沿海機場某型飛機典型結(jié)構(gòu)件自然曝曬試驗研究

張勇，王晨光，卞貴學(xué)，王安東

（1.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島，266041；2.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊，山東煙臺，264001)

沿海機場某型飛機典型結(jié)構(gòu)件自然曝曬試驗研究

張勇1，王晨光2，卞貴學(xué)1，王安東2

（1.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島，266041；2.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊，山東煙臺，264001)

目的研究某型飛機典型結(jié)構(gòu)件的腐蝕機理。方法在海南陵水機場進(jìn)行自然曝曬試驗，采用表面宏觀形貌記錄和微觀形貌表征法、腐蝕產(chǎn)物物相分析等手段對基體及上覆防護(hù)體系的腐蝕、老化性能進(jìn)行評估，進(jìn)而得出該型飛機不同部位的防護(hù)性能變化規(guī)律。結(jié)果其中試件邊緣、與螺栓直接接觸的部位和試件連接處涂層老化、脫落最為嚴(yán)重，涂層脫落后裸露的基體也會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象；而一般遠(yuǎn)離螺栓、邊緣和斷口的區(qū)域則涂層老化、脫落均勻，腐蝕程度較輕。結(jié)論相同環(huán)境譜作用下，受力壁板連接關(guān)鍵部位不同部位發(fā)生腐蝕的類型、機理不同。

飛機；結(jié)構(gòu)件；自然曝曬

服役環(huán)境對飛機機體結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)裝置的腐蝕、損傷具有決定性影響。海軍飛機相對陸軍飛機的服役環(huán)境尤為苛刻，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是飛行的海洋大氣環(huán)境中富含鹽霧、霉菌等腐蝕性介質(zhì)；二是由于海軍飛機長時間遠(yuǎn)離陸地遂行訓(xùn)練、戰(zhàn)斗任務(wù)，使得其腐蝕環(huán)境呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的區(qū)域多樣性，相應(yīng)腐蝕失效機理也更為復(fù)雜[1—2]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對于長期服役于沿海環(huán)境的海軍某型飛機而言，因大氣曝曬而造成的腐蝕破壞已經(jīng)成為制約其使用壽命、安全可靠性及經(jīng)濟性的重要因素之一。環(huán)境腐蝕試驗作為飛機機體結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)體系防腐品質(zhì)和日歷壽命評估工作的重要組成部分[3]，可用來確定影響飛機機體結(jié)構(gòu)完整性的具體因素，為飛機機體結(jié)構(gòu)的“三防”和高可靠性提供基本保障[4]。因此，開展飛機典型結(jié)構(gòu)件的自然曝曬試驗研究，掌握飛機關(guān)鍵部位的腐蝕、損傷規(guī)律變化對于飛機的腐蝕防護(hù)提供理論依據(jù)，同時也為保證飛機的長壽命、高可靠性、高維護(hù)性及結(jié)構(gòu)完整性提供了重要保障[5—7]。

1 實驗

1.1 自然曝曬氣象環(huán)境譜的確定

曝曬試驗選擇海南陵水機場，由于該機場地處海岸線附近，以高溫多雨為主要氣候特征，遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)，因此該機場氣候中大氣污染主要考慮鹽霧的影響。當(dāng)刮東風(fēng)和東南風(fēng)時為海風(fēng)，作為鹽霧作用時間處理。鹽霧含量利用自制設(shè)備進(jìn)行測定，主要測定原理是不同時間段收集100 m3的空氣，測定其中鹽分含量。對不同時間段和不同季節(jié)的含鹽量進(jìn)行統(tǒng)計分析求得平均值。其他因素則結(jié)合對機場環(huán)境因素調(diào)研10年內(nèi)結(jié)果及機場氣象部門所提供近10年的氣象數(shù)據(jù)，按照對腐蝕、損傷貢獻(xiàn)從大到小的原則，最終確定了包括溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨時、雨量、月霧日、月霧時等8個參數(shù)在內(nèi)的該機場地面環(huán)境譜[8—9]，見表1。

表1 某機場地面環(huán)境譜Table 1 Ground environment spectrum of a certain airport

1.2 試驗件準(zhǔn)備

選取某型飛機中最常見的受力壁板連接關(guān)鍵部位作為模擬對象[10—12]，試驗件加工尺寸及形式如圖1所示。試驗件表面經(jīng)過陽極化處理后，分別涂刷H04-2鐵紅底漆和H04-2鋼灰面漆，共設(shè)置10件平行樣，編號分別為1#—10#。

圖1 受力壁板連接模擬試件Fig.1 Simulation of the force-bearing panel connection

1.3 實驗設(shè)備

試件表面涂層宏觀形貌采用科視達(dá)KH-7700型體式顯微鏡觀察，微觀形貌表征和斷面線掃描采用德國Carl Zeiss公司的Ultra 55型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡。組分分析采用德國Bruker-AXS公司的D8 Advance型多晶X射線衍射儀（Cu靶，KA輻射源），對腐蝕產(chǎn)物的物相及主要成分進(jìn)行分析，參數(shù)設(shè)置：管電壓為40 kV/（30 mA），掃描角度為20°～80°，掃描速度為0.05（°）/s。此外還需借助XGP60型光澤度計、HP-200型精密色差儀分別對試驗件表面涂層光澤度和顏色的變化進(jìn)行測定評級。

1.4 自然曝曬試驗

將試件固定在塑料支架上，置于該機場的機庫頂部，架起高度約5 cm。設(shè)定觀察周期為1年，共進(jìn)行5個周期。每個周期結(jié)束時按照圖2所示評價流程對試件首先進(jìn)行宏觀形貌觀察，然后分別對腐蝕產(chǎn)物成分進(jìn)行XRD分析，和對腐蝕產(chǎn)物清除后的試樣表面微觀形貌進(jìn)行觀察和能譜分析，最后根據(jù)國標(biāo)GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂層老化的評級方法》按涂層的起泡、開裂、剝落、基體腐蝕、失光/色差和粉化等6項指標(biāo)對試樣表面涂層腐蝕損傷程度進(jìn)行評價[13]。

圖2 腐蝕關(guān)鍵部位模擬件試驗步驟Fig.2 Test procedures for the simulation of critical parts of corrosion

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 涂層損傷老化性能分析

受力壁板連接區(qū)模擬件自然曝曬5年前后表面涂層的宏觀腐蝕形貌用數(shù)碼相機進(jìn)行記錄，如圖3所示。

圖3 自然曝曬5年試驗件宏觀圖片F(xiàn)ig.3 Macro morphology of specimens after 5-year natural exposure test

參照GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂層老化的評級方法》對試驗件腐蝕情況進(jìn)行觀察統(tǒng)計，具體老化情況見表2。

表2 自然曝曬試驗件評價Table 2 Evaluation of specimens after natural exposure test

通過對受力壁板連接區(qū)模擬件表面涂層曝曬前后進(jìn)行對比，同時結(jié)合各指標(biāo)進(jìn)行綜合評價認(rèn)為：經(jīng)自然曝曬后涂層破損嚴(yán)重，原黃色涂層大面積脫落，裸露的鋁合金基體出現(xiàn)大量點蝕坑；連接區(qū)鋼灰色涂層失光、變色、粉化嚴(yán)重；鉚釘頭周圍涂層開裂脫落，露出基體，有大量黑色污染物附著。圖3c表明，該機場環(huán)境譜中紫外線作用和溫度交替變化等因素影響均會加劇涂層老化，尤其在邊緣部位和螺栓附近的老化最為嚴(yán)重。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是由于邊緣部位涂層厚度較小，同等環(huán)境作用下更易受到破壞，同時由于螺栓與基體由異種金屬構(gòu)成，存在電位差。當(dāng)表面涂層受到破壞時直接接觸的基體和螺栓形成電偶對，鋁合金基體作為偶對陽極電位正移，當(dāng)高于過鈍化電位時會引起鈍化膜破壞，形成點蝕。因此，在邊緣效應(yīng)和電偶效應(yīng)的協(xié)同作用下，邊緣部位和螺栓附近腐蝕程度最為嚴(yán)重[13—14]。

為進(jìn)一步探究試樣不同部位腐蝕程度及機理，按照圖4中標(biāo)注的8～12號區(qū)域取樣進(jìn)行三維視頻形貌觀察，其中8號區(qū)域為鉚釘連接部位，9，10，11號區(qū)域為帶有斷口位置，12號樣片是基材部位。

圖5表明，鉚釘與基體銜接部位的涂層已經(jīng)出現(xiàn)明顯裂紋，露出基體，螺栓上涂層已有大面積脫落，未脫落部位表面也出現(xiàn)較為嚴(yán)重的粉化[8]。這主要是由于螺栓為碳鋼材料，當(dāng)大氣中Cl離子等腐蝕性離子滲過涂層與基體接觸時，螺栓基體表面并不能像鋁合金一樣生成一層鈍化氧化膜，而是會與之發(fā)生反應(yīng)生成Fe2+，增大涂層與基體空隙中的離子濃度，與外部凝露形成離子濃度差，進(jìn)而引發(fā)涂層鼓泡、脫落等老化現(xiàn)象，使涂層失去防護(hù)能力，因此螺栓會比基體表現(xiàn)出更為明顯的腐蝕破壞情況[9]。

圖4 受力壁板連接區(qū)模擬件取樣部位Fig.4 Schematic diagram of the sampling parts of the connecting zone of the force-bearing panel

圖5 8號區(qū)域微觀圖片F(xiàn)ig.5 Microscopic picture of region 8

圖6中9，10，11號區(qū)域均為模擬試樣中鉚釘孔邊緣部位，從不同位置的鉚釘孔中均可以看到較多腐蝕產(chǎn)物，尤其在鉚釘與基體連接部位涂層完全破損，連接部位發(fā)生較為明顯的縫隙腐蝕，這主要與掩蓋縫隙的膩子溶解、脫落有關(guān)[10]。含鹽溶液容易進(jìn)入縫隙，而縫隙內(nèi)部與外部會產(chǎn)生氧濃度差而引發(fā)縫隙腐蝕[15]。

圖6 9～11號區(qū)域鉚釘孔周圍腐蝕微觀形貌（100×）Fig.6 Microscopic morphology of the corrosions around the rivet hole in regions 9 to 11（100×）

圖7中所示12號區(qū)域為遠(yuǎn)離鉚釘?shù)幕w樣板區(qū)域，從圖7中可觀察到試件表面的涂層脫落均勻，并沒有出現(xiàn)小范圍集中區(qū)域的局部老化，裸露的基體表面呈現(xiàn)出很多直徑、深度均較小的點蝕坑，相對邊緣和螺栓連接部位腐蝕程度較輕。

圖7 12號區(qū)域鉚釘孔周圍腐蝕微觀形貌Fig.7 Microscopic morphology of the corrosions around the rivet hole in region 12

2.2 腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)組分分析

為進(jìn)一步驗證螺栓周圍部位腐蝕類型與螺栓位置關(guān)系，對螺栓附近8—11號區(qū)域腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD衍射分析，如圖8所示。

圖8 8—11號樣片X射線衍射圖Fig.8 X-ray diffraction patterns of specimes 8 to 11

從圖8中可以看出，8～11號不同區(qū)域位置的腐蝕產(chǎn)物成分相同，均由Al，Mg，F(xiàn)e，Ti等合金元素不同價態(tài)和不同方式的水合氧化物組成，且含量差別不大[16]。由此表明：在螺栓與基體連接縫隙區(qū)域、螺栓與基體接觸偶合區(qū)域和試件邊緣區(qū)域，涂層老化破壞后基體發(fā)生的腐蝕類型相同。

2.3 試件表面微觀形貌及能譜分析

為了研究常規(guī)試件中腐蝕情況，對12號區(qū)域樣片進(jìn)行面掃描能譜分析。能譜分析結(jié)果見表3，腐蝕產(chǎn)物有Al，Mg，O，Cr，S，Si等元素，其中Al和O含量較高，Cr，S，Si含量較少。

圖9 12號區(qū)域樣片能譜分析Fig.9 Energy spectrum analysis of sample 12

表3 12號區(qū)域腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果Table 3 The results of energy spectrum analysis of corrosion products in region 12

3 結(jié)論

在沿海某機場的自然環(huán)境譜作用下進(jìn)行了飛機受力壁板連接模擬試驗件的自然曝曬試驗，通過對曝曬前后試件表面涂層老化破壞情況和關(guān)鍵部位的宏、微觀形貌分析，得到了某型飛機典型結(jié)構(gòu)件海洋環(huán)境條件下的腐蝕、損壞變化規(guī)律。

1）相同環(huán)境譜作用下試件不同部位發(fā)生腐蝕類型、機理不同：邊緣和靠近螺栓的位置涂層老化、脫落最為嚴(yán)重，這分別是由于邊緣效應(yīng)涂層厚度較小，容易受到破壞和螺栓與基體的電偶效應(yīng)，同時裸露的基體會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的點蝕現(xiàn)象；基體與螺栓連接的部位則會由于膩子的失效、脫落而在縫隙內(nèi)外產(chǎn)生氧濃度差，引發(fā)縫隙腐蝕。

2）經(jīng)過5年自然曝曬的試件由于沒有進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，受力壁板連接模擬試驗件涂層表面失光、變色、粉化嚴(yán)重，基體也發(fā)生明顯腐蝕。這一方面表明自然曝曬過程中溫度、紫外線作用為影響腐蝕的主要因素，另一方面也表明對于實際服役的飛機來說維護(hù)保養(yǎng)對于腐蝕防護(hù)也起到重要作用。

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Performance of Typical Structures of A Type of Aircraft after Natural Exposure in a Coastal Airport

ZHANG Yong1，WANG Chen-guang2，BIAN Gui-xue1，WANG An-dong2
（1.Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Academy，Qingdao 266041，China；2.Graduate Students Brigade of Naval Aeronautical Engineering University，Yantai 264001，China）

Objective To study the corrosion mechanism of typical structures of a type of aircraft.Methods Natural exposure test of typical aircraft structures were carried out in Lingshui coastal airport.The surface morphology and the composition of corrosion products were obtained by means of SEM and XRD,which were used to evaluate the corrosion and aging performance of substrate and its overlying corrosion protection system,and to obtain the changing law of the protection performance at different parts of the aircraft.Results Different parts showed different mechanism and types of corrosion even in the same environment.The coating of the specimen,which directly contacted with the edge and bolt parts,and the specimen joint showed most serious aging and falling off phenomenon,leading to serious corrosion in the exposed substrate,while the corrosion degree of other parts was lighter,with even aging and falling off of the coating.Conclusion Under the action of the same environmental spectrum,the corrosion types and mechanisms at different parts of the critical connecting structures of the force-bearing panel.

aircraft；structures；natural exposure

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.017

TJ85；TG172

：A

1672－9242（2016）02－0092-06

2015-10-27；

2015-11-25

Received：2015-10-27；Revised：2015-11-25

張勇（1981—），男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向為材料的腐蝕防護(hù)和疲勞可靠性。

Biography：ZHANG Yong（1981—），Male，from Chongqing，Master graduate student，Research focus：corrosion protection and fatigue reliability of materials.