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给飞机穿上防护衣使之延年益寿

2018-04-19 13:56:44
作者:刘建华
来源:北京航空航天大学

腐蚀是一个自然现象,在飞机中的腐蚀也是不可避免的一个问题。航空界因腐蚀问题造成的飞行事故频频发生 , 不仅直接影响飞行安全,还给航空机务工程工作带来了沉重的负担,并造成维修费用的提高和飞机寿命的降低。随着人们的不断重视,对如何保证飞机运行安全研究的不断深入,针对于飞机行业的腐蚀与防护问题也逐步系统和完善。现在从以下几个方面做简单的介绍。

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刘建华 北京航空航天大学二级教授、长聘教授、博士生导师

 

    随着人民经济水平的不断提高,飞机成为了人们旅游外出的重要交通工具。2018年春节期间(2月15日-21日),共运送旅客 1140 万人次,民航运行安全平稳。同时,飞机也作为重要的军事力量成为了国防中不可或缺的一部分。第五代战斗机F-22,F-35,T-50,歼 20 和歼 31 等,代表了各国顶尖的飞1用飞机,都希望在安全稳定的运行前提下,服役时间更长,功能更加齐全,成本逐步降低。然而,腐蚀是一个自然现象,在飞机中的腐蚀也是不可避免的一个问题。航空界因腐蚀问题造成的飞行事故频频发生,不仅直接影响飞行安全,还给航空机务工程工作带来了沉重的负担,并造成维修费用的提高和飞机寿命的降低。随着人们的不断重视,对如何保证飞机运行安全研究的不断深入,针对于飞机行业的腐蚀与防护问题也逐步系统和完善。现在从以下几个方面做简单的介绍。


    一、飞机行业的发展历程

 

    1. 飞机的发展

 

    1903 年莱特兄弟制造的第一架飞机“飞行者 1 号”在美国北卡莱纳州试飞成功,完成了人类想要翱翔天空的梦想。从此,飞机成为了现代文明不可缺少的交通工具。1910 年出现了最早的喷气式发动机。而在 1942 年德国澳海因成功的制造出第一架喷气式飞机(如图 2 所示),并在二战中喷气式飞机大显身手。在 1947 年,由美国贝尔公司成功试飞冲破音障的飞机。而如今,科技发展了半个多世纪,飞机的种类,数量,功能都有了翻天覆地的变化。如图 3 所示,追求高速,高灵活度的战斗机;追求安全,稳定的大型客机;追求更大运输能力的运输机等。不同类型的飞机出现体现了科技的进步和完善,代表了我们不断追求卓越的毅力。


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图1 莱特兄弟

 

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图2 第一架喷气式飞机

 

    2. 飞机行业腐蚀研究发展

 

    在追求性能优异的飞机同时,飞机由于腐蚀带来的严重人员财产损失引起了各方广泛的关注。目前,飞机的服役期一般都要在 20 年以上。从飞机的整体情况来看,飞机结构腐蚀比机械疲劳问题更为严重。在航空史上,因腐蚀问题造成的飞行事故屡屡发生,如 1985年 8 月 12 日,日本一架 X747 客机因应力腐蚀断裂而坠毁,死亡达 500 余人。英国彗星式客机和美国 FII 娥斗机坠毁事件,是国际上著名的应力腐蚀典型事故。在各方的共同努力下,不断完善对飞机行业腐蚀的研究,预防和维护,提高飞机的安全性,稳定性。


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    腐蚀对飞机结构的危害极大,主要表现在以下几个方面。第一,腐蚀使结构承力截面减小、使结构细节部位从非临界状态转变为临界状态,从而改变了应力应变的分布情况,引起应力集中,增加飞机飞行安全隐患,甚至导致飞机出现重大事故,例如,2002 年美国一架 F15 战斗机由于尾翼结构腐蚀断裂在空中解体。在民航方面,1981 年 8 月台湾一架波音 747 客机因机身下部结构腐蚀、蒙皮变薄,产生孔洞和裂纹导致空中解体,造成 150 多人遇难。我国一批杜 -4 飞机因结构严重腐蚀,因而提前1000 多飞行小时退役。2002 年台湾有一架波音 747 客机因机体结构腐蚀在福建海域坠毁,造成 250 多人遇难。第二,导致结构修理工作难度大大增加,其修理费用将大幅度增加。例如 1983 年美国 EA-6B“徘徊者”舰载电子战飞机每飞行小时只需要 1 个工时,而到 1997年由于飞机腐蚀越来越严重,每飞行小时需要腐蚀维修达到 8.7 个工时。第三,腐蚀导致主要承力构件提前生成裂纹,显著减少了零件的使用寿命。第四,腐蚀加速裂纹扩展,降低了材料的断裂韧性,减小了裂纹断裂的临界尺寸,使裂纹扩展寿命大大减小,严重影响飞机的正常使用、维护。


    飞机结构的腐蚀是世界航空界共同面临的重大问题,环境对飞机结构的影响受到发达国家的高度重视,从 60 年代开始,美国三军就率先开展了对沿海和海上军用飞机的腐蚀问题的调查,联合国内几所大学和研究机构立项研究如何解决腐蚀和确定在腐蚀环境下飞机的服役期问题,建立了专用的实验室和测试方法。北大西洋组织、瑞典宇航院(FFA) 等国家和机构都投入了大量资金和人力进行腐蚀防护及腐蚀疲劳机理研究,取得了大量的研究成果,并成功地应用于军用飞机的腐蚀控制。20 世纪70 年代后,北大西洋公约组织对飞机的腐蚀及腐蚀疲劳问题开展了较大规模的 CFCTP(corrosion fatigue cooperativetesting programme) 和 FACT(fatigue inaircraft corrosion testing)的试验研究。20 世纪八十年代后期,服役条件下的腐蚀环境对飞机结构寿命的影响受到西方发达国家的高度重视。美国军标中明确要求 : 设计制造商在飞机的设计制造过程中要考虑湿热、化学和气候对飞机结构的耐久性、损伤容限与试验验证的影响。先后制定了与腐蚀相关的一系列标准和规范,如:MIL-A-008866B,MIL-A-87221,MIL-A-8860B(AS),MIL-F-7179,MIL-STD-1568,MIL-HDBK-5,MIL-IIDBK-729,MIL-STD-810E 等。


    由于美军飞机从设计开始就考虑了服役环境的影响,因此其防腐设计及腐蚀控制技术较高。另外,澳大利亚的海军部门,也开展了类似的调查和研究工作。美国洛克希德公司用于腐蚀与防护方面的研究费用每年大约为数百万美元,二十世纪八十年代该公司佐治亚分公司对 F-18 飞机结构涂层防护体系的使用年限问题进行了大量试验研究,在研究中针对美国亚热带沿海区域环境对涂层的作用,提出了用温湿、紫外照射、热冲击、低温疲劳和盐雾五个环境块顺序施加的加速试验方法。美国空军也十分重视腐蚀在飞机上的应用研究,每年投入防腐研究的经费高达 30 亿美元。美英等国在八十年代末针对老龄飞机的延寿,开展了大量的加速模拟腐蚀试验研究,并均取得了有益的成果。北大西洋公约组织(NATO)、美国空军和海军、瑞典宇航院、澳大利亚国防科技部和加拿大国防部等相关研究机构,已对飞机铝合金的腐蚀及腐蚀疲劳开展了较大规模的研究,要求从飞机设计开始,就把腐蚀环境及腐蚀对结构完整性和损伤容限的影响考虑进去,颁布了 J SSU-2006《飞机结构联合使用指南》和 MIL-STD-15300《飞机结构完整性大纲》,从飞机设计、使用和维修的角度,要求做到从“生”到“死”的全程控制。最近,F-35 开发团队选择了 BAe 系统公司 ( 英国航空航天公司和马可尼电子系统公司合并 ) 开发的新型 sentinel( 在线 ) 腐蚀监测系统,用于飞机结构的腐蚀监控,而我国同步在飞机腐蚀监测系统开发方而的研究尚不多见。


    国内在 70 年代中期就开展了有关材料损伤容限分析及一些与环境相关的腐蚀与防护研究工作,但这些研究工作无论从深度还是实际应用的可能性都有一定的差距。真正系统的研究是进入 80年代以来,在我国海军飞机发现大量的腐蚀问题以后才开展起来的,多数集中在对海军飞机海洋大气环境下材料的失效或腐蚀因素的分析,腐蚀疲劳及应力腐蚀开裂,常规涂层的防护等方面。原航空工业总公司专门设立《AFFD》系统工程,从 1988 年起开展了飞机结构抗腐蚀疲劳损伤设计技术研究,并组织出版了有关飞机结构腐蚀疲劳方面的专著。二十世纪九十年代以来,由于飞机结构腐蚀问题日益突出,有关研究受到重视,并逐渐成为我国航空界的重要研究方向。研究人员从我国飞机腐蚀问题严重性和探讨解决问题途径出发,结合基础腐蚀理论,通过对国外有关研究成果的消化和发展,在九十年代初,我国多家研究院所单位编写了有关飞机结构腐蚀与腐蚀疲劳的著作。特别是从“九五”开始,在飞机结构抗腐蚀设计、环境谱与载荷 / 环境谱编制、腐蚀条件下使用寿命与日历寿命、加速腐蚀试验技术等多方面的研究广泛开展,并力图结合飞机设计加以初步应用,在这一研究过程中不断取得了许多可喜的成果。


    我国的飞机腐蚀与防护技术经过多年的发展,取得了很大的成就,但在新产品、新工艺技术、产品性能等方面与国外先进水平相比还存在一定的差距。如橡胶、树脂基复合材料等表面耐磨防护需求迫切;舰载机的发展及我国海洋大国战略定位,对先进高性能绿色环保表面处理技术需求日益迫切;国内部分单项技术较为先进,但缺乏覆盖全寿命周期的整体防护技术体系。同时,当前表面处理技术对环境和人体的危害仍然较大,不符合未来绿色环保的发展趋势。目前我国武器装备上的耐蚀防护技术主要依靠镀镉、阳极化等,耐磨技术主要是镀铬和部分 HVOF,化学氧化基本都含 Cr 6+ 。


    3. 飞机腐蚀防护研究的重要意义

 

    除上述提及的飞机失事的案例外,腐蚀导致的飞机失事仍有许多。环境腐蚀已经对飞机安全使用及军机的战斗力发挥构成了严重的威胁。腐蚀损伤会严重降低飞机结构的剩余强度和寿命,甚至产生无预兆的突然断裂,严重威胁着飞机及机组人员的安全。很多突发的安全事故都是由于前期的维护保养工作的疏忽酿成的。根据统计,每年因为腐蚀造成的事故占飞机全部损伤事故的 20%左右,尤其是老龄飞机。2000 年 5 月27 日,中国台湾华航的一架波音 747 飞机由于金属腐蚀疲劳造成尾翼裂纹,飞机坠入台湾海峡,225 人丧生;2008 年8 月一 9 月短短一个月时间内,分别在吉尔吉斯斯坦、西班牙和俄罗斯等地发生了三起老龄飞机安全事故,共造成约 300 多人遇难;2009 年全年,老龄飞机重大安全事故出现更为频繁。据荷兰NLR 航空运输安全研究所统计的数据,09 年全球空难总人数达 700 多人,比2008年多出200多人。2010年4月10日,搭载波兰总统的专机在境外坠毁 ( 已有26 年机龄 ),机上人员全部遇难。2011年 1 月 9 日,伊郎航空公司一架载有105 名乘客和机组人员的波音 727 客机在伊郎西北部城市乌鲁米耶附近坠毁,造成 77 人死亡,坠机原因是飞机年久失修。2012 年 4 月 20 日,巴基斯坦一架服役超过 30 年的波音 737 型飞机在巴首都伊斯兰堡附近坠毁,机上共载有127 人,全部遇难。这些血淋淋的教训告诉我们飞机的腐蚀防护,特别是一些老龄飞机,需要我们投入更多的精力和时间。


    另外,飞机防腐技术在国民经济建设中具有重大意义。采用腐蚀与防护技术可以有效控制材料失效,达到延长材料使用寿命,减少材料提前失效所引发的事故,提高材料使用的可靠性、安全性、经济性和耐久性,有力地节约资源、节能减排、发展低碳经济、支持国家可持续发展。


    美国民用飞机的设计日历寿命为20 年,起落次数为 2 万次,飞行时间是 6 万小时。美国军用飞机原设计寿命为 20 ~ 30 年,但是美国空军一再延长多种机型的日历寿命,例如 B-52H 战略轰炸机的设计日历寿命为 25 年,目前已分阶段延长至 49 年,并计划将总日历寿命延寿至 60 年,延寿的核心是依靠优质的涂层体系、腐蚀修理、防腐改进等。由于资源紧缺,一架大型军机的造价很昂贵。因此,对有使用潜力的老旧飞机延寿,是节省装备建设费的重要途径,美国这样富裕的国家也不例外。2008 年 10 月和 12 月俄罗斯接连发生两起米格 -29 飞机坠毁事故后,俄空军对在役的近 300 架米格 -29 飞机进行全面检查发现,大约有 80% 的飞机尾翼存在严重腐蚀,对飞机的飞行安全构成巨大隐患。对整个机群进行全面的安全检查评估,结果约有 90 架飞机需要淘汰,而其中一些飞机飞行时间还不足 150 飞行小时。造成重大的经济财产损失。可见,腐蚀和老化问题是导致这些飞机退役的直接原因。


    还有,通过飞机腐蚀防护技术不断更新和发展,对飞机在不同的服役环境下的腐蚀情况,防护工艺等都积累了大量的数据,对于不同材料的腐蚀机理有了更加深入的认识和了解,对新材料研发,制备,新工艺探索都有十分重要的促进作用。


    就飞机使用材料而言,发生了很大的变化。由最初的钢铁材料转变为铝合金、钛合金等轻金属材料,现在复合材料也在大量使用,在满足强度硬度的前提下获得更轻便的飞机。表 1 所示为美国军用飞机各种材料用量占基体结构总量的百分比。图4为波音787飞机(2011年投入服务)中各种材料所占比重。可以看出复合材料的使用越来越高。而对飞机的防护措施也有了极大的丰富和发展,各种涂镀工艺,各种缓蚀剂的添加,各种表面处理工艺等,用以满足飞机设计、制造和使用要求。开展对铝 - 锂合金、钛合金等新材料的表面处理技术研究,开展银 - 锑合金、锡 - 铋合金电镀等工艺研究,开展纳米镀、复合电刷镀、飞机清洗、缓蚀剂、去湿防腐、脱漆、高速火焰喷涂、复合材料修补、电刷镀、电刷阳极化、腐蚀膏等技术研究。


    二、飞机行业腐蚀简介

 

    1. 飞机行业的腐蚀

 

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图4 波音787飞机各种材料所占比重

 

    从腐蚀外部原因来看,潮湿的空气,海洋大气腐蚀,工业大气腐蚀和飞机内部腐蚀等。一般来讲,潮湿空气和地理环境具有十分密切的联系。飞机飞行地理环境非常复杂,并且受到季风影响明显。因此各地飞机的腐蚀问题也明显不同,东南、西南地区降水量及湿度比较大,腐蚀问题也更加严重。海洋大气的主要特点是含盐量高以及湿度相对较高。海水中含有大量氯离子,对飞机具有很强的腐蚀作用,氯离子通过海洋大气接触飞机,从而引起飞机腐蚀。工业大气中含有腐蚀性气体,例如二氧化硫,氮氧化合物等,对金属具有强腐蚀性作用。飞机的内部由于乘客的存在湿度较大,促使飞机结构件腐蚀。


    从飞机设计和制造来看,不同金属的零部件相接触,造成不同金属之间的电位差和导电通路,各个部件组装在一起时,缝隙会存水和脏物形成电解质,会造成电化学腐蚀;有些结构由于受力的需要又处于高应力状态形成应力腐蚀的根源;在飞机制造过程中,由于生产工艺不当,保护性涂层做得不好,缺乏腐蚀控制措施等等原因,都可能带来腐蚀的隐患;在飞机使用过程中,飞行环境的恶劣,飞机表面涂层损坏,运输易产生强电解液体的货物都会使机结构产生腐蚀问题;不恰当的飞机维修和勤务,也会使飞机面临更多的腐蚀问题。


    而就腐蚀类型上来说,主要发生的有点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等。下面对飞机上常见的几种腐蚀类型做简单的介绍。点蚀:在飞机许多部位易产生点蚀,比如,蒙皮、货仓、起落架等,由于表面电化学不均匀性,在表面微观缺陷、杂质、阳极性晶界处以及膜层的弱化处等等。缝隙腐蚀:发生在相似金属交接的地方,如果有水分进入,缝隙口的含氧量和缝隙内的含氧量不同,形成电位差,含氧量高的缝隙口处金属被腐蚀。一般出现在登机门门槛和货舱门槛处。晶间腐蚀:晶间腐蚀在飞机铝合金、不锈钢结构件常常发生,晶间腐蚀的原动力是晶间的第二相析出物的电极电位不同,造成晶间与相邻晶粒或附近贫化区的电位差别,从而破坏了晶间与相邻晶粒的结合力。应力腐蚀:是材料在化学侵蚀环境下与机械性拉伸应力同时作用下的结果。一般的腐蚀是以材料被剥蚀的型态出现,而应力腐蚀则以裂纹的型态出现,且表面几乎没有任何腐蚀物堆积的现象,因此很容易被忽略,形成潜伏的危险因素。造成应力腐蚀的四个基本条件是:敏感性合金、侵蚀环境、施加或残余拉伸应力、以及时间。一般出现在承受大载荷的飞机结构部位,如地板龙骨梁上,桁条,机翼前后翼梁上,下桁条等处。摩擦腐蚀:两个相连接结构件,由于振动造成的相对运动使结构件磨损,新的磨损表面暴露在环境中,摩擦所产生的微粒反过来又加速磨损和腐蚀。常见于承受高频振动的地方,如起落架的轮轴和操纵系统活动面的连接轴上。异电位腐蚀:异电位腐蚀的现象可说是电镀的逆过程。当两种或两种以上不同的金属材料搭接成电导通状态时,因为彼此间的电位不同,材料间就会有电流通过,加上潮湿的环境有类似电解液的功用,其中某一材料会产生坑洞状的腐蚀,并有硫化物、氯化物、氧化物的沉积。


    就不同的使用材料而言,其耐蚀能力和腐蚀情况也有所不同:


    (1) 铝合金件在飞机上大多用作承力构件的型材及蒙皮。蒙皮的腐蚀一般是漆层大面积脱落、鼓地、产生点蚀。腐蚀严重部位集中于紧固孔周围、接缝部位及其他件连接的结合面、蒙皮内表面与缘条、长析、隔框接触的部位。通常机身、机翼和尾翼的下表面蒙皮比上表面蒙皮腐蚀严重。用作承力构件的铝合金型材,腐蚀损伤后缘条鼓起,严重时出现层状剥离外观,腐蚀产物呈灰暗或灰白色的磷片状产物。


    (2) 钢 合 金 件 飞 机 结 构 中 使 用较多的合金钢件材料是 30CrMnSiA,30CrMnSiNi2A,40CrNiMoA 等以及一些钢镀件、紧固件。钢件腐蚀后轻者出现红褐色锈层,重者出现蚀坑、疲劳

 

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    (3) 镁、钛合金件飞机结构中使用镁或钛合金材料相对比较少。钛合金件的电极电位较高 ( ≥ +0.1 V ),一般不易发生腐蚀。镁合金材料电极电位较低,在海洋环境条件下容易产生电化学腐蚀,腐蚀后出现一块块白粉,擦掉则露出蚀坑。如飞机上常见的 ZM-5 合金框架,对应力腐蚀的敏感性比较大。


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    (4) 铜合金件在飞机上使用也较少,它具有较高的抗蚀性,但在某些特定条件下易产生“冷脆”、“季脆”、“氢脆”等缺陷。


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    (5) 复合材料件复合材料作为新型材料,在飞机上的使用范围正逐步扩大,从最初的次要受力构件到现在的主要受力构件。在使用环境及工作应力联合作用下,复合材料结构件会产生溶胀、溶解、化学裂解、渗透、开裂与老化等。


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    这主要是在酸碱等介质的浸蚀作用下引起的高分子化学键的破坏与裂解。


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图11  巴西戈尔航空一飞机飞行过程中左侧引擎蒙皮脱落

 

    2. 飞机行业腐蚀调查情况

 

    近期通过对中国民航波音机队腐蚀情况的调研,其中包括厦航,国航,东航和南航等 70 多架波音飞机。收集并筛选处所有腐蚀损伤条目,包括轻微腐蚀、1 级腐蚀和 2 级腐蚀。收集了主要构件重大腐蚀损伤修复的详细工作记录,腐蚀损伤报废件等。


    对腐蚀分布图的简要分析,可以得知腐蚀以机身下半球为主,龙骨梁 / 轮舱区域的腐蚀发生次数并不突出。如图5 所示,腐蚀区域主要有客舱区域、客舱门区域、厨房、卫生间结构、前货舱区域、前货舱门区域、后货舱区域、后货舱门区域、龙骨梁 / 轮舱区域、蒙皮等部位。不同部位的腐蚀后的照片如图6-10 所示。


    飞机蒙皮的作用是维持飞机外形,使之具有很好的空气动力特性。蒙皮的主要保护形式有面漆 + 底漆 + 阳极氧化层,具有良好的保护效果,不易发生腐蚀,在飞行过程中,蒙皮承受空气高速摩擦,加之蒙皮直接与外界接触,服役时间达到一定时间成为了飞机中极易腐蚀而导致失效的部件。在蒙皮腐蚀过程中,表面油漆涂层的老化破坏,环境中的腐蚀介质渗透铝合金表面的氧化膜层到达基体材料,然后基体材料出现点腐蚀坑,再进一步发展为其它腐蚀。光照,温度,湿度,腐蚀性粒子等的影响都会加速蒙皮腐蚀。


    飞机起落架也是一个主要的腐蚀发生的部位。腐蚀发生的主要原因是主起落架前耳轴周围的工作环境脏乱,螺栓、垫片等零部件暴露在潮湿的空气中,这些腐蚀介质逐渐侵蚀和破坏了原有的基体保护层体系。次要原因是飞机起降频繁,起落架在液压系统的作动下往复运动,支撑接头在液压和气动力的作用下产生微小的振动,振动造成该区域的零部件逐渐松动,一旦固定垫片的密封胶发生老化、松动或龟裂,潮气和尘土将进入结构缝隙,形成了主起落架电化学腐蚀的外部环境。另外,装配在一起的钢质垫片和铝合金支撑接头,如果垫片本体的镀层由于装配原因或电镀工艺质量发生了损坏,也容易发生电化学腐蚀。应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳是起落架失效的主要原因。而起落架主要材料 300M 钢(国内)对这两种腐蚀极为敏感。同时,起落架腐蚀修理不同于一般结构件的腐蚀修理,这是因为接近困难、工作空间狭小、修理工艺复杂、修复周期长、操作不当会产生难以弥补的严重后果。科学地理解其腐蚀原理,彻底去除腐蚀并加以有效防护,才能有效地降低维修成本。


    发动机是飞机的心脏,为飞机提供源源不断的动力来源。发动机叶片的腐蚀主要有应力腐蚀和热腐蚀,严重影响发动机的性能,寿命,成本和安全。如图 13 所示,为硫化腐蚀的涡轮叶片。硫化腐蚀是指金属叶片在高温环境下与含硫介质(硫、硫化氢等)作用,生成硫化物而损坏的过程,其产生条件是高温和含硫介质。硫化腐蚀后叶片内壁变薄,机械强度显著下降,遇到大应力作用时极易发生断裂。其主要特点是影响范围广,扩展速度快,故障较为隐蔽,后果比较严重。在世界范围内,高压涡轮二级转子叶片化已导致 42 起叶片断裂故障,其中造成 7 起空停事故。可见其危害性巨大。针对性的我们采用合理的工艺设计,材料选择,以及后期的维护来保证发动机叶片的正常工作。


    油箱也是飞机中经常发生腐蚀的地方。日本曾发生过微生物腐蚀整体油箱壁板导致油箱渗漏的事例。油箱中水为微生物的生长繁殖提供了条件,而燃油,密封胶,油箱填充物等提供营养,在合适的温度,pH等条件下微生物大量繁殖,破坏了油箱防护涂层,导致了对油箱的腐蚀。对于油箱的防护,首先要做到控制燃油的质量,保证水分不会超标;定期的进行微生物检测,抑制其持续不断的增长;尽可能的减少油箱中水分的存在;当油箱中出现污染后应做相关的清洁措施。


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图12 飞机起落架断裂导致的飞机事故

 

    各种飞机的多数关键零部件都出现过腐蚀故障,重大腐蚀事故多由发动机零部件引发;各种腐蚀类型都出现过,尤以腐蚀与应力协同作用发生的腐蚀类型(应力腐蚀、氢脆、镉脆、腐蚀疲劳)导致的故障危害最大;各种材料都发生过腐蚀,尤以高强度材料腐蚀及其与应力协同作用发生的故障危害最大。腐蚀故障引发过一、二、三等重大事故,造成过重大损失。


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图13 涡轮叶片硫化腐蚀

 

    3. 腐蚀评价标准的简单介绍

 

    一级腐蚀

 

    所谓一级腐蚀,是腐蚀属于局部性的。腐蚀程度较为轻微,然而,根据实践表明,主要是轻微腐蚀,以后会演变为大面积的腐蚀。因此,应当在发现轻微腐蚀后,采取相关措施清除腐蚀区域,保障飞机质量。


    二级腐蚀

 

    二级腐蚀是腐蚀面积较大,属于大面积腐蚀,采取一般手段修复或者清除损伤依旧超出相关标准的极限,应当采取相关措施补救,从而保障飞机的健康与安全。


    三级腐蚀

 

    三级腐蚀对于飞机飞行影响比较严重,是关键结构件出的腐蚀。三级腐蚀是程度最高的腐蚀,直接影响飞机性能以及安全性。腐蚀面积大并且集中在关键部件位置。应当立即采取相关措施进行补救。


    三、飞机中常用的检测方式和防护手段

 

    通过上面介绍,飞机腐蚀的危害极大,造成了大量的人员财产损失,同时对于飞机的运营维护都提出了苛刻的要求。如何能够提早的发现腐蚀痕迹并制定相应有效便捷的防护措施,对于飞机的安全运行有至关重要的作用。在飞机发展了一个多世纪以来,总结并发展了众多的检测手段,建立了较为完善的飞机日常维护手册,保证飞机能够得到正常的检修,完成每一次的航行。


    1. 检测方法

 

    (1) 目视检查

 

    目视检查是发现腐蚀的一个主要方法,有时也可以借助一些工具来提高目1大镜、内孔探测镜、内窥镜、柔性光纤内孔探测镜等。


    (2) 渗透剂检查

 

    渗透剂检查是一种快速有效的检查方法,它可以发现开口在部件表面上,而普通目视检查不易察觉的裂纹。渗透剂可以增强裂纹与其背景的对比。


    (3) 敲击检查

 

    敲击检查是利用一种带球头的小圆棒敲击部件表面的手工操作方法,并根据耳中听到的声音,来判断锤头下面部件厚度截面上的状态。因腐蚀和剥离造成的分层会改变材料的内聚力和强度,从而改变共鸣的频率。


    (4) 超声波检查

 

    超声波检查适用于大面积连续的腐蚀损伤,它对于可接近的连续厚度上的腐蚀,非常敏感。超声波检查常用于发现剥离腐蚀,应力腐蚀裂纹和材料的磨损。


    (5)X 射线检查

 

    X 射线线照相术便于检查复杂的结构,并可得到整个结构的俯视图像,还可以用来检查管状钢筒(柱),如扭力管的点状腐蚀。


    (6) 涡流检查

 

    涡流检查(主要指低频 ) 用于检查多层结构中,由于腐蚀和裂纹引起的厚度变化。涡流检测仪通过波幅和相位的变化,来区别分层翘起和裂纹。低频涡流检测技术非常适用于铝蒙皮与钦加强板之间的隙间或电化学腐蚀的检查,而高频涡流多用于检查应力腐蚀裂纹。


    (7) 声波放射检查 

 

    声波放射检查可以探测到结构被加热催化时,腐蚀过程产生氢气的噪音。这种方法对粘接的铝蜂窝结构的检查非常成功,但这种方法有一定的局限性,它不能检查出干燥的腐蚀区域,只能检查出湿的腐蚀和积存的水分。


    通过上述不同的检测方式,能够在发生腐蚀的早期对腐蚀部位,腐蚀程度有详细的了解,掌握腐蚀对飞机结构件的损伤情况,并针对性的进行修复,清除甚至是更换,使得飞机能够安全稳定的运行。


    2. 飞机的防护手段

 

    防护的方法种类繁多,包括表面处理工艺、涂料、漆膜、涂镀层等。随着飞机机体材料的改变,如采用结构钢、铝合金、钛合金、高强度钢、高强高韧铝合金等材料,防护方法也采用电镀镉、电镀锌、硫酸阳极化、钛合金阳极化、高强度钢低氢脆高耐蚀电镀、硼酸 - 硫酸阳极化、合金稀土转化膜、喷涂涂层、环保型高性能铝合金阳极化等新型工艺方法,以满足飞机设计、制造和使用要求。针对不同的材料种类,不同的腐蚀情况,不同的服役环境等,制定相应检修步骤,使得飞机能够安全稳定的工作。


    3. 飞机腐蚀防护的要点

 

    第一,腐蚀防护培训。应当加强对相关工作人员的培训以及教育,促使每个工作人员重视飞机腐蚀防护工作,自觉做好飞机防腐工作。只有全体工作人员对飞机腐蚀防护工作负起责任心,才能保障飞机腐蚀防护工作顺利开展。


    第二,保障排水系统通畅。飞机工作人员应当经常性检查飞机内部的排水管道,从而保障排水系统通畅。此外,飞机的货舱以及客舱等区域应当经常通风,从而保障飞机内部水分排出。


    第三,定期清洁污染区域。飞机工作人员应当经常性清洁飞机污染区域,对于电解质污染区一级强腐蚀介质区域应当喷涂防腐剂。


    第四,确保地板密封性。相关工作人员应当时常检查厕所厨房的地板十分密封,如果没有密封或者损坏,应当采取有效措施修复地板。


    第五,加强装卸管理。飞机装卸货物过程中,应当注意避免装卸货物造成飞机地板损坏或者腐蚀性物质进人地板,避免飞机结构性腐蚀第六,防止微生物滋生。飞机相关人员应当防止飞机油箱的微生物蔓延,确保油箱排水通畅,飞机油箱内应当定期加人杀虫剂,从而减少细菌滋生。


    第七,严格防腐工艺。确保飞机质量,避免飞机腐蚀。


    另外,飞机的设计图纸应当明确防腐蚀要求。制造部门对飞机图纸进行性严格的审查,包括飞机的外部构建以及结构零件等的审查。设计图纸中,明确防腐蚀的要点区域,从而方便相关工作人员日常维护。做好飞机的常规防腐蚀维护工作,定期对飞机进行清理,定时对飞机进行检查和修复。


    四、总结

 

    腐蚀防护是实现飞机结构长寿命、高可靠性、低维修成本的重要保证,为提高飞机(如大型客机、水上飞机、舰载机)的安全使用寿命、降低维护费用、保证飞行安全,必须认真研究探索飞机的腐蚀规律及腐蚀损伤机理,把传统的腐蚀控制技术与新兴的防腐手段结合起来,加强飞机设计、制造、机务保障等人员防腐意识教育与技能培训,改善维护手段,提高飞机的日常保养与管理能力,使飞机向“长寿命、高可靠性、良好的可检性和维修性”方向发展。


    由于国家对飞机行业腐蚀控制的重视,经过几十年的发展,飞机腐蚀与防护技术的研究和应用方面已取得了一大批的科研成果,已在飞机设计、制造和使用维护上得到了广泛的应用,产生了显著的社会效益和经济效益;基本完成了飞机腐蚀与防护技术体系的建立,不断发展各项技术储备,培养了一批包括国家级专家在内的腐蚀与防护基础理论和应用技术研究的人才。在满足我国飞机研制水平的同时,也有力的推动了我国腐蚀与防护技术的进步及应用水平的提升。


    ●  人物简介

 

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    刘建华,现为北京航空航天大学二级教授、长聘教授、博士生导师。1978-1986 年湖南大学本科、硕士毕业,1991 年日本神户大学博士学位毕业,1992 年晋升为教授,并荣获享受国务院政府特殊津贴专家称号。1993-1995 年加拿大国家科学研究院作为高级访问学者,1995 年 8 月至今任职于北京航空航天大学材料科学与工程学院。承担国家、省部级科学基金项目和重大项目十多项,研究工作涉及材料与装备的腐蚀科学、表面功能材料与先进防护技术、纳米材料与特种功能涂层技术、仿生材料与生物制造技术、超级电池电容器材料与技术、电化学测试技术、材料数据库与材料性能评价专家系统等研究。已在国内外主要刊物上发表论文300 余篇,其中大多数被 SCI 收录;获批国家发明专利二十余项,并获得省部级科技进步奖多项。2002 年起担任北京腐蚀与防护学会副理事长、常务副理事长,2013 年起担任中国腐蚀与防护学会副理事长。

标签: 刘建华, 飞机, 腐蚀, “防护衣”

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