民用飛機機身腐蝕分區及防護

何周理，劉衛

（1.中國商飛上海飛機設計研究院，上海 201210； 2.中國商飛北京民用飛機技術研究中心，北京 102209）

引言

腐蝕對于金屬材料，是指和周圍介質（如水或油等液體）發生化學、電化學反應，或是在介質和某些物理因素共同作用下引起的破壞或某些性能降低的現象。金屬腐蝕已經導致多起民用飛機安全事故，1981年8月22日，臺灣民航一架波音737客機，因為機身貨艙下部壁板發生嚴重的腐蝕而導致飛機空中解體；2007年2月21日，印尼亞當航空公司一架波音737客機由于龍骨梁嚴重腐蝕導致飛機降落時機身折斷，險些釀成災難性事故[1]；2000年5月27日，臺灣華航一架波音747飛機由于金屬腐蝕疲勞造成尾翼裂紋，飛機最終墜入大海[2]。

金屬腐蝕不但影響飛機安全，而且腐蝕的維修成本高昂，嚴重影響民用飛機的經濟性。在國內外運輸類飛機相關標準［3-5］中的“結構保護”章節有明確要求：飛機每個零件必須有適當的保護，以防止使用中由于腐蝕等原因引起性能降低或強度喪失。目前國內外對民用飛機典型結構的腐蝕已經開展了許多相關研究，包括腐蝕機理研究[6,7]，腐蝕監測技術研究[8,9]，腐蝕修理以及腐蝕防護研究[10,11]，但是對于民用飛機結構設計時腐蝕防護的具體設計方法相對較少。

1 機身內部腐蝕分區

民用飛機機身結構防腐蝕設計時，首先需要對機身內部區域進行腐蝕分區，便于對不同的腐蝕區域采取合適的防腐蝕措施。

圖1 典型民機機身內部區域環境類別

圖2 典型民機機身內部壁板腐蝕分區示意

腐蝕分區的第一步是對參考機型在役飛機的腐蝕情況進行統計，根據統計結果對機身內部區域進行腐蝕分區。目前參考機型主要包括波音、空客等主流機型；腐蝕數據主要來源于維修基地定檢時的腐蝕維修記錄，以及航線常規性例行檢查中發現的腐蝕記錄；如劉延寬等收集了兩種常見型號（A 型、B 型）的39 架國內在役寬體客機近10 年的腐蝕損傷數據[12]。以計數的方法統計腐蝕區域的腐蝕頻率，確定易腐蝕區、較易腐蝕區和一般腐蝕區。

腐蝕分區的第二步是基于腐蝕影響因素進行環境分區。飛機金屬結構部件的腐蝕風險取決于該部件所處的環境條件。一般根據區域內水及各種液體積聚的概率、區域的可接近性和損傷風險，將環境條件分為三類。

1）A類：接觸空氣，通常為干區且易接近的區域；

2）B類：接觸燃油的區域；

3）C類：易接觸液壓油、廁所或廚房液體、潤滑劑污染的區域；容易生成或聚集冷凝水、液體的區域；難以接近，以及具有很高的意外損傷風險區域。C類區域可進一步細分為：

①C1類：接觸水、濕氣，偶然接觸其他液體的區域，且具有很高的意外損傷風險區域；

②C2-1類：接觸水、濕氣，經常接觸其他液體的區域；

③C2-2類：接觸水、濕氣，其他液體易積存且難以接近的區域。

環境類別僅適用于飛機的內部部件，這些部件在飛行過程中從外部看不到，包括整流罩覆蓋的區域。典型民機機身內部環境類別劃分如圖1所示。

表1 腐蝕分區過程表

腐蝕分區的第三步是基于結構重要性進行區域分區，分成重要、較重要、一般部件三個等級。對安全性有重要影響的部件，需提高腐蝕分區等級，加強防護措施。對于機身一些重要結構部件，一旦腐蝕，將導致產品不能完成主要任務，危及人身安全等危險，需定義為重度腐蝕區，比如龍骨梁結構。

綜合上述民機腐蝕分區的三步法，可按照表1的分析步驟，將全機分為輕度腐蝕區、中度腐蝕區以及重度腐蝕區。由于機身內冷凝水線以下區域，機身內壁形成液膜的概率較大，因此冷凝水線以下的區域被定義為中度及重度腐蝕區。冷凝水線的位置可能因為機型不同而不同，典型民機機身內部壁板腐蝕分區示意如圖2所示，典型民機機身內部框截面腐蝕分區示意如圖3所示。

2 機身結構材料分組

在明確了飛機機身內部腐蝕分區之后，還需要明確結構材料分組。目前民機結構金屬材料仍以鋁合金、鈦合金、耐蝕鋼、非耐蝕鋼、銅、鉻鎳鐵等合金為主；復合材料主要是指碳纖維復合材料和玻璃纖維復合材料。

飛機結構中存在大量的互相連接、搭接、配合的不同材料。對于飛機結構異種材料接觸時，電偶腐蝕現象容易發生[6]。表2列出了各種材料原電池腐蝕活性的遞增次序（從上往下、從左往右活性逐漸減弱），表中材料之間對應的數字（0-11）越大代表材料之間越不相容，為方便起見，航空材料按其相似性又可以分為四類（Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類），如表3所示。同類中的不同材料之間一般不會產生嚴重的電偶腐蝕，不同類材料之間需要考慮電偶腐蝕。兩種不同材料的結構接觸時，電位差越大，電偶腐蝕速度就越快，就越不相容；電位差越小，電偶腐蝕就越慢，就越相容。故針對同類或不同類的結構之間采取的防腐蝕措施也不相同。

3 機身內部腐蝕防護

在民用飛機零件設計時，零件表面保護有不同的方式，一般可分成無機防護層（表面處理）和有機涂層（涂漆）兩類。零件表面無機防護層主要包括陽極化、化學轉化膜、鈍化等；零件表面有機涂層主要包括涂刷底漆、面漆、腐蝕抑制劑等：

1）陽極化：電化學工藝，可在鋁合金材料表面形成一層薄的氧化層，以提高鋁合金零件的耐蝕性。根據電化學槽液和成膜種類不同，可分為鉻酸陽極化、硼硫酸陽極化等。

2）化學轉化膜：用阿洛丁（Alodine）化學氧化處理后在鋁合金零件表面形成一層非常薄的金屬氧化膜，可以增加鋁合金零件抗腐蝕能力。

3）鈍化：是指金屬零件經強氧化劑或電化學方法氧化處理，使表面變為不活潑即鈍化的過程。一種化學處理方法，用以移除表面的污染物，形成一層非常薄保護性金屬氧化涂層，以增加抗腐蝕和改善后續有機涂層的粘接力。

圖3 典型民機機身內部框截面腐蝕分區示意

表2 不同材料的電化學活性和相容性

表3 航空材料異電位分組

4）底漆：一種有機涂層，應用于金屬表面，以增強抗腐蝕性能。

5）面漆：一種永久有機漆層，通常用于在底漆之后，以獲得更好的腐蝕抵抗能力。

6）腐蝕抑制劑：輔助有機屏蔽涂層，用于改進由于冷凝水、水聚集和不同金屬裝配在一起時的腐蝕抵抗能力。

上述零件表面保護可單獨使用，也可組合使用，但并不是表面保護越多越好，因為飛機零件設計是一項綜合性設計，除了考慮防腐蝕性外，還需考慮工藝性、零件制造效率、零件制造成本等。所以在明確了飛機機身內部腐蝕分區、機身結構材料分組之后，就可以選擇合適的防護措施。同類材料連接和非連接表面保護見表4，鋁合金與鈦合金、耐蝕鋼、蒙乃爾合金、鉻鎳鐵合金、非耐蝕鋼連接表面防護見表5。

復合材料具有密度低，比強度和比剛度高，以及裂紋擴展速率較低等特點，歐美大型飛機機體的結構材料結構正從以鋁合金為主過渡至復合材料為主[13]。復合材料本身耐腐蝕性能非常良好，由于本身電位較高，當與其他金屬接觸時，使其他金屬產生腐蝕。根據表3所示，鈦合金或耐蝕鋼等與碳纖維復合材料相容，鈦合金或耐蝕鋼只需按照表4進行表面保護即可；鋁合金及非耐蝕鋼等與碳纖維復合材料不相容，需按表6進行表面保護。

另外，對于飛機內部的中度腐蝕區和嚴度腐蝕區，還將在結構上施加額外的腐蝕防護層：噴涂腐蝕抑制劑。腐蝕抑制劑能夠破壞水膜并抑制腐蝕，將液體滲入結構產生腐蝕的風險降至最低。腐蝕抑制劑應當在完成裝配和噴涂之后進行，并涂覆到所有金屬表面，且應當超出金屬結構零件和相鄰的復合材料零件，包括密封劑。輔助有機屏蔽涂層，用于改進由于冷凝水、水聚集和不同金屬裝配在一起時抵抗腐蝕的能力。

表4 零件通用表面保護

表5 鋁合金與鈦合金、耐蝕鋼、蒙乃爾合金、鉻鎳鐵合金、非耐蝕鋼連接

表6 碳纖維復合材料與鋁合金/非耐蝕鋼連接

4 結語

根據民用飛機結構設計特點，綜合機身內的腐蝕統計、環境因素、結構重要性三個方面，給出了民機機身結構的腐蝕分區方法；同時對常用民用飛機結構材料的電化學活性和相容性進行排序和歸類；最后針對不同的結構組合，制定了不同的表面防護措施，以滿足民用飛機腐蝕防護需求。對于民用飛機結構設計，防腐蝕設計是一項綜合性設計，除了結構表面防護外，還應考慮機身通風排液設計、結構形式的合理性、材料和工藝的選擇，緊固件防護等因素，只有全面考慮，才能達到腐蝕防護的最佳效果。