某型飛機腐蝕防護及設計改進

彭志軍,王學強,葉彬

(中航工業洪都飛機設計研究所,南昌330024)

某型飛機腐蝕防護及設計改進

彭志軍,王學強,葉彬

(中航工業洪都飛機設計研究所,南昌330024)

摘.要.目的針對某型飛機的腐蝕問題開展研究,制定結構腐蝕修理和防腐改進措施。方法對外場飛機的腐蝕情況進行統計歸類,對現有飛機防護體系進行梳理,分析結構腐蝕原因和防護體系的不足。在對飛機服役地區環境進行實測的基礎上,編制飛機地面停放環境譜和飛機結構局部環境譜。研究制定結構防護體系設計改進措施,并通過加速腐蝕試驗驗證設計改進效果。結果與結構設計改進前的原始狀態相比,防腐改進后的結構日歷壽命提高1.6～5倍。結論飛機防護體系薄弱的情況下容易引發多種類型的腐蝕問題;系統地對飛機結構腐蝕問題進行治理,才能取得令人滿意的效果。

腐蝕;防護體系;環境譜;加速腐蝕試驗

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,防腐是裝備全壽命期內(設計、制造、使用和維護)的重要工作[1]。由于局部服役環境較為惡劣,某型飛機在外場使用過程中,先后出現了鋼制標準件、緊固件和成件殼體的銹蝕問題,機體結構、起落架和系統鋼制零件的銹蝕問題,以及機翼整體油箱上壁板、垂尾下支臂、水平安定面后梁、升降舵扭力管、機身機翼連接接頭、發動機推力梁、機身與垂尾連接框接頭、機翼后梁接頭等機體結構鋁制零件的腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕問題,還有因強迫裝配而產生的機身與垂尾連接框接頭應力腐蝕開裂問題甚至直接導致部分飛機停飛。上述問題均表明對該型飛機進行腐蝕防護和設計改進的重要性和必要性。

文中對某型飛機腐蝕防護及設計改進過程中的一系列工作進行了系統的介紹,包括當量環境譜編制、外場腐蝕統計分類、現有防護體系統計、防腐設計改進以及防護體系優選驗證試驗等,對飛機的腐蝕防護和治理具有實際意義。

1 外場腐蝕問題統計歸類

為了全面了解某型飛機在外場使用中出現的腐蝕問題,駐外場技術服務組在外場對飛機的腐蝕、銹蝕情況進行了普查,并為每架飛機建立了腐蝕檢查記錄檔案。根據外場腐蝕問題檔案,對標準件、成件、機體結構和起落架鋼制零件、鋁制零件的腐蝕按應力腐蝕、電化學腐蝕、縫隙腐蝕等進行了分類統計匯總,各類腐蝕的示意如圖1—圖7所示。

圖1 機翼整體油箱上壁板腐蝕Fig.1 Corrosion on the upper panel of wing integral tank

圖2 垂尾下支臂腐蝕Fig.2 Corrosion on the lower arm of vertical tail

圖3 水平安定面后梁腐蝕Fig.3 Corrosion on the rear spar of horizontal tail

圖4 發動機推力梁腐蝕Fig.4 Corrosion on the engine thrust beam

圖5 機身垂尾連接接頭腐蝕裂紋Fig.5 Corrosion on the fuslage-vertical tail joint

圖6 蒙皮縫隙腐蝕Fig.6 Corrosion on the slots of skin

圖7 成附件腐蝕Fig.7 Corrosion on the finished product

2 環境譜實測和當量環境譜編制

飛機結構的腐蝕情況與服役環境密切相關,相同型號的飛機在不同服役地區(機場)的腐蝕情況有明顯差別[2]。為了獲得具體的環境數據,對飛機服役的地區地面氣象參數和大氣污染物等進行了實測,并對實測數據進行了分析,結果表明:

1)服役地區大氣、土壤、露水、地下水中含鹽量高,且主要成分是氯化物和硫酸鹽,相當于含鹽(以質量分數計)0.3% ～0.4%,屬中度鹽堿地區。由于氯化物是金屬腐蝕的最主要因素,因此可以推斷,該地區環境腐蝕危害嚴重,易使金屬發生銹蝕或點蝕危害。

2)白天日照時間長,晝夜溫差大,夜晚相對濕度大,飛機機體結露嚴重,易形成腐蝕傳導介質。

3)風沙或沙塵暴多,機體表面及接縫處長時間沉積有沙塵。

4)日照時間長,總輻射量大,紫外光累積輻射量較大。

由此可見,該型飛機的服役環境十分惡劣,若其自身的防護體系較為薄弱,則在服役環境的作用下,機體結構很容易發生腐蝕。

盡管造成飛機結構腐蝕的環境因素有很多種,但對某一特定的飛機而言,只是少數幾種環境在起主導作用[3]。根據測定的特定地域氣象資料,其腐蝕環境總體上可分為兩大類:氣候環境要素和化學環境要素,選取對結構有貢獻的腐蝕參數,按照環境強度、持續時間、先后順序編制飛機結構使用環境譜[4—6]。軍用飛機地面停放環境譜是導致其結構發生腐蝕損傷的主要原因,地面停放腐蝕環境根據地理條件、使用情況、結構形式等因素又可劃分為總體腐蝕環境和局部腐蝕環境。局部腐蝕環境對飛機具體結構腐蝕起決定作用,因而局部環境譜對研究飛機結構腐蝕損傷至關重要[7—9]。

在環境實測數據的基礎上,編制了當量環境譜和3個加速腐蝕試驗環境譜,分別用于結構外露部位鋁合金材料加速腐蝕試驗、半開敞結構鋁合金材料加速腐蝕試驗、半開敞結構鋼材料加速腐蝕試驗。加速腐蝕試驗環境譜的編制遵循以下原則[10—11]。

1)針對具體的飛機結構關鍵部位及對象,包含飛機服役時該部位實際環境產生腐蝕(及老化)的主要因素及作用情況,從而再現實際服役過程中涂層出現的腐蝕損傷形式。

2)使腐蝕歷程所需時間大大縮短,達到加速目的。

3)能實現適當的當量加速關系。

3 防腐設計改進

3.1 現有防護措施統計

該型飛機為全金屬結構飛機,絕大部分結構材料都是鋁合金。為了全面了解其結構防護體系,對全機鋁制零件和鋼制零件的表面防護體系進行了普查和統計。從普查和統計結果可知,在機體結構鋁制零件中,擠壓型材涂有H06-2鋅黃底漆,而大部分結構內部零件表面和蒙皮內表面只進行了陽極化處理,沒有噴涂任何底漆。機體內部鋼制零件大部分只進行了簡單的電鍍或涂油處理,沒有噴涂防護漆,還有部分只涂了H04-2中灰漆。由此可以說明現有防護體系是較為薄弱的,在嚴酷的使用環境作用下容易發生腐蝕。

3.2 表面防護技術調研收集

根據對飛機外部鋁合金防護體系、內部鋁合金防護體系、外部鋼制零件防護體系、內部鋼制零件防護體系等資料的分析研究,目前國內多種飛機廣泛使用的、效果較好的涂層主要有以下幾種:TB06-9底漆+TS70-60面漆、TB06-9底漆+TS96-71面漆、H06-076底漆+SF96-201面漆、H06-25底漆+H06-26面漆、納米底漆和面漆。考慮到飛機服役地區的惡劣環境和使用過程中出現的腐蝕情況,結合國內科研院所在腐蝕研究方面所取得的最新研究成果及其應用情況,給出防護涂層設計改進的選擇建議。

3.3 結構防腐蝕設計改進

為保證該飛機的飛行安全,延長飛機的使用壽命,必須對其所出現的腐蝕采取修理及控制措施。而且應根據在不同部位、不同材料上出現的腐蝕現象,采取不同的防護方法。研究飛機結構局部腐蝕環境的成因,能為分析結構腐蝕原因、制定防腐控制措施提供科學的依據[12]。因此,按照飛機在外場使用過程中出現的腐蝕類型,對局部結構特點進行分析后[13—16],有針對性地提出了結構的防腐設計改進方案。

1)應力腐蝕。在不改變接頭材料的前提下,通過消除或減小接頭裝配應力、減少孔軸配合的干涉量,同時增加防護涂層的辦法來防止應力腐蝕。

2)電偶腐蝕。金屬材料發生電偶腐蝕必須具備2個必要條件:兩種不同電位差的異種金屬互相接觸;存在一定濕度的腐蝕環境。可以采用將金屬與腐蝕介質隔離、消除腐蝕介質以及設置腐蝕片的方法來防止電偶腐蝕的發生。

3)縫隙腐蝕。具有一定寬度縫隙的飛機金屬結構暴露在腐蝕性介質中時,腐蝕性介質會在縫隙處聚集,并能通過縫隙滲透到結構的內部,導致縫隙的局部范圍內發生嚴重的腐蝕。可以采用加大縫隙、清除縫隙內的腐蝕產物、封堵縫隙的方法來阻止腐蝕介質在縫隙處聚集和滲透。

4)均勻腐蝕。機翼前墻腹板、主梁腹板和轉軸接頭筋條、整體油箱上壁板、機身部分框板和機體結構大部分蒙皮、發動機艙門和升降舵扭力管等部位局部分別出現了均勻腐蝕或剝蝕等現象。出現腐蝕的主要原因是:除整體油箱壁板外,其他部位都沒有涂防護底漆,只有一層陽極化層,在外場使用或生產過程中防護涂層出現損傷或老化,導致金屬基體直接與腐蝕介質接觸,在腐蝕介質的作用下,這些部位局部出現了腐蝕。因此,對此類易腐蝕及普遍腐蝕部位要求增噴一層底漆,而針對整體油箱壁板出現的腐蝕問題,則要求在噴涂底漆的基礎上,對機身覆蓋的中央翼區域壁板增噴一層面漆,并涂一層DMF多功能密封劑。

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4 加速腐蝕試驗驗證

4.1 試驗項目確定

針對飛機在外場出現的腐蝕問題及其目前所采用的防護體系,在完成飛機表面防護技術調研和資料收集工作的基礎上,提出了表面防護涂層的設計改進方案。為了驗證防護涂層設計改進方案的有效性,并優選最佳的防護涂層,結合外場出現的腐蝕問題,確定了6類防腐涂層優選試驗項目。分別為蒙皮對縫腐蝕試驗、7肋鋼墊板腐蝕試驗、接頭與襯套腐蝕試驗、蒙皮與長桁連接腐蝕試驗、主起外套筒腐蝕試驗、內部鋼零件腐蝕試驗。

4.2 試驗件設計

根據所確定的6類防腐涂層優選試驗項目,設計了6類典型結構的腐蝕模擬試驗件。分別為蒙皮對縫腐蝕試驗件、7肋鋼墊板連接區腐蝕試驗件、接頭與襯套配合腐蝕試驗件、蒙皮與長桁連接腐蝕試驗件、主起落架支柱外筒腐蝕試驗件、內部鋼零件腐蝕試驗件等,盡量模擬實際結構形式。

4.3 加速腐蝕試驗及試驗結果

該型飛機的日歷壽命指標為25年,暫定的日歷壽命首翻期為8年。依據上述壽命指標,在試驗件設計制造完成后,分別按相應的環境譜完成了加速腐蝕試驗,并采用腐蝕程度對比法確定了加速腐蝕試驗環境譜與實際飛機使用環境之間的當量關系。

1)考慮到飛機大修中一些結構不能拆卸,因此,完成了蒙皮對縫腐蝕試驗件、接頭與襯套配合腐蝕試驗件、7肋鋼墊板連接區腐蝕試驗件當量外場服役25日歷年的加速腐蝕試驗。

2)完成了蒙皮與長桁連接腐蝕試驗件、主起落架支柱外筒、內部鋼零件試驗件當量外場服役10日歷年的加速腐蝕試驗。

3)對于已完成加速腐蝕試驗10個當量日歷年的主起落架支柱外筒試驗件,其表面防護體系完好,基體材料未見腐蝕。考慮外場實際使用時,在飛機起飛與著陸過程中,跑道上的沙石等硬顆粒物經常對飛機造成的碰撞沖擊,不可避免地會使起落架支柱外筒表面防護涂層受到碰傷、劃傷等外部損害。為模擬真實的服役環境,對已完成當量10個日歷年加速腐蝕試驗的主起落架支柱外筒,按相關試驗要求,對其防護涂層先進行人為劃傷,以模擬外場使用中主起落架支柱外筒涂層的損傷,然后又進行了當量10個日歷年的補充加速腐蝕試驗。

4)對在外場服役了8年的飛機上拆下的已產生了自然環境腐蝕損傷的4件7肋鋼墊板,補充進行了當量12個日歷年的加速腐蝕試驗。

在試驗過程中,定期進行觀測和檢查,在完成了一定周期的加速腐蝕試驗后,對試驗件進行了留樣,待全部試驗工作結束后,對留樣試驗件進行了拆毀檢查,對各類防護涂層的優劣進行了評定。從6類試驗件的試驗結果可以得到以下結論。

1)底漆中H06-076與鋼制零件的結合力最好,且防護效果最好,適用于內部鋼制零件表面防護。

2)涂TB06-9底漆+IMR21納米涂料和涂H06-076底漆+SF96-201面漆的兩種涂層體系防腐效果較好,可用于起落架表面防護。

3)蒙皮外表面涂TB06-9底漆+TS70-60面漆防腐效果較好,可用于機體結構外表面防護。

4)對于鋁制零件來說,H06-076和TB06-9底漆的防護性能略優于H06-2鋅黃底漆,此3種底漆都可用于鋁制零件的表面防護。

5)與防腐改進前的原始狀態相比,防腐改進后的結構腐蝕壽命提高了1.6～5倍。

5 防護體系確定和大修技術條件編寫

根據目前所采用的飛機結構防護體系在外場的使用情況,在盡可能不增加過多的漆種、優先選用經過型號使用驗證的漆種和不過多增加工作量的基礎上,結合加速腐蝕試驗結果,確定了防護體系設計改進方案。

1)機體結構表面漆的確定:從蒙皮對縫的試驗結果來看,雖然TB06-9底漆+TS70-60面漆防腐效果要優于37002荷蘭底漆和面漆,但從機體結構表面所用的37002荷蘭底漆和面漆在外場使用10年的情況來看,機體結構表面只在蒙皮對縫處出現了腐蝕,說明37002荷蘭底漆和面漆的防護性能可滿足第一個日歷首翻期8年的防護要求。考慮到大修時整個機體外表面要去除底漆和面漆,大修中還需重新噴涂底漆和面漆,而且后續的翻修間隔比第一個日歷首翻期短,因此機體結構表面可采用37002荷蘭底漆和面漆。

2)機體結構內部鋼制零件表面漆的確定:從內部鋼零件試驗件加速腐蝕試驗結果來看,H06-076底漆與鋼的結合力強,并且防護性能較好,明顯優于H04-2底漆,因此對于機體結構內部鋼制零件,如果沒有特殊噴涂要求,在大修時一律改用H06-076底漆。

3)蒙皮內表面、可拆卸鋁制零構件內表面和機體結構內部鋁制零件表面漆的確定:從蒙皮與長桁連接試驗件加速腐蝕試驗結果來看,H06-076和TB06-9底漆的防護效果略優于H06-2鋅黃底漆。腐蝕10個當量日歷年時,長桁和蒙皮都涂有H06-076或TB06-9底漆的試驗件比涂有H06-2鋅黃底漆的試驗件稍好,但這些試驗件都沒有出現明顯的腐蝕;飛機結構上的擠壓型材(長桁等)表面現已涂有H06-2鋅黃底漆,在外場使用10年中,沒有發現其出現腐蝕。因此,如果沒有特殊噴涂要求,在大修時對蒙皮內表面、可拆卸鋁制零構件內表面和機體結構內部鋁制零件表面全部增噴H06-2鋅黃底漆。

腐蝕防護與治理是飛機維護與修理中的薄弱環節,腐蝕維護與修理方面缺少可遵循的依據和有效措施,會導致腐蝕修理質量沒有保證,因此,需要編寫飛機腐蝕防護與修理技術指南(或大綱)[17]。從達到日歷壽命首翻期陸續返廠大修的飛機腐蝕情況判斷,當前所采用的防護體系不能抵御惡劣的使用環境。在防護體系設計改進方案確定后,結合外場飛機腐蝕問題的處理情況,制定了機體結構腐蝕修理、防護技術條件,用于大修飛機的腐蝕處理及結構防護體系改進。

6 結論

對某型飛機開展腐蝕防護和防腐設計改進后,外場腐蝕故障從此前的多發演變為鮮有發生,從中可以得到以下結論。

1)飛機防護體系薄弱的情況下容易引發多種類型的腐蝕問題。

2)系統地對飛機結構腐蝕問題進行治理,才能取得令人滿意的效果。

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Corrosion Protection and Design Improvement of an Aircraft

PENG Zhi-jun,WANG Xue-qiang,YE Bin
(Aircraft Design and Research Institute,AVIC Hongdu,Nanchang 330024,China)

Objective To study the corrosion problem of a certain aircraft,and to formulate structure corrosion repairing and anti-corrosion measures.Methods The corrosion reasons and the defects of the structure protection system were obtained after statistical analysis of aircraft corrosion classification and combing of the existing aircraft protection system.On the basis of aircraft serving area environment measurement,the aircraft ground parking environmental spectrum and the local environmental spectrum were developed.The design improvement measures for the structure protection system were taken,and the improvement effect of the design was verified by the accelerated corrosion test.Results Compared to the original state before improvement of the structure design,the calendar life of the anti-corrosion improvement structure was extend by 1.6 to 5 times.Conclusion The aircraft was easy to subject to a variety of types of corrosion problems under the weak protection system.Good effect could only be achieved through systematic treatment of the problems in aircraft structure corrosion.

corrosion;protection system;environmental spectrum;accelerated corrosion test

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.014

V216.5;TG174.3

:A

1672-9242(2014)06-0084-06

2014-07-19

2014-09-03

Received:2014-07-19;Revised:2014-09-03

彭志軍(1976—),男,湖北人,碩士,高級工程師,主要研究方向為飛機結構強度設計。

Biography:PENG Zhi-jun(1976—),Male,from Hubei,Master,Senior engineer,Research focus:aircraft structure strength design.