摘要:结合目前国内外航空装备腐蚀防护控制技术研究情况,总结了该技术在设计规范、环境当量方法、防护涂层、材料、结构抗腐蚀设计、使用寿命评估和结构腐蚀试验等方面的若干新进展;并扼要叙述了该技术当前的主要研制需求,提出了近/长期研究工作的若干建议与展望。
关键词:腐蚀防护与控制;航空装备;进展与展望
飞机结构腐蚀损伤造成的结构安全问题与直接经济损失日趋严重,腐蚀防护与控制的要求日益提高,腐蚀防护与控制技术也得到了重视和不断发展。近年来,腐蚀防护控制技术应用已从单纯的腐蚀防护转为防护与控制并重;研究方向从材料、工艺及其表面防护扩展到综合考虑结构细节构型、局部环境、局部应力和变形等诸多设计因素及通风、排水、密封、缓蚀剂应用和可检性等设计方法;研究途径从使用经验与对比试验评定发展到使用经验、试验研究和分析评估并行;研究方法从定性和半定量迅速向定量发展;在试验方面,从简单的试样试验发展为试样、元件、构件/子构件的积木式试验,试验方法从单一环境条件到整个使用寿命期内所遭遇的综合环境条件,并要求能再现装备环境效应[1-8]。
1 航空装备腐蚀防护控制技术的新进展
1.1 最新设计规范中的腐蚀防护控制技术
在5飞机结构完整性大纲6美国最新版本5MIL-HDBK-1530B(2002. 7. 3)6[1]中已将/腐蚀防护与控制0与/损伤容限0、/耐久性0并列;在5飞机结构通用规范6美国最新版本5JSSG-20066[2]中对设计要求、参数和方法作了更全面、更详细的规定。
规范5MIL-HDBK-1530B6指出:/腐蚀防护和控制的目标是控制与腐蚀有关的维护费用,并保证不引起飞行安全/结构完整性的问题,同时腐蚀防护也应是研制和实施耐久性与损伤容限控制程序及机队管理程序的一个主要问题,而材料与工艺、表面处理、镀涂层都应是满足目标要应用的基础。其腐蚀防护与控制设计准则是:
1)允许使用中常规检查;
2)因漏检的裂纹、缺陷和其它损伤的扩展而造成飞机失事的概率减至最小;
3)使开裂、腐蚀、剥离、磨损和外来物损害的影响减至最小。
新规范5JSSG-20066规定的腐蚀防护与控制设计的总要求是:机体应设计成在设计载荷/环境谱作用下,在整个使用寿命期内必须具有足够的耐久性,其经济寿命按期望的裕度大于使用寿命,使能产生诸如漏油、操纵效率降低、座舱压力下降等严重问题的开裂与材料退化减至最少。机体结构在规定的使用寿命期内不应要求作任何检查,例如,美国F-15飞机要求10年内无须进行与腐蚀有关的定期维修[9]。另外,表面防护还应满足以下附加要求:
1)难以检查、修理、更换或过分增加用户经济负担的结构,在机体的使用寿命期内保持有效;
2)对其它结构,在规定的时间间隔内保持有效。
这些规定的时间间隔为使用寿命的一个百分比值,并与机体外场检查维修间隔相当。
新规范还对其特别要求的设计参数及技术作了较详细的规定,主要有:环境、材料和工艺、表面处理、结构抗腐蚀设计、无损检测和检查(NDT/I)等,详见参考文献[10]。
1.2 环境当量方法
目前有几种可行的方法:按电化学原理当量、按腐蚀量/腐蚀率当量、按寿命/寿命特征值当量[5]以及按统一的腐蚀损伤环境变量-环境严酷性指数当量[11]等方法。以下只扼要介绍环境严酷性指数当量的原理与基本方法。
在材料/结构腐蚀与单一环境类型/要素/强度关系基础上,按照5由电化学测量值计算腐蚀率和相关量的标准方法6(ASTM G102-89),引入并给出相应的环境严酷性指数(ESI,EnvironmentalSever-ity Index),并在一定工程假设下,给出在综合环境(由不同环境类型/要素/强度组成)作用下的ESI。同时,在腐蚀损伤等效原则下,用标准的环境类型/要素/强度及其作用时间当量化地表征多种不同环境类型/要素/强度及它们相应的作用时间(即环境谱)。
1.3 防护涂层
1.3.1 典型防护体系有效性试验研究
605所针对飞机结构3种常用材料(2A12铝合金、30CrMnSiA钢、TC4钛合金),筛选出22种防护体系(包括纳米涂料),进行了标准轴向疲劳光滑板材试样在典型海军飞机加速试验环境/载荷谱下的有效性试验研究[12]。有效期超过10年的试验结果列于表1中,可供海军新研飞机蒙皮腐蚀防护与现役飞机的改进改型和使用维护借鉴。尤其是2A12防护体系,在纳米涂层厚度仅有17. 5Lm的情况下有效性与某新型飞机蒙皮防护体系(氟聚氨酯涂层约70Lm厚)相当,其综合性能优于试验参照的海军某型飞机蒙皮现用的防护体系。所用的加速试验环境谱中包括湿热、紫外线照射、热冲击、低温疲劳、盐雾等环境。
1.3.2 缓蚀剂的推广应用
缓蚀剂用于结构装配件的最后一道防护,用以增强己有的防护体系,或在使用维护中用于涂层损伤处。在民用飞机中已大量使用,在军用直升飞机上也有很多使用。针对海军飞机需求, 605所选择4种缓蚀剂组合(AV8、AV8+AV100D、AV30、AV15),对2种材料(2A12铝合金、30CrMnSiA钢)的板材铆接和螺接试样在典型海军飞机加速试验环境谱下进行了有效性试验研究,结果见表2,推荐海军飞机铝合金结构使用缓蚀剂AV15或AV30。所用的加速试验环境谱中包括湿热、低温、盐雾等环境块。
1.4 材料
1.4.1 新材料及选用要求[12]
新材料选用要求主要包括各种金属材料、非金属材料选用原则、腐蚀特性、环境试验数据及在飞机结构上的限用要求。其中,金属材料包括当前最先进的结构钢AF1410、改性AF1410、AerMet100(AM100)、AerMet310;铝合金7A33、6A02、2214、2219、2524、2195、2197、7049、7050、7150、7055、7175、7475和钛合金。腐蚀性能分别参见图2、表3和表4。
1.4.2 新材料腐蚀损伤特性试验研究
对1420铝锂合金环境腐蚀行为进行了深入研究,采用铜加速乙酸盐雾腐蚀和EXCO溶液腐蚀的试验方法,并获得腐蚀损伤量值、概率分布及变化规律。主要结论如下[13]:
1)在铜加速乙酸盐雾环境和EXCO溶液环境情况下, 1420铝锂合金的腐蚀深度大多数服从Gumbel分布、正态分布、威布尔分布和对数正态4种分布,一般可采用正态分布来描述腐蚀损伤的概率分布;
2)铜加速乙酸盐雾环境下可采用表达式d=atb定量描述1420铝锂合金腐蚀深度随试验时间变化,如图3所示;
3) EXCO溶液环境下1420铝锂合金的腐蚀过程分为3个阶段:点蚀阶段,处于腐蚀初始阶段,腐蚀深度随时间增加而增加,其特征为点蚀;过渡阶段,处于腐蚀转化阶段,腐蚀深度变化不大,其特征是由点蚀向剥蚀过渡;剥蚀阶段,处于腐蚀快速增长阶段,腐蚀发展速度随时间增加而迅速加快,并呈现出明显的剥蚀特征,如图4所示。
1.5 磨蚀试验研究
磨蚀试验研究[12]包括试验件结构设计、摩擦副材料选择、试验载荷大小与加载设备确定、检测设备的选择及试验结果分析,其中很多工作在国内是首创。安装后的试验件与摩擦副组成(示意)、磨损量随时间的变化关系以及拟合曲线方程,分别如图5、图6所示。
2 腐蚀防护控制技术发展展望
2.1 技术研究与工程需求
当前重要的技术研究与工程应用需求包括[8]:
1)研制环境适应型的防护涂层,代替正被逐步淘汰的有害材料(如:铬化物);
2)开发并推广应用新腐蚀防护剂(CPCs),如去水型缓蚀剂,提高防护涂层的有效性和耐久性;
3)提供改进的腐蚀性能,指导应用先进合金材料和加工方法;
4)飞机去湿存储或特殊飞机可疑区域的去湿化;
5)研究检测隐蔽腐蚀与量化表征的技术;
6)腐蚀损伤级别确定与分区,为维护工作提供指导;
7)总结结构设计经验,改善结构抗腐蚀设计,控制应力与变形;
8)研究腐蚀概率和腐蚀增长规律,指导飞机寿命评估、预测与计划维护工作。
2.2 近/长期研究工作若干建议
主要建议项目为:
1)建立使用环境与实验室试验条件之间的联系,并制定能实行更精确模拟飞机使用期内腐蚀损伤加速试验的实验室试验方案;
2)评估新防护涂层环境适应的有效性和耐久性;
3)评估与实施腐蚀早期检测的方法;
4)确定前腐蚀损伤对材料基本力学性能,如弹性模量、屈服强度和断裂韧性的影响;
5)确定预腐蚀或嚗露环境对疲劳裂纹增长率的可能影响;
6)开展基础研究,支持CPC材料性能改进的研究工作;
7)主要腐蚀类型腐蚀率的量化表征;
8)研究确定控制涂层耐久性的基本因素;
9)确定已有缺陷特性(即:缺陷形态、点穴、晶间裂纹、机械缺陷)如何与严酷环境条件相结合,影响裂纹从小裂纹到与WFD相关尺寸裂纹的增长。
3 结语
腐蚀防护控制技术是航空装备安全、长寿命、高耐久性和低维修成本的重要保证,是装备全寿命期内(设计、制造、使用和维护)的重要工作,是装备结构完整性设计中与静、动、疲劳和损伤容限同等重要的内容。腐蚀防护控制技术的发展是长期而又迫切的任务,要从多专业/跨学科入手,近/长期结合,共同努力推动我国航空装备的现代化事业。
参考文献略
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