無人機鋁合金材料抗鹽霧腐蝕研究

汪水翔，張有為，何生

1.中國人民解放軍31608部隊，福建省 廈門市 361025

2.江西火箭軍預備役特種裝備維修大隊，江西省 南昌市 333300

實驗采用 (純度≥95.5%)配置的5%中性溶液作為腐蝕加速溶液，選取無人機上應用廣泛的鋁合金典型構件進行中性鹽霧實驗。結果表明，部分表面經過特殊處理的鋁合金材料構件具有較強的耐鹽霧侵蝕能力，而部分鋁合金表面經過實驗后受到了較嚴重的腐蝕。針對實驗結果，分析了鹽霧對無人機鋁合金材料構件的侵蝕機理，總結出中性鹽霧環境下鋁合金材料的腐蝕規律，給出了提高無人機該類構件抗鹽霧侵蝕能力的措施。

沿海地區，氣候環境對無人機裝備的侵蝕作用主要取決于鹽霧、濕度、霉菌和溫度各自的和綜合的作用，其中鹽霧的破壞作用最大，直接影響到裝備的使用壽命。檢驗無人機構件耐蝕性的實驗方法一般有以下幾類：傳統的自然環境實驗、實驗室模擬環境實驗、人工加速和模擬腐蝕實驗。傳統的自然環境實驗具有真實、可靠的優點，但本身存在實驗周期較長，難以滿足裝備研制、實驗和評價工作需要的缺點；實驗室模擬環境實驗具有實驗周期短，重現性好的優點，但卻存在與實際失效模式和規律不太吻合，不能反映真實環境中的失效規律的缺點。

人工加速和模擬腐蝕實驗是在自然環境條件下，通過適當強化某些環境因子，從而加速裝備或材料性能劣化的實驗方法。它綜合了傳統的自然環境實驗和實驗室模擬環境實驗的優點，具有真實、可靠和實驗周期短的特點。中性鹽霧實驗是人工加速和模擬腐蝕實驗方式之一，它以一定濃度的NaCl溶液在控制條件下加壓呈細霧態，使之均勻地散落在試樣表面，并在不斷更新液膜條件下模擬沿海大氣對無人機構件的腐蝕。

鋁合金材料抗鹽霧腐蝕實驗

沿海地區，鹽霧是影響無人機裝備環境適應性的主要因素，其對裝備的影響是長期緩慢的過程，本實驗通過室內加速腐蝕環境下，對無人機的鋁合金構件的鹽霧侵蝕結果觀察，根據實驗現象以及產物分析，確定其侵蝕機理，提出對裝備進行防鹽霧改進。

實驗之前，用純度≥95.5%的工業氯化鈉配置5%的NaCl中性溶液，用于做噴霧溶液。對試樣進行表面處理并歸類貼上標簽。本次實驗依據GB/T10125-1997《人造氣氛腐蝕實驗 鹽霧實驗》標準執行。實驗的其它環境參數要求分別為：實驗箱溫度(35℃±2℃)，飽和器溫度(37℃±2℃)，采用不間斷噴霧方法，實驗時間三天(72h)，實驗檢查時間間隔為12h。

構件材料分類及實驗件選取

無人機裝備是一個由各種各樣材料制成的構件組成的龐大系統，其組成材料種類繁多，包括：有機、無機、高分子復合材料及塑料等，主要應用于機身、機翼、平尾、垂尾、填充劑等，典型構件是飛機機翼；不銹鋼材料和鐵合金材料，它們的使用貫穿于整個系統，小到螺釘連接件，大到發動機的支架及其它強力結構件；鋁合金材料，由于鋁合金材料具有重量輕，強度高等優點，一直以來是無人機機體及其設備材料的首選，在此選用航向傳感器、陀螺儀等構件的鋁合金支架和板材來作為實驗樣品。

為使實驗更具代表性和針對性，選取以下含鋁合金材料的典型器件進行NaCl中性鹽霧實驗。

試件一：航向傳感器；試件二：陀螺儀；試件三：鋁結構件及連接件；試件四：動壓傳感器。由于實驗件表面難免粘有油污和其它可能引起實驗誤差的雜質，所以在實驗之前有必要對試件進行處理。表面處理方法：用去污劑或肥皂水擦洗試件表面污物→用自來水沖洗后接著用蒸餾水擦洗→將試件用吹風機吹干→對試件進行外觀觀測，照相記錄初始狀態。

實驗設備

此次實驗采用無錫蘇南實驗設備有限公司生產的YWX/Q-250鹽霧腐蝕實驗箱，如圖1所示。

圖1 YWX/Q-250鹽霧腐蝕實驗箱

圖2 加速腐蝕環境譜

技術參數及噴霧特點：工作室溫度范圍：35℃～50℃，飽和桶溫度范圍：37℃～55℃，溫度均勻度：≤±2℃，溫度波動度：≤±0.5℃，噴霧方式：氣流擋板式，噴霧特點：連續、周期任選，電源電壓：50Hz、220V/380V、三相四線。環境溫度：15℃～30℃，相對濕度：≥85%R·H。

加速腐蝕環境譜

為了模擬沿海環境條件下，鋁合金等金屬材料及其他結構件的局部環境的腐蝕歷程，根據其環境特點及腐蝕特征，并參照國內外同類實驗方法，選取在鹽霧實驗中采用中性鹽霧實驗來作為此次實驗的腐蝕環境譜。

實驗溶液使用工業NaCl配置的中性液體。其加速腐蝕環境譜如圖2所示。

此次實驗按照GB/T10125-1997《人造氣氛腐蝕實驗鹽霧實驗》標準執行，實驗結果評定參照GB/T6461-2002《金屬基體上金屬和其他無機覆蓋層經腐蝕實驗后的試樣和試件的評級》執行。

實驗結果及分析

本次實驗的樣品可以分為以下四個：航向傳感器、陀螺儀、鋁結構件及連接件、動壓傳感器。

實驗結果

實驗結束，觀察此次參與實驗的構件發現，航向傳感器、陀螺儀上的鋁合金框架、鋁結構件等表面沒有產生異常現象，而陀螺儀上的其它鋁合金構件以及動壓傳感器上的鋁合金板材產生點蝕，有的表面都產生了大量白色物質。

數據分析

由于所選用的實驗件包含其它類型材料，一并記錄實驗數據，實驗結束，分析腐蝕產物，測量得到構件表面腐蝕面積與其總面積之比值，表1列出了具有典型腐蝕特性的構件的腐蝕面積比值。

由表可知，不銹鋼材料組成的其他構件都有不同程度的損傷。其中舵機滑桿和螺釘連接件腐蝕嚴重。分析實驗數據，可以看出，材料中腐蝕嚴重的主要集中在金屬材料上，它們又以未經處理的鐵質板材腐蝕最嚴重。經過表面處理后的金屬材料構件腐蝕速度遠遠小于沒有經過處理的構件。鋁及其合金材料在無人機上有大量運用，大量的研究表明，高強鋁合金在大氣環境下以產生沿晶剝蝕現象為主，其腐蝕失效模式為：先在缺陷處產生點蝕，然后是晶間腐蝕、剝蝕，最后因腐蝕損傷超過腐蝕容限而失效。個別鋁合金構件腐蝕較嚴重。在遭受腐蝕的構件中，腐蝕程度隨著時間的延長而加深。

表1 構件表面腐蝕產物占總面積的百分比(%)

機理分析

在沿海地區，鹽霧是無人機裝備發生腐蝕的主要的環境因素之一。鹽霧中的主要成分為NaCl，而NaCl的溶液中是以Na+和Cl—的形態存在的，而鹽霧的沉積率與Cl—的濃度成正比關系：

式中，Sd是鹽霧沉積率；[Cl]—是氯離子濃度。

所以在含鹽濃度高的海邊，其沉積率也很大，高濃度的鹽霧自然成為NaCl溶液的載體。當大氣中的鹽霧沉降在無人機裝備構件表面上形成一層液膜，就構成了鹽霧對無人機構件腐蝕的環境介質。懸浮著的鹽霧顆粒，實際上跟金屬并不發生作用，只有沉降在金屬表面上，形成電解液膜時才對金屬材料產生腐蝕。

鋁合金材料因其結構強、重量輕，在無人機上運用得非常廣泛。在大氣和中性溶液中，由于鋁表面上能生成一層致密的、牢固附著的氧化物保護膜而使鋁鈍化，其鈍態穩定性僅次于鈦，該膜主要由Al2O3·nH2O組成。

由于鋁在pH＝4～8的介質中能夠鈍化，所以鋁在中性和近中性的水中以及大氣中是非常耐腐蝕的，但在鹽霧環境下，由于沉降到裝備構件表面的鹽霧內含有氯離子(Cl—)，而且霧滴中的氯離子(Cl—)有較小的離子半徑(1.82×10-4μm)，穿透力很強，能使鋁表面產生的鈍化膜遭到破壞，從而使其失去保護作用。由于鹽霧中的氯化物是一種強電解質，大大增強金屬表面液膜的導電性，促進其電化學反應，從而加重金屬的腐蝕。

鋁在中性溶液中的腐蝕基本上屬于氧去極化的陰極過程。鹽霧沉積在構件表面，其中包含的Cl—等破壞鈍態的離子局部進入鈍化膜，使膜局部變質，生成Al3+離子，其氧化過程為：

電子從陽極流到陰極；

在中性電解質溶液中，陰極一般為氧原子或氧分子還原：

在溶液中，氯化鈉溶液離解，同時有生成的腐蝕物。

Al(OH)3在有氧情況下，容易生成疏松的Al2O3，此過程不可逆，所以該過程不斷向右進行，金屬被逐漸腐蝕。

改進措施

在裝備構件的結構設計時要盡量避免小的縫隙或凹坑，以防止鹽霧沉積，造成對構件的腐蝕。對于集成電路等的封閉外殼，其密封性要保證能抵御潮氣、鹽霧等的侵入。對需向外部通風散熱的設備，應增加除濕功能，以避免鹽霧、潮氣附著或沉積在元器件和電路上，造成腐蝕。

由于普通的鋁表面氧化層因存在微孔而不能抵抗鹽霧的腐蝕，必須對其采取特殊的表面處理工藝，如用注入離子硅法得到高耐腐蝕性的表面改性層，硅與鋁的電位雖相差甚遠，但在復相合金中抗蝕性能仍很好，這是由于有氧存在或者在氧化介質中，在合金表面生成有保護性的氧化物膜Al2O3+SiO2之故。

選用裝飾性化學砂面處理、陽極化鍍覆體系，提高其抗鹽霧腐蝕性能。此法既有較高的耐腐蝕性，又有較好的裝飾效果，且加工成本低，經濟效果好。如果處理后再進行表面防鹽霧腐蝕涂覆，效果會更好。

另外采用純鋁或耐點蝕性能較好的Al—Mn和Al—Mg合金；對Al—Cu等耐蝕性能不好的合金，可采用包覆純鋁或Al—Mg合金層；增加構件的通風效果，防止鹽霧的沉降等措施都可以有效防止鋁合金產生點蝕。

結論

此次實驗周期為72h。實驗表明：鋁合金材料分為兩類，通過72h的中性鹽霧腐蝕實驗后，取出觀察，部分鋁合金材料沒有發生變化，典型的事例就是陀螺儀的支架，為鋁合金材料制作，經過表面處理加入防護涂層后，其防鹽霧侵蝕能力大大提高。另一部分鋁合金材料經過實驗后，在其表面布滿疏松的白色物，由于這部分小構件表面沒有進行特殊化處理，其普通的鋁表面氧化層因其表面存在微孔而不能抵抗鹽霧的腐蝕，所以針對這種情況，應在無人機系統上盡量使用經過處理后的鋁合金材料。 ■