機(jī)載設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理及防腐設(shè)計淺析

賈艷麗

摘 要：腐蝕是造成機(jī)載設(shè)備失效的主要原因之一，對機(jī)載設(shè)備進(jìn)行防腐設(shè)計是提高機(jī)載設(shè)備使用壽命的一個重要手段。本文主要從機(jī)載設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理、腐蝕產(chǎn)生的原因以及防腐設(shè)計等方面對機(jī)載設(shè)備防腐設(shè)計進(jìn)行了分析和闡述，對后續(xù)機(jī)載設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)載設(shè)備;腐蝕機(jī)理;防腐設(shè)計

中圖分類號：TG179 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0074-02

航空工業(yè)作為我國國防建設(shè)的重要項目之一，對我國國防事業(yè)有著不可忽視的重要作用。航空機(jī)載設(shè)備的腐蝕問題不僅降低了飛機(jī)的安全系數(shù)，而且當(dāng)其出現(xiàn)腐蝕問題時，需停機(jī)進(jìn)行長時間的維修工作，影響正常的飛行訓(xùn)練，另外，還需高昂維修費用，這些因素在很大程度上制約了我國航空事業(yè)的發(fā)展。基于以上因素，本文主要從機(jī)載設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理、腐蝕產(chǎn)生的原因以及防腐設(shè)計包括材料選用、表面防腐、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝等方面對機(jī)載設(shè)備的防腐設(shè)計進(jìn)行了分析和闡述。

1 金屬腐蝕機(jī)理

金屬材料在使用和生產(chǎn)過程中，由于環(huán)境因素不斷作用，導(dǎo)致金屬材質(zhì)出現(xiàn)變質(zhì)的情況，改變了金屬原有的機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)性能，將這種改變叫做金屬腐蝕。

金屬腐蝕的本質(zhì)就是金屬原子失去電子被氧化的過程。目前，將金屬腐蝕分成兩大類，分別是化學(xué)腐蝕以及電化學(xué)腐蝕。

1.1 化學(xué)腐蝕

環(huán)境介質(zhì)和金屬發(fā)生直接接觸，導(dǎo)致金屬出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。在金屬化學(xué)腐蝕中，并不會產(chǎn)生電流，而是直接產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物會將腐蝕地點進(jìn)行覆蓋，一般發(fā)生化學(xué)腐蝕是由于使用環(huán)境介質(zhì)中具備一定水分，空氣比較潮濕。例如，鋼鐵在高溫環(huán)境中往往發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，如果同時存在含硫或含鹽物質(zhì)，則在高溫環(huán)境下鋼鐵會加快腐蝕，這也稱為熱腐蝕。

1.2 電化學(xué)腐蝕

金屬和氧形成兩個電極，組成腐蝕原電池的金屬不純，在與電解質(zhì)溶液發(fā)生接觸的過程中，會出現(xiàn)原電池反應(yīng)，活潑的金屬就會失去電子，進(jìn)而被氧化，最典型的例子就是鋼鐵在潮濕的空氣中發(fā)生的腐蝕。

2 機(jī)載設(shè)備腐蝕產(chǎn)生的原因

根據(jù)航空機(jī)載設(shè)備發(fā)生腐蝕的機(jī)理分析，將其產(chǎn)生腐蝕的因素分為外部原因和內(nèi)部原因。

對于外部因素，主要指外界自然環(huán)境。航空機(jī)載設(shè)備隨飛機(jī)在包括高低溫、低氣壓、鹽霧、砂塵、淋雨和霉菌等嚴(yán)酷惡劣的復(fù)雜氣候環(huán)境中使用，自然環(huán)境中潮濕的空氣、腐蝕性的氣體、空氣中存在的含硫或含鹽污染物質(zhì)、使用情況，都是機(jī)載設(shè)備發(fā)生腐蝕的外部因素。

對于內(nèi)部因素，主要是指航空機(jī)載設(shè)備本身所具有的抗腐蝕能力，包括航空機(jī)載設(shè)備的材料選用、表面防護(hù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件的加工制造工藝等方面。

3 機(jī)載設(shè)備防腐蝕的設(shè)計

3.1 材料選用

材料選用是防腐設(shè)計的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，針對機(jī)載設(shè)備使用環(huán)境，結(jié)合其所需的力學(xué)結(jié)構(gòu)特性，機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)件通常采用鋁合金，包括2A12、防銹鋁、7050等，不銹鋼包括馬氏體型不銹鋼14Cr17Ni2、奧氏體型不銹鋼1Cr18Ni9Ti、沉淀硬化型不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr15Ni5Cu2Ti，鈦合金包括TC11、TC4等材料。

鋁合金密度低、強(qiáng)度高、耐蝕性好，易加工成型，通過熱處理和表面處理后可以得到良好的機(jī)械性能、物理性能和抗腐蝕性能。其主要用于機(jī)載設(shè)備外形結(jié)構(gòu)如骨架、側(cè)板、蒙皮等。

不銹鋼密度高，強(qiáng)度、硬度及耐磨性均較好，其中的沉淀硬化型不銹鋼的耐蝕性能在不銹鋼類型中耐蝕性能最優(yōu)。其主要用于機(jī)載設(shè)備的承力結(jié)構(gòu)，如掛鉤、接頭、止動螺栓、連接螺栓等。

鈦合金密度低，強(qiáng)度高，低溫性能良好，能夠耐酸耐堿，在嚴(yán)酷的氣候環(huán)境被廣泛應(yīng)用，適用于要求重量輕、剛強(qiáng)度高的航空機(jī)載設(shè)備中。主要用于機(jī)載設(shè)備的承力結(jié)構(gòu)如連接接頭、止動器、氣閥集成座等。

3.2 表面防護(hù)

雖然金屬表面會形成一層天然的保護(hù)膜，但在嚴(yán)酷惡劣的氣候環(huán)境中其不能達(dá)到防腐防護(hù)效果，因此，對于機(jī)載設(shè)備的零組件在加工制造完成后，都要對其進(jìn)行表面防護(hù)，以提高其產(chǎn)品的防腐性能。

3.2.1 表面處理

表面處理技術(shù)主要是金屬表面化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，使其表面形成致密的氧化物薄膜，達(dá)到防腐效果。針對鋁合金材料，其表面處理應(yīng)用較多的是化學(xué)氧化處理和陽極化氧化處理。其中，陽極化氧化處理的防腐性能優(yōu)于化學(xué)氧化處理，工廠應(yīng)用較多的是對鋁合金零件進(jìn)行硫酸和鉻酸陽極化處理;對于不銹鋼材料，其表面處理應(yīng)用較多的是鈍化處理，然后用偏堿的溶液進(jìn)行沖洗;對于鈦合金材料，其表面處理應(yīng)用較多的是發(fā)藍(lán)處理。

以上材料的表面處理防護(hù)措施均經(jīng)過多次的濕熱、240h鹽霧、砂塵和淋雨等嚴(yán)酷惡劣的氣候環(huán)境試驗考核，表面防護(hù)措施有效。

3.2.2 噴漆處理

機(jī)載設(shè)備的表面防護(hù)措施的另一種方式是噴漆處理，即在對機(jī)載設(shè)備零組件進(jìn)行表面處理后，再對其進(jìn)行噴漆，進(jìn)一步提高其耐蝕性能。噴漆表面不僅可以使機(jī)載設(shè)備與環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)隔離，對金屬表面的腐蝕進(jìn)行抑制。

機(jī)載設(shè)備的表面噴漆可以采用底漆和面漆結(jié)合使用，達(dá)到多層防護(hù)的效果。漆層選用上盡量選用與金屬附著力強(qiáng)的漆層，如QH-15防腐環(huán)氧底漆和QFS-15/B05號海灰色耐候聚氨酯磁漆，耐嚴(yán)酷氣候環(huán)境的納米漆等。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3.1 防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

若機(jī)載設(shè)備零組件結(jié)構(gòu)幾何形狀比較復(fù)雜，那么出現(xiàn)腐蝕的概率就會增加，而且腐蝕會隨著時間推移不斷嚴(yán)重。因此，對于機(jī)載設(shè)備而言，盡量遵循簡單原則，減少尖角設(shè)計;盡量使機(jī)載設(shè)備的零組件形狀簡單，減少表面與腐蝕介質(zhì)的接觸面積，降低腐蝕發(fā)生的概率。

3.3.2 排水孔設(shè)置

機(jī)載設(shè)備大多采用鋁合金及不銹鋼等材質(zhì)制造而成，在經(jīng)過長時間使用后，表面出現(xiàn)裂縫，若液體流通不暢，則該部位就很容易出現(xiàn)腐蝕裂縫。在經(jīng)過長時間的腐蝕后，會容易造成應(yīng)力腐蝕，會對機(jī)載設(shè)備整體結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響。

因此，對于機(jī)載設(shè)備中有可能會有雨水、冷凝水等凝結(jié)聚集的地方，為防止水分在此處聚集，應(yīng)在相應(yīng)結(jié)構(gòu)部位設(shè)置排水口，如圖1所示，保證機(jī)載設(shè)備盡量處于干燥狀態(tài)。

3.4 不同零部件材料設(shè)置

機(jī)載設(shè)備的不同零部件盡量保持材料統(tǒng)一屬性，尤其是在二者連接處，避免出現(xiàn)較大縫隙，發(fā)生縫隙腐蝕;另外，當(dāng)兩種有電位差的金屬直接接觸并處于同一電解溶液環(huán)境中時，就可能會發(fā)射電化學(xué)腐蝕。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，盡量避免不同金屬材料直接接觸，若無法避免，應(yīng)采取相應(yīng)措施降低其電位差。

3.5 優(yōu)化強(qiáng)度設(shè)計

機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需考慮機(jī)載設(shè)備在腐蝕條件下的機(jī)械剛強(qiáng)度。一般來說，所設(shè)計的機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)不但要滿足高腐蝕強(qiáng)度，還要考慮到高機(jī)械剛度，留有一定腐蝕余量，腐蝕余量要超過機(jī)械結(jié)構(gòu)腐蝕深度限制兩倍。

3.6 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于機(jī)載設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，盡量選用密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其是對于機(jī)載設(shè)備抗腐蝕能力薄弱部位，使其盡量避免與腐蝕性環(huán)境直接接觸，如螺釘連接處涂膠、盒體腔型零組件灌膠處理等，灌膠處理如圖2所示。

3.7 其他方面

機(jī)載設(shè)備的防腐還可以從制造方面著手，如提高金屬表面加工精度，提高粗糙度;經(jīng)試驗考核驗證，粗糙度精度高的零組件其耐腐性能優(yōu)于粗糙度精度等級低的零組件，圖3是機(jī)載設(shè)備零部件經(jīng)過鹽霧試驗考核后表面銹蝕情況。

4 結(jié)語

防腐設(shè)計是機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分，零組件材料選用時，盡量選用防腐性能優(yōu)良的鋁合金、不銹鋼及鈦合金;表面防護(hù)方面主要是結(jié)合機(jī)載設(shè)備零組件的不同使用環(huán)境和防腐要求，選用不同的防護(hù)措施，鋁合金的陽極化、不銹鋼的鈍化和鈦合金的發(fā)藍(lán)處理等;結(jié)構(gòu)設(shè)計方面遵循簡單原則，避免不同材料的電化學(xué)腐蝕、縫隙腐蝕同時針對具體結(jié)構(gòu)設(shè)置排水孔和采用灌膠涂膠等密封結(jié)構(gòu)設(shè)計;另外，提高零組件表面的加工粗糙度精度，也可以提供機(jī)載設(shè)備的耐蝕性能。

參考文獻(xiàn)

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