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王浩伟:建设先进开放实验平台 推动航空装备防腐技术发展

2017-11-08 09:24:50
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

飞机的腐蚀防护与控制是一个系统工程,贯穿于飞机方案论证 / 设计、生产制造、使用维护的全寿命周期。结构腐蚀防护与控制技术是在腐蚀科学理论基础上,融合了腐蚀经济学、

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王浩伟 中国特种飞行器研究所副总工程师、结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室常务副主任

 

    飞机的腐蚀防护与控制是一个系统工程,贯穿于飞机方案论证 / 设计、生产制造、使用维护的全寿命周期。结构腐蚀防护与控制技术是在腐蚀科学理论基础上,融合了腐蚀经济学、表面工程学、管理学、环境工程学等学科的一门新兴学科,包括成套的腐蚀防护与控制技术、试验和检测技术、设计原则及其相关工艺、方法和标准。结构腐蚀防护与控制技术属于航空装备的重要技术领域,是未来航空科技和武器装备研制、发展所必不可少的技术之一。为了深入探讨腐蚀与防护技术的前沿科学,为推动结构腐蚀防护与控制技术跨越式发展指明了方向。记者特采访到了中国特种飞行器研究所副总工程师、结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室常务副主任王浩伟做相关方面的精彩解读。


    记者:中国特种飞行器研究所腐蚀防护与控制研究中心是航空装备腐蚀防护与控制技术研究的专业机构,请介绍贵所腐蚀防护与控制研究中心在航空领域的战略定位、使命及发展历程。


    王浩伟:70 年代初期,中国特种飞行器研究所基于青六水上飞机面临的严重腐蚀环境,建立了“腐蚀防护与控制”特色专业,在国内率先开展了飞机腐蚀防护与控制技术研究。遵循“认识→机理性研究→研究性试验→验证性试验→工程转化与应用”的基本模式,历经数十年的研究与发展,在腐蚀防护与控制标准体系、结构抗/防腐蚀设计与分析、先进表面工程技术应用、腐蚀损伤预测与评估、腐蚀监控、防腐蚀维护和修理技术等方面做了系列化的研究工作,在腐蚀防护与控制领域形成了较强的技术和产品优势。


    基于成果和经验的积累,中国特种飞行器研究所于 2007 年向国防科工局正式提交了腐蚀防护与控制基础研发条件建设项目的申请,并于 2008 年正式批复(2009 年 1 月,六O五所正式成立“腐蚀防护与控制研究中心”)。该中心是致力于开展航空装备腐蚀防护与控制研究的专业机构,其发展目标是实现航空装备全寿命期内的腐蚀防护与控制,成为航空装备腐蚀防护与控制系统工程解决方案供应商,形成航空装备腐蚀防护与控制系统工程技术、航空装备腐蚀防护与控制设计/分析/验证技术、航空装备腐蚀防护与控制使用维修技术三大核心竞争。从事了大量的腐蚀防护与控制技术基础理论和应用技术研究,特别是在水面飞行器与水面航行体抗腐蚀综合性能设计与分析技术、腐蚀损伤评估分析技术、腐蚀损伤维护与修理技术等多个方面取得了突出的成绩。承担和完成了海鸥 300 轻型水陆两栖飞机、蛟龙 600 大型灭火 / 水上救援水陆两栖飞机以及多款军用型号的试验任务和航空装备腐蚀防护与控制相关探索与预研任务,在型号研制和关键技术预研中发挥了重要的作用。


    腐蚀防护与控制研究中心拥有航空工业集团唯一的结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室,并通过了中国合格评审国家认可委员会(CNAS)和国防科技工业实验室认可委员会(DILAC)认可,可模拟再现装备使用中所处腐蚀环境,具备开展多项标准(GJB150、GJB4239、MIL-STD-810F 等 ) 以 及 非标环境试验的能力,实现装备材料、结构、部件及系统等的环境适应性评估及验证;拥有 6×6×5m 大型步入式环境试验系统,具备对外承接盐雾、湿热、光老化等各种环境试验的能力和资质。


    记者:贵所拥有航空工业集团唯一的结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室,请简要介绍该重点实验室的基本情况及在航空装备型号研制过程中发挥的重要作用。


    王浩伟:结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室主要面向国防科技与航空科技发展和未来武器装备研制需求,开展全寿命期内的结构、系统及机载设备腐蚀防护与控制基础理论研究、应用基础研究、应用研究与型号研制中的关键技术攻关;构筑航空腐蚀防护与控制技术共性基础理论研究平台和应用技术平台,探索腐蚀与防护技术前沿科学,推动结构腐蚀防护与控制技术跨越式发展;成为腐蚀防护与控制技术领域人才培养的基地和学术交流的平台。实验室着重研究抗腐蚀设计与分析技术、腐蚀损伤分析与评定技术、腐蚀损伤维护与修理技术三个主要研究方向。


    重点实验室已有一支由材料学、腐蚀防护、结构强度、高分子材料、工程力学、电子电气、软件等多学科专业组成的人才队伍。现在固定人员 44 人,其中研究员 4 人、高级职称 27 人、中级职称 16 人、初级职称 1 人,硕博人员学历占比例为 72%。重点实验室建成后,紧紧围绕国家航空核心发展领域和重点型号研制需求为出发点,打造了一支国家级的高水平的腐蚀防护与控制科研团队,引领国内腐蚀防护与控制技术,培养优秀的学科带头人、建立结构合理的学术梯队、形成标志性的研究成果、打造学习型团队。


    实验室的发展目标为探索未来航空用新型结构腐蚀与防护技术及其应用的新原理、新概念、新方法,推动航空腐蚀防护与控制探索性、创新性的应用基础研究和关键技术研究,提供航空用腐蚀与防护技术及其应用创新的技术源泉,为航空厂所提供先进的腐蚀防护与控制技术;推动和引领先进结构腐蚀防护与控制技术的发展,为航空企业提供技术支持,实现我国航空用腐蚀与防护技术跨越式发展,成为国内一流、国际知名的航空腐蚀防护与控制技术应用基础研究基地。


    实验室秉承“开放、共享、互赢”的开放运行模式,以“提升理论研究水平、解决工程实际问题、促进产业发展”为指导思想,与国内航空、船舶、中电等主机厂 / 所以及科研院校进行了大量的技术交流与合作,开展了以型号背景为主导的基础理论研究、应用基础研究、应用技术基础研究和关键技术攻关相结合的、有目标的探索和预研工作,以及和成果应用研究相结合型号腐蚀防护与控制设计、分析与试验工作,目前全面参与了多款海军在研在役型号的腐蚀防护与控制设计工作,在我国航空装备型号研制和关键技术攻关中发挥了极其重要的作用;同时与欧美国家、俄罗斯、德国、荷兰等技术发达国家从事腐蚀与防护技术研究和应用的著名公司、研究机构、大学等进行了多种形式的交流与合作,对掌握腐蚀与防护新技术及国内外腐蚀防护与控制技术的发展动态、提高结构腐蚀防护与控制技术水平起到了积极的作用。


    记者:请结合当前我国航空装备的发展需求,谈谈航空装备腐蚀严峻性及航空装备腐蚀防护与控制发展的必要性。


    王浩伟:航空装备在恶劣的使用环境下,由于受到化学、热和气候环境要素与力学因素多种因素耦合作用下,极易发生严重的腐蚀问题。一方面,腐蚀可削弱结构强度,破坏飞机结构的完整性,影响飞机的正常使用,甚至危及飞行安全;另一方面,每年不得不投入大量的经费和人力进行腐蚀维护,造成巨大的浪费。据美国海军的统计数据:从1994 年到 2004 年的十年中,每年约 1亿平均维修工时用于解决腐蚀问题及腐蚀检查工作,平均 7.6 维修小时 / 飞行小时,占整个检查维修时间的 36%;由于腐蚀损伤,海军装备每年直接损失达10 亿美元左右;因腐蚀而引发的安全事故 224 件,涉及飞机 227 架,如 F-18飞机由于腐蚀造成起落架失效断裂等。美国海军曾明确提出,结构及设备等严重、广布的腐蚀损伤已成为当前航空装备头等重要的安全问题。


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    从国内来看,XX 航直升机的出现了严重的表面防护材料失效及机体材料腐蚀问题,使得部分直升机的服役寿命不及陆上飞机使用时的 20%。XX 飞机在青岛服役,由于在海上起降,且长期停放于青岛海边,环境恶劣,飞机的结构腐蚀情况相当严重,机身船体水线以下部分,机、尾翼结构腐蚀严重。铆钉、螺钉孔周围易于遭受腐蚀,有缝隙的部位都易产生缝隙腐蚀。腐蚀严重区域包括机翼梁缘条、蒙皮;机身船体蒙皮、长桁、龙骨梁;尾翼梁缘条、蒙皮等。通过对大修后服役 5 年的水上飞机预先确定的飞机结构 183 个重点部位的普查发现,发生腐蚀的部位有 77 处,其它损伤 20 处。其中严重腐蚀部位 39 处,一般腐蚀部位 38 处,该飞机每隔 5 年结构就要进行全机腐蚀修理。


    根据对国内外飞机,特别是海洋环境下使用的飞机的服役情况分析可见,腐蚀是影响飞机使用安全和寿命的关键因素,如腐蚀防护控制不当,将严重影响飞机的出勤率及服役寿命,增加维护成本。因此,腐蚀问题已经成为制约我国海洋环境下使用飞机研制及使用的重大问题之一。


    记者:贵所腐蚀防护与控制研究中心开展了 30 多年的腐蚀防护与控制技术研究,请介绍下贵所多年来的技术研究、技术储备以及技术成果转化运用情况。


    王浩伟:“八五”期间,中国特种飞行器研究所针对水上、水面飞行器生存环境的特殊性,在国内率先开展了腐蚀防护与控制技术研究,跟踪研究、解决水上飞机机体结构严重腐蚀问题。历经“九五”、“十五”、“十一五”和“十二五”,特别是 2009 年腐蚀防护与控制研究中心成立后,长期致力于军用、民用飞行器结构的腐蚀防护与控制及其对结构强度、寿命影响的综合技术研究,主持或参加了腐蚀防护与控制技术领域的多项大、中型预研项目,研究内容涵盖了腐蚀损伤的微观特性、腐蚀机理、腐蚀类型、腐蚀环境下的结构耐久性、腐蚀损伤容限(额定值)、腐蚀损伤剩余强度 / 寿命、腐蚀损伤动力学规律、腐蚀损伤失效模式 / 判据、腐蚀损伤监控与维修安全性以及材料 / 典型件 / 结构件环境损伤试验方法等,实现了飞机结构腐蚀 / 环境损伤被动控制技术向主动控制技术的发展;在水面飞行器等航空装备结构抗腐蚀综合性能设计与分析技术、腐蚀损伤评估分析技术、腐蚀损伤维护与修理技术等多个方面取得了突出的成绩。


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    中国特种飞行器研究所腐蚀防护与控制研究中心瞄准国外腐蚀防护与控制技术开展的相关研究,重点开展了腐蚀防护与控制技术体系的建立、防腐蚀技术的研究与提升、成果的转化与应用等,解决了型号研制中的腐蚀防护急需技术,缩小了国内外在腐蚀防护与控制技术方面的差距,形成了一批有型号应用前景的关键技术成果。通过多年的研究取得显著成果 30 余项,关键技术突破20 余项,成果应用 13 余项,在 10 个以上型号进行了应用。例如:通过研究形成的标准体系和指南,在 XX 直升机等多个重大型号的设计中提供了指导,推动了腐蚀防护与控制技术在型号上的实施;开展了先进的表面处理技术和防护材料研究并实现了工程化应用;成功研制出缓释剂、清洗剂等防腐蚀维护产品,填补了国内空白,并已在海军直升机和固定翼飞机试用,取得了明显的防腐蚀效果;近五年在结构腐蚀防护与控制技术领域获得集团及以上科技成果 9 项,其中国防科技进步一等奖 1 项、二等奖1 项,集团级科技进步一等奖 1 项,二等奖 3 项,三等奖 3 项,出版论著 3 部,颁布海军标 2 部,报批标准 5 部。


    记者:根据未来海洋环境下使用武器装备研制的技术发展需求,贵所如何利用腐蚀防护领域的技术、产品优势发挥武器装备型号在研制及使用维护维修中的作用。


    王浩伟:基于海洋大国的战略定位,我国航空装备出海 / 远洋执行任务次数不断增多。我国海洋环境下使用的飞机的研制及发展已经逐渐趋于体系化和系列化,目前在研及即将开展研制的多款海军型号飞机也已开始立项论证。这些装备面临严酷的湿热海洋环境和大过载、高应力环境的交互 / 协同作用,对装备的腐蚀防护与控制性能提出了更高的要求。


    中国特种飞行器研究所通过多年的预先研究,在腐蚀防护与控制技术研究领域有着雄厚的技术储备,具有型号研制过程中腐蚀防护与控制及外场维护与维修等工作经验,将继续开展基于新形势下的新技术、新材料、新工艺研究,提升技术储备能力和工程化技术水平,建立健全的型号研制腐蚀防护与控制研究保障体系。同时,将结合部队型号维护与维修工作,扩大新产品的研发和技术成果转化力度,全面提升腐蚀防护与控制管理体系构建能力、技术水平、设计水平、试验验证水平及维护维修保障能力,满足型号全寿命期腐蚀防护与控制需求。


    因此,为支撑我国航空装备使用环境下结构的腐蚀防护与控制,提高航空装备使用环境下的飞行安全性和出勤率,降低维修成本,中国特种飞行器研究所腐蚀防护与控制研究中心与航空工业有关设计、研究、制造和使用单位紧密合作,促进我国航空结构腐蚀防护与控制技术在应用基础理论、应用基础理论、应用技术基础和关键技术攻关方面的发展,解决结构腐蚀防护与控制中的重大技术基础问题、揭示结构在使用环境下的腐蚀基理、掌握结构腐蚀产生和损伤扩展规律、提供结构腐蚀防护与控制应用技术基础,构建新机研制及腐蚀防护与控制关键技术研究所急需的基础保障条件。


    记者:结构腐蚀防护与控制技术在航空装备应用方面未来的发展趋势如何?


    王浩伟:结构腐蚀防护与控制技术中服务于航空装备发展的先进技术很多,我们列举一些有代表性的技术来说明。首先是先进防护涂料技术,如:纳米颗粒改性的无铬预处理和底漆、高耐紫外防腐涂层、防污 / 自洁涂层、超疏水 / 疏油涂层、耐雨蚀弹性纳米涂层等。Akzo Nobel 公司采用基于镁的纳米颗粒代替铬酸盐,有效地防止了高强度铝合金的腐蚀,其无铬环氧底漆:37063、37076、CF37112、CF37124;无 铬 聚 氨 酯 底 漆:Aerodur CF Primer37047、Aerodur CF Barrier Primer 37045已在空客和波音飞机型号上广泛使用。而 Deft 公司无铬体系-预处理剂和底漆 09GY007(零 VOC)正在美国空军F-15 和挪威空军 F-16 战斗机上进行试验。针对紫外光辐射导致的表面漆层破坏和树脂降解的问题,国外已研制出特种聚氨酯涂料,该涂料试用 10 年后,光泽仍能保持 80% 以上;空客飞机试飞 10 个月后,漆膜光泽毫无变化。美国、俄罗斯发展了含氟弹性防雨蚀涂料,此涂料在 200 ~ 260℃下具有长期热稳定性;同时美国研发成功 AeroKret 纳米弹性涂层,上述两种涂层有效解决了200 ~ 260℃下高气动热的防护和亚音速飞机玻璃钢部件的雨蚀问题。未来航空涂料将向:底漆无铬、无铅化;底面漆体系高性能化,如高柔韧型、耐高温型、多功能复合型等;体系薄膜化和轻质化;涂料环境友好化,如高固体分、无溶剂、水性和紫外光(UV)固化方向发展。


    其次是先进腐蚀监测技术,国外基于电化学的腐蚀损伤监测技术实现了较大的技术突破,新型腐蚀损伤传感器可实现对 pH 值、离子浓度、失重率、湿度、温度和载荷的监控,已经在军、民用飞机上实现了工程应用。如美国海岸警备队在 HC-130、HH-60、HU25 飞机上安装了几十个薄片式腐蚀传感器,以监控结构的腐蚀速率及评定使用维护措施的有效性;美国海军将腐蚀监测传感器应用于 C-130、F-16、H-60 等飞机上,采集了 3-5 年的腐蚀环境或腐蚀速率数据,通过传感器对清洗周期、缓蚀剂和防护体系的性能进行了在线评价。


    最后谈一下结构腐蚀仿真模拟与预测技术,国外长期开展结构腐蚀技术研究,基础理论坚实,逐步达到了对结构腐蚀仿真模拟分析与预测。早期的腐蚀损伤预测技术主要是通过统计腐蚀数据规律来建立数学模型,利用数学模型推测腐蚀的发展和影响。此类方法由于仅从数学的角度建立了腐蚀时间和结果之间的关系,无法考察腐蚀各因素对结构的影响,不便于更深入的研究腐蚀。近年来从介观的角度进行的数值模拟方法已逐步应用于材料科学领域,尤其是腐蚀科学领域。美国弗吉尼亚大学利用元胞自动机技术建立的铝合金的 2D/3D 腐蚀扩展模型,首次实现了腐蚀损伤的三维仿真模拟。美国海军司令部为降低试验费用和周期,委托 GCAS 公司开发了全尺寸腐蚀模拟仿真专家系统和建模工具,称为加速腐蚀专家模拟系统(ACES),目前的 ACES 已经具备了均匀腐蚀、电化学腐蚀和缝隙腐蚀的分析能力,并且采用了飞机的 3D 模型。未来的腐蚀预测及仿真技术将会考虑更多的腐蚀因素,研究腐蚀及载荷损伤交互作用,同时具备多种腐蚀类型的分析模型,形成完整的腐蚀预测及仿真模拟方法,评定结构承受周期载荷和环境作用后发生腐蚀的概率及腐蚀的危险程度。


    后记


    采用合理的腐蚀防护设计和有效的腐蚀控制措施对保证飞机在使用寿命期内的飞行安全尤为重要。中国特种飞行器研究所结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室针对抗腐蚀设计与分析、腐蚀损伤分析与评定、腐蚀损伤维护与修理等三个我国航空工业急需的重要支撑技术进行全面深入的研究,引领本领域技术创新发展的需求,为我国特种飞行器产业的飞跃发展做出了重要贡献!我们衷心祝愿其百尺竿头更进一步!


    ●  人物简介

 

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    王浩伟,男,1966 年 11 月生,现任航空工业特种飞行器研究所研究员、副总师,结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室副主任,1990 年毕业于武汉理工大学工程力学专业,主要从事飞机结构强度设计和腐蚀防护与控制研究工作。现兼任腐蚀防护与控制研究中心主任,海军预研专家组专用航空装备组专家,中航工业航材中心表面工程分委会第五届委员会委员,中航工业特级技术专家,湖北省复合材料学会第六理事会常务理事。从“十五”至今,主持或参与海军预研、空军预研、国防基础科研、民机科研、集团创新基金和型号关键技术攻关项目 40 余项,包括多款军用飞机、水上飞机、地效飞机、地效翼船等型号总体方案论证工作。曾获集团公司科技进步二等奖 5 项、三等级 7 项;陕西省国防科学技术委员会一等奖 1 项;中国航空学会二等奖 1 项;集团公司预先研究个人二等功 1 次;2010 年获湖北省劳模;2011 年获省专项津贴;2014 年获集团公司“科技之星”荣誉称号。先后在《航空学报》、《腐蚀科学与防护技术》、《装备环境工程》、《力学与实践》等刊物上发表学术论文 20 篇,参与编著腐蚀类专著 5 部。

 

 

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标签: 王浩伟, 中国特种飞行器研究所, 航空装备, 防护腐蚀

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