海洋環(huán)境下飛機(jī)典型接地柱防腐蝕設(shè)計(jì)研究

張辰玉，袁猛，劉元海

（中國(guó)特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊門(mén) 448035）

在海洋環(huán)境下服役的機(jī)載電子設(shè)備，長(zhǎng)期處于海水、鹽霧、高濕度的環(huán)境中。雖然機(jī)載電子設(shè)備及其附件一般處于飛機(jī)機(jī)體內(nèi)部，但這些部位通常并非完全密封，機(jī)身內(nèi)不可避免地會(huì)有潮氣或電解液的存在[1-3]。這些介質(zhì)不會(huì)立即從附近的排水孔排出，相反，會(huì)順著線束、液壓管道或結(jié)構(gòu)件流動(dòng)，除重力作用會(huì)使水流動(dòng)之外，飛行時(shí)的機(jī)動(dòng)動(dòng)作會(huì)使液體順著各種管道運(yùn)動(dòng)/流動(dòng)。在某些特殊條件下，液體甚至可以因?yàn)槊?xì)作用往上走。因此，機(jī)載電子設(shè)備在海上服役期間面臨的腐蝕環(huán)境更為嚴(yán)峻。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，2010—2015 年，駐海南服役飛機(jī)電子設(shè)備的故障率是駐山東服役飛機(jī)的1.9 倍[4]。

接地連接和電搭接區(qū)域通常涉及兩種或多種不同電位的金屬的連接，在濕氣或液體介質(zhì)存在的條件下，極易發(fā)生電偶腐蝕。若不采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，該類(lèi)型的腐蝕極易破壞傳導(dǎo)電流的低電阻路徑[5-12]。未經(jīng)防護(hù)處理的電搭接區(qū)域出現(xiàn)的腐蝕情況如圖1所示。

圖1 接地柱連接區(qū)域腐蝕Fig.1 Corrosion of ground column connecting area

文中以×型飛機(jī)某半封閉關(guān)鍵部位安裝的接地柱為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了三種防腐蝕安裝方案[3-20]，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境譜下開(kāi)展加速腐蝕試驗(yàn)，研究海洋環(huán)境對(duì)典型接地柱防腐蝕安裝設(shè)計(jì)的影響。這一研究成果對(duì)于海洋平臺(tái)的飛機(jī)接地柱的設(shè)計(jì)、安裝具有十分重要的參考意義。

1 接地柱防腐蝕安裝模式設(shè)計(jì)

接地柱安裝在海洋環(huán)境下的飛機(jī)平臺(tái)上，不同結(jié)構(gòu)、不同位置的接地柱受到的平臺(tái)誘發(fā)環(huán)境不同。根據(jù)施工工藝的復(fù)雜性及防護(hù)程度的輕重，設(shè)計(jì)了三種安裝防護(hù)模式。

1.1 模式1

模式1：采用直接安裝法。這是施工工藝最簡(jiǎn)單的安裝模式，也是目前飛機(jī)型號(hào)中普遍使用的安裝方法。其工藝可概括為“打磨接觸面+安裝接地+補(bǔ)漆”，試件形貌如圖2 所示。

典型腐蝕防護(hù)安裝模式1 采取以下步驟進(jìn)行防護(hù)：打磨掉安裝板上與接地柱底面接觸部分的涂鍍層，打磨面積略大于接地柱底座；用乙醇清洗接地柱與安裝材接觸表面，6 h 內(nèi)使用鉚釘連接，鉚釘采用密封劑濕裝配，端頭封包；對(duì)接地柱與安裝板接觸邊緣多打磨的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)漆處理。

圖2 接地柱安裝模式1Fig.2 Installation mode 1 of ground column

1.2 模式2

模式2 采用縫隙填角法，施工工藝復(fù)雜程度中等。其工藝可概括為“打磨接觸面+導(dǎo)電氧化+安裝接地+補(bǔ)漆+填角密封”，試件形貌如圖3 所示。

圖3 接地柱安裝模式2Fig.3 Installation mode 2 of ground column

典型腐蝕防護(hù)安裝模式2 采取以下步驟進(jìn)行防護(hù)：打磨掉安裝基材上與接地柱底面接觸部分的涂鍍層，打磨面積略大于接地柱底座；安裝基材打磨區(qū)域進(jìn)行局部導(dǎo)電氧化處理；乙醇清洗接地柱與安裝基材接觸表面，6 h 內(nèi)使用鉚釘連接，鉚釘采用密封劑濕裝配，端頭封包；接地柱與安裝板接觸邊緣打磨多余部分補(bǔ)漆處理。接地柱與安裝基材接觸邊緣縫外使用密封劑填角密封。

1.3 模式3

模式3 采用端頭封包法，施工工藝最為復(fù)雜。其工藝可概括為“打磨接觸面+導(dǎo)電氧化+安裝接地+補(bǔ)漆+填角密封+端頭封包”，試件形貌如圖4 所示。

圖4 接地柱安裝模式3Fig.4 Installation mode 3 of ground column

典型腐蝕防護(hù)安裝模式3 采取以下步驟進(jìn)行防護(hù)：打磨掉安裝基材上與接地柱底面接觸部分的涂鍍層，打磨面積略大于接地柱底座；安裝基材打磨區(qū)域進(jìn)行局部導(dǎo)電氧化處理；乙醇清洗接地柱與安裝基材接觸表面，6 h 內(nèi)使用鉚釘連接，鉚釘采用密封劑濕裝配，端頭封包；接地柱與安裝板接觸邊緣打磨多余部分補(bǔ)漆處理；接地柱與安裝基材接觸邊緣縫外使用密封劑填角密封；墊片、彈墊、電線大接頭、螺母與接地柱連接位置外表面使用密封劑封包。

2 試驗(yàn)

2.1 加速腐蝕試驗(yàn)

按照?qǐng)D5 所示環(huán)境譜完成2 個(gè)循環(huán)的加速腐蝕試驗(yàn)。

圖5 加速試驗(yàn)環(huán)境譜Fig.5 Accelerated test environment spectrum

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 模式1

2 個(gè)周期結(jié)束后，明顯可見(jiàn)試件在安裝板與接地柱接觸面發(fā)生縫隙腐蝕，接地柱底座周?chē)e聚鹽粒及灰白色腐蝕產(chǎn)物（見(jiàn)圖6a）。將接地柱底座從安裝板拆卸下后，觀察其安裝板接觸面。宏觀明顯可見(jiàn)安裝板發(fā)生腐蝕（見(jiàn)圖6b），接觸面失去鋁合金金屬光澤，被灰白色腐蝕產(chǎn)物覆蓋。采用KH-7700 三維體視顯微鏡放大50 倍后，視野內(nèi)超過(guò)70%區(qū)域發(fā)生腐蝕，間或可見(jiàn)鋁合金金屬光澤（見(jiàn)圖6c）。接地柱底座失去金屬光澤，輕微發(fā)黑，表面零星可見(jiàn)輕度腐蝕痕跡（見(jiàn)圖6d、e）。

圖6 直接安裝件試驗(yàn)結(jié)束后形貌Fig.6 Morphology of directly installed piece after test: a)overall corrosion morphology; b) macro morphology of mounting plate corrosion; c) micro morphology of mounting plate corrosion; d) macro morphology of ground column base corrosion; e) micro morphology of ground column base corrosion

2.2.2 模式2

2 個(gè)周期結(jié)束后，明顯可見(jiàn)試件在安裝板-接地柱接觸面發(fā)生縫隙腐蝕（見(jiàn)圖7），接地柱底座周?chē)e聚鹽粒及灰白色腐蝕產(chǎn)物。填角處密封膠完好，僅密封膠上表面有少量鹽粒積聚。拆卸試件后，觀察安裝板表面，可見(jiàn)裸露鋁合金有金屬光澤。鉚釘孔側(cè)壁發(fā)生輕度腐蝕，但由于采用了濕裝配工藝，孔側(cè)壁的腐蝕未能延伸發(fā)展至接觸面其他位置（見(jiàn)圖8）。安裝板與接地柱接觸面間縫隙采用填角工藝，安裝板及接地柱底座防護(hù)良好，未見(jiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象（見(jiàn)圖9）。

圖7 填角件試驗(yàn)結(jié)束后安裝板-接地柱間隙形貌Fig.7 Morphology of gap between mounting plate and ground column after the corner filler test

圖8 填角件拆卸后安裝板宏觀及微觀形貌Fig.8 Macro-and micro-morphology of mounting plate after dismantling of the corner filler

圖9 填角件拆卸后接地柱宏觀及微觀形貌Fig.9 Macro-and micro-morphology of ground column after dismantling of the corner filler

2.2.3 模式3

2 個(gè)周期結(jié)束后，明顯可見(jiàn)接地柱底座周?chē)e聚鹽粒（見(jiàn)圖10）。拆卸試件后觀察安裝板與接地柱底座，均未見(jiàn)明顯腐蝕，接地柱底座可見(jiàn)黃色銅金屬光澤，密封防護(hù)性能良好（見(jiàn)圖11）。

2.2.4 接觸電阻測(cè)試結(jié)果分析

在試驗(yàn)前和每個(gè)周期試驗(yàn)后，根據(jù)“接觸電阻小于100 μΩ 為合格樣品”的標(biāo)準(zhǔn)分別檢測(cè)試件法蘭盤(pán)與安裝板間的接觸電阻。初始檢測(cè)（0 周期）樣本12個(gè)，合格12 個(gè)，合格率100%，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

1 個(gè)周期結(jié)束后，檢測(cè)樣本12 個(gè)，合格7 個(gè)，合格率58.3%，不合格樣本5 個(gè)。不合格試件接觸電阻范圍在280～460 μΩ，表面鍍鎘接地柱鍍層失效，接地柱腐蝕產(chǎn)物覆蓋接地柱底座，無(wú)法檢測(cè)接觸電阻。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖10 封包件試驗(yàn)結(jié)束后接地柱形貌Fig.10 Morphology of ground column after test of package

圖11 封包件拆卸后接地柱形貌Fig.11 Morphology of ground column after disassembly

表1 接地柱0 周期接觸電阻檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Testing results of cycle 0 contact resistance of ground column

表2 接地柱1 周期接觸電阻檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Testing results of cycle 1 contact resistance of ground column

2 個(gè)周期結(jié)束后，檢測(cè)樣本12 個(gè)，合格3 個(gè)，合格率25%，不合格樣本9 個(gè)。采用直接安裝模式和填角安裝模式的接地柱，其底座被腐蝕產(chǎn)物及鹽粒覆蓋，無(wú)法檢測(cè)接觸電阻。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 接地柱2 周期接觸電阻檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Testing results of cycle 2 contact resistance of grounding column

根據(jù)接地柱的接觸電阻檢測(cè)結(jié)果，從一定程度上反映了防腐蝕安裝方式的有效性及試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果的準(zhǔn)確性。2 個(gè)周期結(jié)束后，采用直接安裝模式的接地柱因接地柱底座腐蝕而無(wú)法檢測(cè)接觸電阻；采用填角安裝模式的接地柱外觀腐蝕嚴(yán)重，但其內(nèi)部仍為電接觸，若不及時(shí)處置，隨著腐蝕的發(fā)展，腐蝕產(chǎn)物終會(huì)阻斷電接觸。采用封包安裝模式的接地柱耐蝕性最好，內(nèi)部被密封劑保護(hù)完好。

3 結(jié)論

1）模式1 為直接安裝工藝，此工藝安裝最為簡(jiǎn)單。目前的飛機(jī)型號(hào)上也多采用這種安裝方式，但這種安裝方式耐蝕性最差，甚至?xí)＜鞍惭b結(jié)構(gòu)基材。

2）模式2 為填角安裝工藝，其安裝復(fù)雜度和防腐蝕效果皆為中等，推薦用于環(huán)境較溫和區(qū)域，在型號(hào)使用中應(yīng)做好定檢，及時(shí)維護(hù)或更換。

3）模式3 為封包安裝工藝，該方法的優(yōu)點(diǎn)是耐蝕性最佳，缺點(diǎn)是施工工藝較為復(fù)雜，質(zhì)量增加較多，適用于環(huán)境較惡劣或維修不可達(dá)區(qū)域。

4）不同的環(huán)境條件，應(yīng)該采用不同的防腐處理方式，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的局部環(huán)境特點(diǎn)、施工的便捷性、經(jīng)濟(jì)型視情選擇安裝方法。