海洋環境服役飛機的全面腐蝕控制

孫志華,湯智慧,李斌

(中航工業北京航空材料研究院,北京100095)

海洋環境服役飛機的全面腐蝕控制

孫志華,湯智慧,李斌

(中航工業北京航空材料研究院,北京100095)

摘.要:從結構設計、材料篩選、表面處理、有機防護體系、防銹劑的應用、維護/維修、人員培訓等方面,分析了國外海洋服役飛機的腐蝕防護與控制的發展狀況。從腐蝕與防護系統工程的角度,提出了我國海洋服役飛機全面腐蝕控制的發展建議,主要包括加強細節的密封防水設計、應用先進高性能防護技術、加強維護/維修中技術與產品的研發和應用等幾個方面。最終建立起海洋服役飛機表面防護研究體系,保證了海洋服役飛機的研制、生產和使用的順利進行,全面提高了海洋服役飛機的使用壽命。

海軍飛機;腐蝕防護與控制;密封設計;防護技術;維護/維修

與內陸大氣環境相比,海洋大氣潮濕,鹽霧重, 海面風浪大,遠洋航行溫差大,這些直接影響海洋服役飛機操穩性能。飛機的服役環境惡劣,受到海浪沖刷、鹽霧腐蝕、霉菌腐蝕、高溫輻射、高溫水蒸氣等的環境作用,會造成金屬件腐蝕、非金屬件老化、油液易污染變質等[1—3]。這些問題的出現,輕者增加維修工作的難度和工作量,重者則危及飛行安全。據資料[4]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。美國各型艦載機因腐蝕造成多次故障發生,如F-18主起落架失效、F-14發動機安裝支座裂紋、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[5],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。對于經常處于濕熱海洋腐蝕環境中的飛機,腐蝕問題成為決定其壽命、保證技戰術水平的關鍵因素。

文中從結構設計、材料篩選、表面處理、有機防護體系、防銹劑的應用、維護/維修、人員培訓等方面,分析了國外海洋服役飛機的腐蝕防護與控制的發展狀況,從腐蝕與防護系統工程的角度,提出了我國海洋服役飛機全面腐蝕控制的發展司思路和建議。

1 國外海洋環境服役飛機腐蝕控制技術發展現狀

英、美等國空軍、海軍從第三代戰斗機開始,改變了以往以修理為主的被動應對飛機腐蝕問題的觀念,將飛機腐蝕控制研究發展為防護系統工程學,內容涵蓋合理設計、正確選材、精心裝配施工、先進的綜合防護體系、科學的腐蝕評價和檢測方法、有效的腐蝕維護與修理技術以及對相關人員進行多方位培訓等,在飛機方案論證、設計、選材、制造、維護的全壽命期內貫徹和體現積極的腐蝕預防與控制理念,形成系統的防腐蝕技術體系[6]。針對長期在海洋濕熱環境下服役的飛機,國外在腐蝕控制技術領域的研究成果主要體現在以下幾個方面。

1.1 合理的結構設計

在結構設計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防護(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內;注重通風(設計通風口蓋、通氣孔)和排水(設計排水孔及排水螺栓),使污水、積水盡快排除,防止潮氣滯留機內,侵蝕結構和設備;在結構中不允許有電偶腐蝕傾向的金屬或鍍層或復合材料之間相互接觸。折疊機翼的折翻機構在結構設計時盡可能簡單,易于折翻,同時考慮到應力腐蝕控制,所有轉角均應圓滑過渡。折翻機構由鍛件加工而成,應合理選擇鍛件分模面,減少或消除流線末端外露,使主應力、流線方向和分模面匹配,提高鍛件的抗應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 發展綜合性能優良的耐蝕材料

采用全面綜合(強度、斷裂韌性、耐腐蝕性、經濟性等)的選材原則[8],尤其是在滿足戰術技術性能的前提下,盡可能選用耐蝕材料。從設計、選材等角度即把腐蝕控制技術納入飛機結構耐久性設計中。建立分級的腐蝕性能評估方法供設計選材使用,重要結構材料都有比較全面的腐蝕性能數據,如高強度材料,英、美等國具有比較完備的應力腐蝕強度門檻值體系。

1.3 新型表面處理技術

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,以及達到耐磨、導電、減摩、隔熱、裝飾等目的。近年來,在傳統的技術基礎上,飛機表面處理技術的發展方向主要是提高材料綜合防護性能及適應環保需求。如替代鋼結構件、緊固件鍍鎘和鈦合金陽極化的離子鍍鋁技術、替代高強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[9]、替代六價鉻的鋁合金化學轉化膜工藝、替代鉻酸陽極化的硼酸-硫酸陽極化工藝[10]等。

1.4 新型防護涂層體系

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。近年來,歐、美海軍發展的飛機防護涂層主要向環保型、柔韌型、單層體系、多功能等方向發展,如發展高性能水基環氧底漆、聚氨酯彈性底漆、無毒緩蝕底漆、自底漆面漆、抗雨蝕涂層等。

1.5 脫水防銹劑的應用

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

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

1.6 先進的腐蝕維護修理新技術

飛機飛行和停放過程中易沉積腐蝕性介質,加速腐蝕過程。針對這些問題,國外將飛機的清洗、緩蝕、去濕、腐蝕修復等作為使用維護過程中控制腐蝕發生發展的關鍵技術。廣泛采用飛機專用清洗劑[12](如圖4所示)、脫水防銹劑、去濕防腐劑。在維護中采用多種腐蝕修復技術,如鋁合金阿洛丁(Alodine)化學氧化;鎂合金鉻酸鹽化學氧化;碳鋼磷化等。近年來,飛機腐蝕修復技術主要有如下幾個方面發展:高速火焰噴涂(HVOF)代鉻技術、電刷鍍技術和電刷陽極化技術對零件的損傷鍍層進行原位修理,有效降低維修費用,縮短裝備停用時間。如低氫脆刷鍍鎘用于飛機起落架鍍鎘零部件修理。美海軍正在進行電刷鍍鋅-鎳和鋅-鈷技術以及電刷硫酸陽極化、鉻酸陽極化、硼酸-硫酸陽極化等技術的研究。

圖4 飛機的定期清洗Fig.4 Regular cleaning of aircraft with cleaners

1.7 針對機載電子設備的腐蝕控制技術

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,采用注射成形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。

1.8 飛機材料及防護體系腐蝕監檢測.環境適應性評價及日歷壽命評定

隨著新型結構材料在海軍航空裝備上的大量應用,飛機腐蝕控制工作也面臨極大挑戰。新材料從研制到服役,周期較短。在材料實際應用前,不可能進行大范圍的飛行考核或長期的環境暴露試驗。因此,必須建立具有良好模擬性、加速性、相關性的試驗室加速試驗方法,科學地評價新材料、結構件及防護體系的耐蝕性能,進行整機環境適應性評價和日歷壽命的研究。美軍在佛羅里達州暴曬場進行了大量的材料、構件的戶外暴露試驗,如圖5所示。美軍標MIL-STD-810F規定了環境試驗的通用要求及20多個試驗方法[13],使試驗質量和可靠性得到極大提高,并且發展出質量更高、用途更廣的試驗設備。如綜合了多種環境因素的多因子循環復合腐蝕試驗機,使環境試驗從對現象的模擬向對本質規律的模擬發展。此外,發展飛機腐蝕損傷及腐蝕環境的原位監測技術,一方面搜集宏觀環境數據,另一方面通過原位檢測飛機的腐蝕損傷及其主要影響因素。綜合兩方面信息對飛機腐蝕損傷進行預測和評估,將以往的“發現腐蝕-進行修復”的模式轉變為“預測腐蝕-進行管理”的模式,根據預測結果決定飛機維護和管理策略。

圖5 ATLAS佛羅里達州暴曬場Fig.5 Atlas Exposure station in Florida

1.9 注重飛機腐蝕數據積累及相關人員的技術培訓

20世紀90年代,美國海軍航空培訓部門開發了用于指導海軍飛機維護人員進行腐蝕控制技術培訓的計算機輔助訓練軟件(Computer-based training for corrosion control,簡稱CBT)。CBT軟件在Windows系統下運行,綜合了文字、動畫、聲音、圖形等多媒體形式,訓練課程包括腐蝕控制基礎、機載設備的腐蝕控制、涂鍍層、腐蝕產物去除及表面處理、緊急情況的處理、海軍飛機的防護、材料的毒性等,與普通的課堂教學比較,多媒體軟件教學所需時間短、信息量大、培訓效果好。

2 海洋服役飛機全面腐蝕控制研究總體思路及建議

2.1 海洋服役飛機全面腐蝕控制研究總體思路

海洋服役飛機的腐蝕與防護是一個系統工程,貫穿設計、研制、生產、使用全過程,完善頂層管理,以指導海洋服役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,使海洋服役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。最終建立起海洋服役飛機表面防護研究體系,保證海洋服役飛機的研制、生產和使用的順利進行,全面提高海洋服役飛機的使用壽命。

2.2 海洋服役飛機全面腐蝕控制研究重點發展方向及建議

1)建立完善的頂層管理制度。應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。

2)加強細節密封防水設計。針對不同結構特點,進行細節的密封和防水設計,并采用先進的阻蝕密封材料和密封劑精細密封施工工藝,控制關鍵部件和結構的服役環境,將海洋環境的影響降低到最小程度。

3)采用先進表面處理和防護涂層技術。大幅度推進先進的表面處理和防護涂層技術的應用,如高強度鋼、鈦合金高速火焰噴涂、爆炸噴涂代鍍鉻技術;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;鈦合金溶膠-凝膠表面處理提高與漆層及膠粘劑的結合力等。

4)防銹緩蝕劑的系列化發展及應用。在前期研究硬膜緩蝕劑(如YTF-1)、軟膜緩蝕劑(如TSN-5)等產品的基礎上,發展系列化的防銹緩蝕劑,如使用艦上使用的高閃點硬膜緩蝕劑、軟膜緩蝕劑以及電子產品用緩蝕劑等,實現不同部位的補充防護,進一步提高整機的腐蝕防護能力。

5)應用先進的腐蝕控制維護/維修技術。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。并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,避免重大的安全事故的發生,保障戰斗力和使用壽命。

3 結語

腐蝕問題已成為決定海洋環境服役飛機壽命、保證技戰術水平的關鍵因素,其因腐蝕防護與控制是一個系統工程,貫穿設計、研制、生產、使用全過程。文中從結構設計、材料篩選、表面處理、有機防護體系、防銹劑的應用、維護/維修、人員培訓等方面,分析了國外海洋服役飛機的腐蝕防護與控制的發展狀況。從腐蝕與防護系統工程的角度,提出了我國海洋服役飛機全面腐蝕控制的發展建議,主要包括加強細節的密封防水設計、應用先進高性能防護技術、加強維護/維修中技術與產品的研發和應用等幾個方面,最終建立起海洋服役飛機表面防護研究體系,保證海洋服役飛機的研制、生產和使用的順利進行,全面提高海洋服役飛機的使用壽命。

[1] 張丹峰,譚曉明,陳躍良.海洋環境下飛機結構腐蝕疲勞研究現狀[J].裝備環境工程,2009,6(2):5—8. ZHANG Dan-feng,TAN Xiao-ming,CHEN Yue-liang.Research Progress of Corrosion Fatigue of Aircraft Structure under Marine Environment[J].Equipment Environmental Engineering,2009,6(2):5—8.

[2] 胡建軍,陳躍良,卞貴學,等.飛機結構加速腐蝕與自然腐蝕[J].腐蝕與防護,2011,32(11):900—904. HU Jian-jun,CHEN Yue-liang,BIAN Gui-xue,et al.Corrosion of Aircraft Structure Material in Accelerated Simulating Environment and Service Environment[J].Corrosion and Protection,2011,32(11):900—904.

[3] 陳亞莉.艦載機材料的特殊要求與選擇特點[J].國際航空,2011(11):35—38. CHEN Ya-li.Selecting suitable materials for carrier-based aircraft[J].International Aviation,2011(11):35—38.

[4] Air Force Corrosion Prevention and Control Office Corrosion Program[R].AD A568549.

[5] 李玲,蘇洪斌,范興,等.淺談艦載機的海水腐蝕問題[J].科學時代,2010(11):5—8. LI Ling,SU Hong-bin,FAN Xing,et al.Seawater Corrosion Problem of Carrier-based Aircraft[J].Science Times,2010(11):5—8.

[6] MATTHEW K,U S Marine Corps Corrosion Prevention and Control(CPAC)Program Status[R].AD A508954,2009.

[7] GUILLEMETTE R,LUCHENTA R.Enhanced Corrosion Protection for the H-60 Helicopter[R].AD A532642, 2009.

[8] MENDOZA R.In Service Corrosion Issues in Sustainment of Naval Aircraft[R].AD A580875,2012.

[9] BROWN A S,ELIZABETH B.Cadmium Alternatives for High-Strength Steel[R].AD A575286,2011.

[10]HANDSY I C,DAN N,SCOTT P.Replacement for Cadmium Plating and Hexavalent Chromium on Fasteners and Electrical Connectors[R].AD A532612,2010.

[11]李斌,張曉云,湯智慧,等.飛機硬膜脫水防銹劑YTF-1的研制[J].材料工程,2000(10):33—35. LI Bin,ZHANG Xiao-yun,TANG Zhi-hui,et al.Development of a Hard Film YTF-1 with Displacing Corrosion Preventive Properties for Aircraft[J].Journal of Materials Engineering,2000(10):33—35.

[12]李斌,張曉云,湯智慧,等.飛機表面水基清洗劑對金屬材料腐蝕及氫脆性能影響研究[J].材料工程,2007 (6):55—60.

LI Bin,ZHANG Xiao-yun,TANG Zhi-hui,et al.Effect of Water-based Cleaning Compound for Aircraft Exterior Surface on Metals Corrosion and Hydrogen Embrittlement [J].Journal of Materials Engineering,2007(6):55—60.

[13]ROBERT N M,SCHUESSLER R L.Predicting Service Life of Aircraft Coating in Various Environments[J].Corrosion,1989(4):17—21.

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,主要研究方向為飛機環境適應性研究與壽命評價、鋁合金防護技術等。

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.