常規武器裝備的腐蝕控制設計

(中國兵器 豫西工業集團 紅陽機電公司,南召 474678)

武器裝備是用于實施和保障作戰行動的武器系統以及與其配套的軍事技術裝備和器材。腐蝕作為一種自然現象，對武器裝備的危害是一種悄悄進行的蠶食式破壞，甚至會造成嚴重后果。從部隊武器裝備使用情況及庫存狀況看，由于武器裝備貯存條件有限、存放周期長，腐蝕現象較普遍。對腐蝕的嚴重性與危害性認識不足，從事武器裝備設計、制造、管理及使用的各級人員缺乏腐蝕與防護知識是武器裝備普遍發生腐蝕的一個重要原因。從嚴格意義上講“腐蝕控制是從制圖板開始的”，即腐蝕控制設計應與產品設計同步進行。隨著科技飛速發展，新材料、新技術日新月異，應用領域不斷拓展，武器裝備更加集約化，其使用環境千差萬別，腐蝕機理更加復雜、腐蝕類型呈多樣化，帶來的危害也更加嚴重，損失也更加驚人。武器裝備所用材料眾多，其腐蝕控制方法也千差萬別。設計者需掌握腐蝕控制知識，通過合理的選材、結構設計及防腐蝕設計等對武器裝備進行腐蝕控制設計，這對減少武器裝備腐蝕、延長其使用壽命、提高可靠性、減少損失都具有重要意義。

1 武器裝備的腐蝕危害

由于我國幅員遼闊，跨越多個氣候帶，環境條件差別大。武器裝備長期在風沙、雨雪、濕熱、鹽霧等惡劣氣候環境中工作或貯存，會不同程度地受到環境條件的影響，從而引起裝備零部件的腐蝕損傷，對武器裝備的使用性能、安全可靠性有著重要的影響。因此，對不同環境條件下的武器裝備進行合理的腐蝕控制設計顯得非常重要。

武器裝備不適應預定的應用環境，因腐蝕帶來危害和造成經濟損失或軍事失利、貽誤戰機等教訓比比皆是，甚至是觸目驚心，其中因海洋等嚴酷腐蝕環境造成事故的比例最高。美軍F16戰斗機因違規使用石墨潤滑脂導致發動機油路控制閥門的電子連接器電偶腐蝕，造成一個編隊中多架飛機失事；美國阿波羅登月飛船貯存N2O4的高壓容器產生應力腐蝕破裂，若不是及時找到了解決辦法，其登月計劃要推遲許多年[1]。美國國防部的統計表明：環境造成武器裝備的損壞，占整個使用過程中損壞的50%以上，超過了作戰損壞；在庫存期，環境損壞造成的比例占整個損壞的60%。近年來由于防腐蝕技術的發展和庫存條件的改善，因腐蝕造成的武器裝備損壞比例稍有下降，但因其價值提高，其經濟損失更加嚴重。

在我國由于海洋環境的鹽霧腐蝕，我軍某艦載直升機的服役壽命不到其在陸上的20%；一些發動機葉片工作20 h后,大部分葉片就開始腐蝕，導致飛機停飛。這些都和選材及防腐蝕控制不當有關。某航空發動機內轉動部分某彈簧片表面處理本應采用鍍鋅防護處理，由于其他原因改為鍍鎘，由于鎘的熔點較低，致使鍍層高溫熔化后被甩至某盤輪緣產生鎘脆，造成機毀人亡事故；某型高速魚雷快艇的銅合金螺旋槳發生嚴重的空泡腐蝕，有的螺旋槳在航行8 h后就報廢了；我國研制的某型鋁殼魚雷快艇，由于防腐蝕措施選擇不當，不到半年7 mm厚的艇板已腐蝕去一半，嚴重影響到該型艇的設計定型與部隊列裝。

在貯存過程中由于環境溫度、濕度的影響，彈箭產品會經常發生涂層老化、層下腐蝕、鼓泡、脫落、生銹等現象；鍍鋅/鎘層出現鈍化膜變色、產生白銹；電子觸點氧化變色造成阻抗增加導致引信失靈；電子線路板錫層在潮濕及有機氣氛下“長白毛”或低溫環境產生“錫疫”現象引起線路短路等。以上腐蝕現象均會造成彈箭精度下降甚至失效、引信因腐蝕“瞎火”等現象。沿海、海島部隊庫房軍械彈藥由于受潮、腐蝕成批報廢；某導彈在東南沿海庫存儲過程中，因環境潮濕出現故障，造成同批次數千枚產品全部返修。

輕武器在高溫、高濕、海洋環境中，容易發生“麻膛”彈匣斑塊腐蝕等現象，影響發射性能；若射擊后未及時進行清洗，復進簧易發生銹蝕造成脆性斷裂等。以上種種現象，不僅造成巨大的經濟損失，還危機國防安全。

由于武器裝備的特殊性,腐蝕對其造成的危害具有長期性和隱蔽性的特點。因此，無論是對軍事方面還是經濟方面都將造成很大的影響，其損失是驚人的。對庫存武器裝備巡檢結果表明，因腐蝕造成武器裝備失效占總失效17.3%；武器裝備的腐蝕控制與保養維護工作量大，耗費時間長,投入人力多。據統計總兵力80%以上人員參與了裝備的防腐蝕保養、維修工作，用于防腐蝕方面的人力消耗占全部維護保養工作人力的90%以上；防腐蝕費用占武器裝備全部維修保養費用的70%以上。由此可見，腐蝕現象嚴重影響裝備的安全性、可靠性、使用壽命和作戰能力，并在很大程度上導致裝備維護與維修費用居高不下，尤其在軍事科學技術飛速發展的今天，大量高、精、尖武器裝備被研制與列裝，這些武器裝備一旦發生腐蝕，造成的損失將更大。同時，隨著新材料在新領域的應用，隨之出現了許多新的腐蝕現象和問題，如不重視裝備的腐蝕控制設計，人們將為“腐蝕”付出更大的代價。

2 裝備的腐蝕控制設計

2.1 腐蝕控制設計的必要性

隨著新時期軍事變革及戰略重點的轉移，武器裝備向“六化、七高”(即：機械化、自動化、智能化、信息化、輕量化、小型化；高速度、高精度、高突防、高毀傷、高可靠性、高生存能力、高環境適應性)方向發展，其使用環境發生了改變，要求在高溫、高濕、高鹽霧及高日照環境條件下具有良好的防腐蝕性能。由于戰爭是無法預測的，許多武器裝備要求儲存幾年、十幾年甚至更長時間，其良好的儲存條件為“3/7線”以下，即溫度低于30 ℃，相對濕度低于70%，但庫房的實際情況很難滿足，這就會造成裝備在儲存過程中發生各種各樣的腐蝕。究其原因，環境條件惡劣是裝備在使用、儲存過程中出現腐蝕現象的原因之一，更重要的原因是腐蝕控制設計不合理、不到位。其主要表現在以下幾方面。

1) 零部件選材時,設計者通常僅關注材料的力學性能是否滿足要求，對于其環境的適應性缺乏了解，使得在進行腐蝕控制設計時不知如何考慮環境因素的影響而采用何種腐蝕控制方法。

2) 結構設計時,零部件局部應力集中會使其在生產和使用過程中出現氫脆或應力腐蝕，密封不當易造成積液而發生局部腐蝕，缺乏工藝孔會使零部件在生產過程中氣體排不出產生氣袋，造成局部無防護層等。

3) 在零部件加工環節缺乏必要的防護措施，或未按暫時防銹要求隨意進行處理。如機加后未及時涂抹防銹油而產生銹斑或點蝕孔,造成表面處理缺陷；噴砂或磷化后的工件未在規定時間內進行噴涂，使工件出現浮銹，造成涂層附著力不良及防腐蝕性能下降；將鋼、銅、鋁一起堆放或涂抹一種單功能的防銹油引起生銹等[2]。

4) 腐蝕控制方法要求腐蝕控制從源頭抓起，即從產品設計開始，貫穿研制、生產、使用、儲存全過程，建立完備的腐蝕控制體系，實行防腐蝕工程化管理，這樣才能減少武器裝備在全壽命期內腐蝕現象的發生。

2.2 腐蝕控制設計的基本內容

腐蝕控制設計實際上是一個折中過程，從正確選材、合理結構設計、精密加工到細心使用和維護等方面，折中優化處理獲得最佳方案。再采用最佳的防腐蝕技術，以確保武器裝備的長壽命、戰斗力及可靠性。因此，進行武器裝備的腐蝕控制設計應從其全壽命期通盤考慮，形成系統的防護體系。武器裝備全壽命期的腐蝕控制設計程序見圖1。

圖1 武器裝備全壽命期腐蝕控制設計示意圖Fig. 1 Sketch map of corrosion control design for the full lifetime of weapon equipment

腐蝕控制設計包括以下內容：針對構成武器裝備的材料品種、力學性能、受力狀態及使用環境，優化設計、制定防腐蝕方案、通過對比選擇最佳防腐蝕工藝；在使用環境確定、滿足產品力學、戰術性能要求前提下，盡量選擇耐蝕性能好的材料；從防腐蝕角度出發，了解產品零部件性能、作用及所處環境條件進行合理結構設計；在保證滿足設計要求的前提下，選擇經濟合理、易于施工、環境友好的腐蝕控制工藝；針對裝備全壽命期各階段，創造良好工況環境，減少腐蝕因素，降低腐蝕損失；在使用、貯存過程中，注意裝備維護保養并制定使用、保養與維修作業書[3]。

2.3 腐蝕控制設計遵循的原則

由于腐蝕形態的多樣性和影響因素的復雜性，對腐蝕控制設計提出量化模式是不可能的，但通常遵循如下原則：

1) 腐蝕控制設計應與裝備的設計同步進行，并堅持結構設計第一、預防為主的原則。

2) 腐蝕控制設計前，應根據裝備的戰術技術指標和使用環境條件特點進行腐蝕分析，對可能發生的腐蝕類型以及對裝備的損壞形式和影響程度進行充分的評估。

3) 腐蝕控制必須與裝備的可靠性、維修性、環境適應性和電磁兼容性設計相融合，同時兼顧裝備的結構特征，制造材料的性質以及各種控制方法的適應性，力求取得較好的工藝可行性，經濟實用性和環境保護性。

4) 有多種腐蝕控制措施供選擇時，應優先選取成本適宜，對環境污染輕的保護措施。

5) 腐蝕控制設計時，應認真考慮防腐蝕工藝對裝備材料耐蝕性的影響，盡量采用新材料、新技術和新工藝。

6) 應考慮腐蝕方案、控制措施、工藝方式的可行性；同時要考慮搭接材料間的電位差、相容性及對其耐蝕性的影響。

7) 應考慮裝備在使用過程中的腐蝕控制要求，并納入使用維護說明書中。

8) 簡化主體設計，從防腐蝕角度出發，集中零部件設計以利于防腐蝕施工與維修、更換。

9) 對各階段的零部件進行合理的包裝、貯存與使用、維護、保養。

10) 創造良好的工況環境，減少腐蝕因素，降低腐蝕速率。

2.4 腐蝕控制設計時應考慮的因素

進行腐蝕控制設計時,不僅要考慮基體材料和力學狀態，還要考慮工件的應用環境、工藝方式及工藝成本。

1) 選擇腐蝕控制措施時,首先應考慮的是控制效果；應從裝備整體出發，考慮零部件的性質、結構特征及與相鄰零部件的電位差；綜合考慮使用與存儲環境性質，以及不同控制措施的特點與局限性。

2) 不同材料的耐蝕性不同，其防腐蝕措施也不同；同一種材料因其受力狀態或使用環境不同，其防腐蝕措施及實施的難易度也千差萬別。

3) 腐蝕控制措施的成本也是必須考慮的，因此防腐蝕效果與成本兩者要兼顧。

4) 當有多種效果相近的腐蝕控制措施供選擇時，應優先選擇對環境污染輕、環境友好、施工方便的工藝[4]。

5) 應根據零部件材料的性能、加工狀態、工作部位、環境條件、結構形狀和公差配合等因素合理選擇防腐蝕層；同時，根據零部件使用環境條件、壽命期等確定防腐蝕層的厚度。

6) 所選用的防腐蝕層不能對零部件基體材料帶來不良的影響，如強度下降，疲勞和氫脆等。

7) 選擇涂層體系應綜合考慮涂層與基體的附著力、耐侯性、涂層間的兼容性和工藝性。對彈類產品的涂裝體系，還應考慮其與彈藥的相容性及電子元件的安全性。

8) 每種防腐蝕層均有其內在特性，只能在限定的環境條件下使用，超過限定會造成覆蓋層失效或產生嚴重后果。如鋅、錫鍍層在不同環境條件下會出現極性反轉現象。

9) 應明確防腐蝕層需要滿足裝備零部件的功能要求及使用目的,防腐蝕層的施工性能、經濟性及與環境的友好性等。

10) 防腐蝕層的外觀(色調、鮮映性、反光、消光、吸熱、隱身等)要求。

11) 零件的材料、熱處理狀態、結構、公差配合、加工方法、表面粗糙度等對防腐蝕層的影響。

12) 根據零件的應用環境選擇適合的腐蝕控制工藝，防腐蝕處理后按規定進行除氫處理。

13) 防腐蝕層在指定環境中的耐蝕性，涂覆層的特性和應用范圍；涂覆層與接觸物的相容性等。

14) 針對一些特殊用途的材料如導電、絕緣、黏接、隔熱、熱障、隱身、耐燒蝕等，在滿足這些特殊要求的前提下，應兼顧防腐蝕效果。

2.5 腐蝕控制結構設計時應遵循的原則

結構對腐蝕控制方法和防腐蝕效果影響很大，通常應遵循下列原則：

1) 在滿足裝備戰術性能指標要求的前提下，力求裝備及其零部件表面形狀簡單，過渡區光滑合理，并優化零部件設計，以利于防腐蝕施工、維修與更換。

2) 合理選擇相關工況條件下的耐蝕材料，以使用壽命、環境條件和材料性能為依據，根據使用環境和裝備預期壽命應預留一定的腐蝕裕度。

3) 結構形狀設計時，應考慮有關幾何因素，盡量避免或減少盲孔、死角、凹槽、縫隙等，優化連接方式，選擇最能有效減輕腐蝕的形狀。

4) 結構設計中，應盡量避免不相容金屬相接觸，無法避免時，應采取相應隔離措施，防止和減緩電偶腐蝕。盡量避免溫差、濃差和氣差效應引起的腐蝕。

5) 結構設計時應考慮應力腐蝕，避免應力集中現象。采取控制結構受力、選用適當的表面強化工藝、盡量減少裝配壓力等方法，減少結構殘余應力，防止發生應力腐蝕。

6) 結構設計時，應盡量采用密封結構，防止雨水、有害氣體侵入，正確合理選擇密封方式。預留合適的通風口或工藝孔，以免濕氣凝積和防腐蝕處理中氣袋的形成。

7) 盡量避免或減少死角、點焊、搭焊及由制造過程中產生縫隙積液帶來腐蝕隱患。

8) 對較嚴酷環境中使用的裝備進行結構設計時，應考慮避免沖刷、飛濺、湍流、石擊等因素對裝備可能造成的損傷，如無法避免應采取相應的防護措施。

2.6 武器裝備用材料的選擇原則

在滿足裝備力學性能的前提下，正確選材是腐蝕控制的關鍵環節之一，也是腐蝕控制的第一步。選材通常應遵循以下原則：

1) 所選材料在滿足產品的設計要求及結構的前提下，優先考慮其耐蝕性，并從腐蝕的角度出發進一步篩選出耐蝕性更好的材料。綜合考慮材料的力學性能、工藝性、經濟性、耐蝕性等，選擇適用性較好、符合耐蝕要求的材料。

2) 對選用的新材料，首先通過鑒定了解材料的性能與使用環境條件，收集選用材料的腐蝕數據和應用實例。對選用材料進行腐蝕模擬試驗和驗證試驗，并進行制造工藝的可行性分析及市場供應情況和價格水平分析。

3) 首先要了解材料在產品中的作用與應用環境條件，盡可能選擇電化學上相容的材料,盡量避免使用有應力腐蝕破壞傾向的材料。

4) 在相似型號產品中已成功使用，又能滿足新產品要求的材料，可優先采用。

5) 對容易產生腐蝕且不易檢查、不易維修的部位，應選擇耐蝕性優良的材料。

6) 對于力學性能要求不高、起輔助作用及應用環境潮濕的零部件，可以選用耐蝕、抗霉變、防霉性能好的工程塑料來代替金屬材料。

7) 考慮所選材料的加工性能、價格水平及與其他材料的相容性。

8) 用于隔熱、密封、絕緣用途時，應選用不易吸潮、老化及抗霉性能好的材料。

9) 在考慮裝備零部件的使用壽命時，其材料選擇通常有以下四種情況。(1) 耐蝕材料 不需或僅需稍加防腐蝕處理即可滿足裝備在所處環境中的功能、壽命等要求。(2) 不耐蝕材料 需經特殊腐蝕控制處理，才可滿足材料所需功能及壽命要求。(3) 易更換材料 采用價廉且不耐蝕材料，短期使用后報廢更換，從而亦能滿足壽命要求。(4) 特殊環境 在真空、充惰性氣體環境或干燥密封環境中，即使采用不耐蝕材料也可滿足裝備的功能與使用壽命要求[5]。

2.7 腐蝕控制的工藝設計要點

工藝設計是繼選材和結構設計后又一重要的腐蝕控制設計內容，通常遵循如下要點：

1) 根據產品圖樣或技術要求，考慮零部件所處"小環境"和裝備使用與貯存的大環境，結合裝備的價值選擇合理的腐蝕控制方法。

2) 參考相似型號裝備的設計經驗，通過腐蝕加速試驗驗證控制方法的有效性、可靠性。

3) 零部件能用熱加工就可成型的，盡量不采用冷加工；因為冷加工易造成殘余應力，從而給腐蝕控制施工帶來麻煩。

4) 零部件在加工過程中應盡量避免產生殘余應力，如不可避免則要及時消除應力；工件表面應光滑，應避免蝕坑、疤痕、劃傷等，這些缺陷易形成腐蝕源。

5) 材料在加工過程中,應避免環境溫差懸殊，從而引起材料狀態發生變化或出現凝露現象。

6) 控制機械加工場所的相對濕度不大于75%，盡可能縮短工件加工周期，并做好工序間防腐蝕處理；工件周轉應做好防護措施，盡量避開陰雨天氣。

7) 進行酸洗、電鍍等工序時應選擇低氫脆工藝，盡可能避免工件加工中出現滲氫現象，并做好除氫處理。

8) 對焊接部件應進行焊后熱處理、表面強化或時效處理，以穩定組織、消除應力。

9) 熱處理應盡量采用真空淬火或涂敷防熱涂層防止零件氧化、脫碳；防止粘附油類碳化物，影響表面處理質量。

10) 機加過程中所用切削液、潤滑液應對產品無腐蝕或加速老化作用；工件噴砂后應在4h內進行涂裝或涂油處理。

11) 應考慮熱加工工藝(焊接、熱處理等)會引起材料組織變化從而發生焊縫腐蝕、晶間腐蝕等，及其對工件腐蝕控制工藝質量的影響。

12) 針對不同加工工序出現的腐蝕現象，應及時查找原因、制定補救方案和預防措施。

13) 應在工藝文件中對半成品或成品的防腐蝕包裝、周轉及貯存條件作出具體規定。

14) 鼓勵在進行腐蝕控制設計時采用防腐蝕工程領域出現并經過應用考驗的新材料、新技術、新工藝。

3 控制腐蝕的基本方法

按照裝備設計要求及應用或貯存環境條件，并考慮不同工件的材料、性能、機械狀態、加工工藝性，腐蝕控制的施工工藝及經濟性等因素選擇最佳腐蝕控制方法。

3.1 合理的結構設計

針對具體的武器裝備結構特點，應簡化主體設計，集中零部件設計。通過合理的結構設計如添加工藝孔、排氣孔，減少出現易存滯留物的死角腐蝕；減少銳邊、避免應力集中；避免縫隙、沖刷與異金屬接觸等實現控制腐蝕的目的。

3.2 正確選材

在滿足裝備力學性能的前提下，根據裝備結構特點及具體工況條件，正確選用工程材料；鼓勵優先選用新型耐蝕材料。

3.3 合理的表面工程技術

根據材料類型，通過合理選用表面涂鍍層和改性技術，以改變材料表面的性能、力學狀態、化學成分等，從而達到抗腐蝕或隔離材料與腐蝕環境的目的。

表面工程的最大優勢是能夠利用不同的工藝方法制備出優于基體性能的表面覆蓋層，雖然膜層較薄僅占工件厚度的千分之一甚至更薄，卻使工件表面具有了比基體材料更優異的力學、物化性能。其次，進行表面工程處理的費用僅占產品價格的很少部分,卻可大幅提高產品的性能及附加值，從而提高裝備的性能和壽命。

3.4 改善環境和合理使用緩蝕劑

采取各種技術措施和手段，降低環境的腐蝕性，例如，大型殼體在生產中采用的脫氣、除氧、脫鹽和降溫處理等措施，或將腐蝕控制對象置入干燥的、封閉無腐蝕性物質的環境之中，也可達到有效控制腐蝕的目的。

3.5 電化學保護

對于產生電化學腐蝕的裝備如艦船類,可以采用陰極保護或陽極保護的措施。 實際應用中要根據具體情況，采用上述方法中的兩種或兩種以上的方法并配合緩蝕劑等進行綜合保護，這樣可獲得更好的效果。裝備腐蝕現象不僅僅是材料自身的問題，它涉及選材、制造、儲存、運輸、安裝、運行、維護、維修和管理等諸多環節。因此，要真正有效地控制腐蝕，必須將腐蝕控制與科學管理相結合，通過上述各個環節進行系統、綜合地控制腐蝕，才能達到預期目的[6]。

武器裝備的腐蝕控制，不僅要考慮方案的可行性、技術的可靠性，而且還要注意措施的經濟性和工藝的可實施性。由圖2可以看出，一味地追求腐蝕控制的效果，從經濟上講可能是得不償失的。 因此，盲目地在任何情況下都杜絕腐蝕的發生，不僅不現實(因為腐蝕是自發過程)，而且沒必要。合理地控制腐蝕或減緩腐蝕比根除腐蝕更科學。當腐蝕可能造成裝備失效、引起人員傷亡或造成較大的社會影響時，經濟性的考慮還需服從于社會效益。

圖2 腐蝕控制效能示意圖Fig. 2 Sketch map of corrosion contral efficiency

4 結束語

由于武器裝備腐蝕控制設計不合理、控制措施不得力、維護不到位、貯存環境不符合要求等原因造成裝備失效的現象屢見不鮮。目前，在武器裝備腐蝕控制設計方面還沒有建立起完整的材料及腐蝕控制方法選擇與應用的體系。簡單來說就是哪種材料在何種環境中使用更科學、更安全，這是在材料選擇方面面臨的一個問題；其次是材料選定后如選擇綜合性能最佳的腐蝕控制方法。

因此，制定武器裝備全壽命期腐蝕控制設計路線圖，研究武器裝備的腐蝕規律，剖析裝備發生的腐蝕現象，探討材料腐蝕的機理，進行合理的腐蝕控制設計，對提高武器裝備的可靠性、戰斗性，延長使用壽命、減少維修費用、節省國防開支具有重要意義。

參考文獻：

[1] 李金桂. 腐蝕控制系統工程學概論[M]. 北京:化學工業出版社,2009:3-4.

[2] 初世憲，王洪仁. 工程防腐蝕指南[M]. 北京:化學工業出版社,2006:213-215.

[3] 龐留洋. 兵器裝備腐蝕試驗研究[J]. 國防制造技術,2011(4):46-47.

[4] 龐留洋. 兵器裝備常見腐蝕形態分析[J]. 國防技術基礎,2010(5):56-57.

[5] 劉道新. 材料的腐蝕與防護[M]. 西安：西北工業大學出版社,2006:386-387.

[6] 龐留洋. 武器裝備的腐蝕與表面工程[M]. 南京：南京理工大學,2015:90-93.