-bao(1966—),Male,Ph.D.,Professor,Research focus:structural health monitoring,damage evaluation and reliability of aircraft structures in complex environments.