何周理，劉衛(wèi)

（1.中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210； 2.中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，北京 102209）

引言

腐蝕對(duì)于金屬材料，是指和周圍介質(zhì)（如水或油等液體）發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，或是在介質(zhì)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(xiàn)象。金屬腐蝕已經(jīng)導(dǎo)致多起民用飛機(jī)安全事故，1981年8月22日，臺(tái)灣民航一架波音737客機(jī)，因?yàn)闄C(jī)身貨艙下部壁板發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕而導(dǎo)致飛機(jī)空中解體；2007年2月21日，印尼亞當(dāng)航空公司一架波音737客機(jī)由于龍骨梁嚴(yán)重腐蝕導(dǎo)致飛機(jī)降落時(shí)機(jī)身折斷，險(xiǎn)些釀成災(zāi)難性事故[1]；2000年5月27日，臺(tái)灣華航一架波音747飛機(jī)由于金屬腐蝕疲勞造成尾翼裂紋，飛機(jī)最終墜入大海[2]。

金屬腐蝕不但影響飛機(jī)安全，而且腐蝕的維修成本高昂，嚴(yán)重影響民用飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。在國內(nèi)外運(yùn)輸類飛機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［3-5］中的“結(jié)構(gòu)保護(hù)”章節(jié)有明確要求：飛機(jī)每個(gè)零件必須有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，以防止使用中由于腐蝕等原因引起性能降低或強(qiáng)度喪失。目前國內(nèi)外對(duì)民用飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)的腐蝕已經(jīng)開展了許多相關(guān)研究，包括腐蝕機(jī)理研究[6,7]，腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究[8,9]，腐蝕修理以及腐蝕防護(hù)研究[10,11]，但是對(duì)于民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)腐蝕防護(hù)的具體設(shè)計(jì)方法相對(duì)較少。

1 機(jī)身內(nèi)部腐蝕分區(qū)

民用飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要對(duì)機(jī)身內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行腐蝕分區(qū)，便于對(duì)不同的腐蝕區(qū)域采取合適的防腐蝕措施。

圖1 典型民機(jī)機(jī)身內(nèi)部區(qū)域環(huán)境類別

圖2 典型民機(jī)機(jī)身內(nèi)部壁板腐蝕分區(qū)示意

腐蝕分區(qū)的第一步是對(duì)參考機(jī)型在役飛機(jī)的腐蝕情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)機(jī)身內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行腐蝕分區(qū)。目前參考機(jī)型主要包括波音、空客等主流機(jī)型；腐蝕數(shù)據(jù)主要來源于維修基地定檢時(shí)的腐蝕維修記錄，以及航線常規(guī)性例行檢查中發(fā)現(xiàn)的腐蝕記錄；如劉延寬等收集了兩種常見型號(hào)（A 型、B 型）的39 架國內(nèi)在役寬體客機(jī)近10 年的腐蝕損傷數(shù)據(jù)[12]。以計(jì)數(shù)的方法統(tǒng)計(jì)腐蝕區(qū)域的腐蝕頻率，確定易腐蝕區(qū)、較易腐蝕區(qū)和一般腐蝕區(qū)。

腐蝕分區(qū)的第二步是基于腐蝕影響因素進(jìn)行環(huán)境分區(qū)。飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)部件的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)取決于該部件所處的環(huán)境條件。一般根據(jù)區(qū)域內(nèi)水及各種液體積聚的概率、區(qū)域的可接近性和損傷風(fēng)險(xiǎn)，將環(huán)境條件分為三類。

1）A類：接觸空氣，通常為干區(qū)且易接近的區(qū)域；

2）B類：接觸燃油的區(qū)域；

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

①C1類：接觸水、濕氣，偶然接觸其他液體的區(qū)域，且具有很高的意外損傷風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；

②C2-1類：接觸水、濕氣，經(jīng)常接觸其他液體的區(qū)域；

③C2-2類：接觸水、濕氣，其他液體易積存且難以接近的區(qū)域。

環(huán)境類別僅適用于飛機(jī)的內(nèi)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(qū)域。典型民機(jī)機(jī)身內(nèi)部環(huán)境類別劃分如圖1所示。

表1 腐蝕分區(qū)過程表

腐蝕分區(qū)的第三步是基于結(jié)構(gòu)重要性進(jìn)行區(qū)域分區(qū)，分成重要、較重要、一般部件三個(gè)等級(jí)。對(duì)安全性有重要影響的部件，需提高腐蝕分區(qū)等級(jí)，加強(qiáng)防護(hù)措施。對(duì)于機(jī)身一些重要結(jié)構(gòu)部件，一旦腐蝕，將導(dǎo)致產(chǎn)品不能完成主要任務(wù)，危及人身安全等危險(xiǎn)，需定義為重度腐蝕區(qū)，比如龍骨梁結(jié)構(gòu)。

綜合上述民機(jī)腐蝕分區(qū)的三步法，可按照表1的分析步驟，將全機(jī)分為輕度腐蝕區(qū)、中度腐蝕區(qū)以及重度腐蝕區(qū)。由于機(jī)身內(nèi)冷凝水線以下區(qū)域，機(jī)身內(nèi)壁形成液膜的概率較大，因此冷凝水線以下的區(qū)域被定義為中度及重度腐蝕區(qū)。冷凝水線的位置可能因?yàn)闄C(jī)型不同而不同，典型民機(jī)機(jī)身內(nèi)部壁板腐蝕分區(qū)示意如圖2所示，典型民機(jī)機(jī)身內(nèi)部框截面腐蝕分區(qū)示意如圖3所示。

2 機(jī)身結(jié)構(gòu)材料分組

在明確了飛機(jī)機(jī)身內(nèi)部腐蝕分區(qū)之后，還需要明確結(jié)構(gòu)材料分組。目前民機(jī)結(jié)構(gòu)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(fù)合材料主要是指碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中存在大量的互相連接、搭接、配合的不同材料。對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)異種材料接觸時(shí)，電偶腐蝕現(xiàn)象容易發(fā)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(duì)應(yīng)的數(shù)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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(jié)構(gòu)接觸時(shí)，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(duì)同類或不同類的結(jié)構(gòu)之間采取的防腐蝕措施也不相同。

3 機(jī)身內(nèi)部腐蝕防護(hù)

在民用飛機(jī)零件設(shè)計(jì)時(shí)，零件表面保護(hù)有不同的方式，一般可分成無機(jī)防護(hù)層（表面處理）和有機(jī)涂層（涂漆）兩類。零件表面無機(jī)防護(hù)層主要包括陽極化、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、鈍化等；零件表面有機(jī)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(xué)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(jù)電化學(xué)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(xué)轉(zhuǎn)化膜：用阿洛丁（Alodine）化學(xué)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(jīng)強(qiáng)氧化劑或電化學(xué)方法氧化處理，使表面變?yōu)椴换顫娂粹g化的過程。一種化學(xué)處理方法，用以移除表面的污染物，形成一層非常薄保護(hù)性金屬氧化涂層，以增加抗腐蝕和改善后續(xù)有機(jī)涂層的粘接力。

圖3 典型民機(jī)機(jī)身內(nèi)部框截面腐蝕分區(qū)示意

表2 不同材料的電化學(xué)活性和相容性

表3 航空材料異電位分組

4）底漆：一種有機(jī)涂層，應(yīng)用于金屬表面，以增強(qiáng)抗腐蝕性能。

5）面漆：一種永久有機(jī)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(jī)屏蔽涂層，用于改進(jìn)由于冷凝水、水聚集和不同金屬裝配在一起時(shí)的腐蝕抵抗能力。

上述零件表面保護(hù)可單獨(dú)使用，也可組合使用，但并不是表面保護(hù)越多越好，因?yàn)轱w機(jī)零件設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性設(shè)計(jì)，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(jī)機(jī)身內(nèi)部腐蝕分區(qū)、機(jī)身結(jié)構(gòu)材料分組之后，就可以選擇合適的防護(hù)措施。同類材料連接和非連接表面保護(hù)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(hù)見表5。

復(fù)合材料具有密度低，比強(qiáng)度和比剛度高，以及裂紋擴(kuò)展速率較低等特點(diǎn)，歐美大型飛機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)正從以鋁合金為主過渡至復(fù)合材料為主[13]。復(fù)合材料本身耐腐蝕性能非常良好，由于本身電位較高，當(dāng)與其他金屬接觸時(shí)，使其他金屬產(chǎn)生腐蝕。根據(jù)表3所示，鈦合金或耐蝕鋼等與碳纖維復(fù)合材料相容，鈦合金或耐蝕鋼只需按照表4進(jìn)行表面保護(hù)即可；鋁合金及非耐蝕鋼等與碳纖維復(fù)合材料不相容，需按表6進(jìn)行表面保護(hù)。

另外，對(duì)于飛機(jī)內(nèi)部的中度腐蝕區(qū)和嚴(yán)度腐蝕區(qū)，還將在結(jié)構(gòu)上施加額外的腐蝕防護(hù)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。腐蝕抑制劑應(yīng)當(dāng)在完成裝配和噴涂之后進(jìn)行，并涂覆到所有金屬表面，且應(yīng)當(dāng)超出金屬結(jié)構(gòu)零件和相鄰的復(fù)合材料零件，包括密封劑。輔助有機(jī)屏蔽涂層，用于改進(jìn)由于冷凝水、水聚集和不同金屬裝配在一起時(shí)抵抗腐蝕的能力。

表4 零件通用表面保護(hù)

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(fù)合材料與鋁合金/非耐蝕鋼連接

4 結(jié)語

根據(jù)民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，綜合機(jī)身內(nèi)的腐蝕統(tǒng)計(jì)、環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)重要性三個(gè)方面，給出了民機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的腐蝕分區(qū)方法；同時(shí)對(duì)常用民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的電化學(xué)活性和相容性進(jìn)行排序和歸類；最后針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)組合，制定了不同的表面防護(hù)措施，以滿足民用飛機(jī)腐蝕防護(hù)需求。對(duì)于民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防腐蝕設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性設(shè)計(jì)，除了結(jié)構(gòu)表面防護(hù)外，還應(yīng)考慮機(jī)身通風(fēng)排液設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)形式的合理性、材料和工藝的選擇，緊固件防護(hù)等因素，只有全面考慮，才能達(dá)到腐蝕防護(hù)的最佳效果。