摘要:评述了我国航空材料腐蚀与防护技术的现状,主要介绍了我国在自然环境试验、户内加速试验、腐蚀机理和测试、高温防护涂层以及表面处理和防护技术,展望了我国航空材料腐蚀与防护技术的发展趋势及应用前景。
关键词:航空材料;腐蚀表面防护;高温防护涂层
腐蚀现象广泛存在于自然界和工业环境中。由于航空产品使用范围更广,服役条件更为恶劣,在自然环境中和工作环境下,腐蚀问题会很突出。例如英、美空军每架飞机每年因腐蚀造成的直接修理费用在11000美元~52000美元之间,而且腐蚀对飞行安全也造成很大威胁。又如涡轮是航空喷气发动机的关键部件,它在非常严酷的环境下工作,易受到高温氧化和热腐蚀的损害。通过防护提高涡轮叶片高温性能,使其能在更高的温度下工作已经成为制约飞机性能的关键技术之一。因此开展航空产品的腐蚀与防护的研究具有明显的经济和社会效益。
1 航空材料的腐蚀与防护发展现状
我国针对航空产品的腐蚀与防护的研究和应用起始于上世纪五十年代,经过几十年的曲折发展,取得了很大进步。目前在航空产品的常温腐蚀与防护上,已经进入了向国际接轨的发展阶段。在飞机发动机高温腐蚀和防护上,已经研究成功多种发动机部件所使用的中、高温防护涂层,部分涂层进入批量生产阶段,有些研究工作达到或接近国际先进水平。
111 自然环境试验
自然环境试验是在极端环境或典型环境条件下对航空产品及其材料、工艺、构件进行环境适应性研究。户外暴露试验是自然环境试验的基本手段,是研究材料和环境作用的试验基础。
我国已经对纯铝及几种常用的航空铝合金进行了二十多年的自户外暴露试验。研究发现一般铝及铝合金在海洋、工业、湿热乡村和潮湿城市大气暴露约3年后,表面会布满腐蚀产物,并伴有棕、灰、白、黑等均匀分布的点状腐蚀产物。硬铝LY12在酸雨地区有晶间腐蚀的倾向,而在湿热或湿热海洋性大气中还会发生剥蚀。如图1为LY12铝合金万宁暴露十年后剥蚀的电子显微镜照片。
目前我国户外暴露的试样不仅有平板金属试样,还包括部分实际工程用的非金属材料和受力件和构件。在试验设备和研究能力方面,初步具备了齐全的环境试验和研究的条件。例如北京大气试验站实验室面积已经达到900m2,设有气象观测实验室、化学分析实验室、材料性能检测实验室、微观分析实验室、电化学实验室、腐蚀实验室、腐蚀模拟加速实验室等。目前在户外试验数据分析处理、大气腐蚀监测器和大气环境腐蚀性分类等方面的研究取得了不小的进展。
112 户内加速试验研究
自然环境下户外暴露试验是评价材料大气腐蚀的基本方法,但试验的周期很长,远远不能满足材料研制、腐蚀控制、材料防护工程和科学研究的要求。为了更好地满足我国航空工业对快速评价材料环境适应性的要求,北京航空材料研究院发展了一种综合环境试验机[1],并发展了一种针对航空铝合金的综合加速试验谱。表1是该综合加速试验的加速试验谱。研究表明,同传统的加速试验相比,该综合加速试验能更好地模拟航空铝合金的大气腐蚀[2]。
113 腐蚀机理和测试技术研究
高强度航空材料在力学-环境因素的交互作用下可能会发生应力腐蚀而导致灾难性的事故。因此开展应力腐蚀的测试和研究是腐蚀和防护的一项重要内容。目前已经发展了一些应力腐蚀敏感性的测试标准[3~7]。这些试验标准在研究新研材料和引进飞机材料的应力腐蚀性能方面发挥了重要作用[8]。另外也有人设计了一些非标准的应力腐蚀试验来模拟试件的服役条件,试验的结果与实际情况符合的较好[9]。由于实际的应力腐蚀往往发生在大气环境中,所以设计了一种便携式拉伸应力腐蚀试验器[10],用于开展户外大气应力腐蚀的研究。图2是试验器结构示意图。
飞机结构往往由多种材料构成,在一定条件下不同材料的相互接触会导致接触腐蚀和电偶腐蚀。研究者对钢与铝合金和钛合金接触时的电偶腐蚀和防护方法进行研究[11,12],得到了很多对实际工程有指导价值的结论。随着复合材料在航空产品上得到应用,复合材料和金属材料接触时所引起的相容性问题开始得到人们的重视,并提出了一些防护措施[13,14,15]。
某型飞机承力框下半框7A04-T6铝合金与橡胶软油箱接触部位发生了严重腐蚀裂纹故障。研究表明[16]:这是由于在一定条件下橡胶抗老化涂层对铝合金的接触腐蚀所致。图3是在相同相对湿度条件下,几种橡胶抗老化涂层对铝合金的接触腐蚀作用。图3表明的不同涂层对于接触腐蚀有不同的作用,因此必须重视非金属材料和金属材料的接触腐蚀。总之,在腐蚀机理和测试技术研究方面,我国取得了不少成果,对指导工程应用起到了重要作用。
114 航空发动机高温防护涂层
航空发动机所用的高温防护涂层一般可分成扩散涂层(diffusion coatings)和包覆涂层(overlay coatings)。目前我国已经发展出多种发动机部件所使用的镍镉扩散涂层、渗A,l A-lSi料浆涂层、P-tAl涂层、包覆型MCrAlX涂层、热障涂层、抗氧化防脆化涂层、封严涂层等,部分涂层进入批量生产阶段。
MCrAIY涂层是一种包覆性涂层,它克服了传统铝化物涂层与基体之间互相制约的弱点,,进一步提高了发动机材料的抗氧化的能力。图4是通过真空电弧镀技术在实际发动机涡轮叶片上涂敷NiCoCrAlYHf高温防护涂层的样件。
随着航空燃气轮机向高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展,燃烧室中的燃气温度和压力不断提高,我国开展了热障涂层(thermal barrier coatings,简称TBCs)的研究。热障涂层是由陶瓷隔热面层和金属粘结底层组成的涂层系统。ZrO2是目前陶瓷隔热面层中研究最多的成分,图5是采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法制备的氧化锆陶瓷隔热层,可以看出隔热层呈现柱状晶组织。热循环试验证明柱状晶组织较普通的纤维状组织具有更高的抗热疲劳性能。另外我国还开展了纳米陶瓷热障涂层的研究,图6是纳米陶瓷热障涂层1100℃高温氧化动力学曲线,该涂层氧化动力学曲线呈比较明显的抛物线形状,在氧化进行到340h才开始失效。
116 表面处理和防护技术的研究
目前在航空工业中常见的表面处理和防护技术有电镀、阳极化、缓蚀剂、涂层等。为了满足航空工业的需要,国内开展了高强度钢低氢脆无氰镀镉-钛替代氯化铵镀镉的工艺应用研究。研究发现,镉-钛镀层的耐蚀性优于氯化铵镀镉镀层,且其氢脆性能也优于氯化铵镀镉镀层。图7为镀镉-钛+钝化后的镀层微观形貌。由于传统的铝合金铬酸阳极化会造成环境污染,而硫酸阳极化会影响材料的疲劳性能。因此我国开展了硼酸-硫酸阳极化工艺的应用研究。结果表明:硼酸硫酸阳极化耐蚀性满足航空工业的要求,并且不降低材料的疲劳性能。
为了在日常飞机维护过程中防止和减缓腐蚀,研制了一种飞机用的硬膜型脱水防锈剂[17]。该防锈剂施加在飞机表面,可自动去除表面水分和盐分,并很快形成透明硬膜。硬膜型防锈剂的特点是膜厚质地较硬、不易破坏,耐磨.不沾灰,保护期一般可长达半年至一年半时间,是飞机外场简便易行的一种防护材料。铝合金的化学氧化由于设备简单、操作方便、生产效率高、成本低等优点,也广泛应用于航空工业中。北京航空材料研究院研制的CJ-23型化学氧化工艺所得到的膜层耐蚀性好,成本低,在实际应用中取得了良好的效果。
防腐涂层是提高飞机环境适应性的最重要的防护手段之一,目前我国的防腐涂层正向高性能和环境友好等方向发展。另外国内在防腐密封剂、憎水剂等方面的工程化也取得很大的进步。
2 航空材料的腐蚀和防护技术发展展望
随着我国航空工业的发展,对腐蚀和防护技术提出了更高的要求,因此我国的腐蚀和防护技术将会得到更大发展。
211 自然环境中的户外暴露试验
在户外暴露试验方面,将进一步提高试验网站的环境试验能力和水平。如实现环境数据自动采集分析和处理;实现试验对象主要及关键性能的现场检测。
将通过自然环境试验开展新材料和先进材料环境适应性及其环境失效行为研究。如复合材料、铝锂合金、阻尼铝合金、新型铸造铝合金等新材料和先进材料环境适应性及其环境失效行为研究,为新材料和先进材料的应用提供依据。加强零件、部件、受力件、焊接件、涂层防护系统的环境适应性及其环境失效行为研究。加强整机环境适应性及其环境失效行为研究。为提高整机的环境适应性提供方向。开展早期和现场监检测技术研究,研究材料在环境中早期失效的行为,为预测材料的长期环境适应性提供依据,为实现预测-防护的技术路线奠定基础。
212 户内加速试验及户内外试验之间的相关性
应根据我国的环境特点和航空材料体系和防护体系,研制具有独立知识产权的加速试验设备、使试验设备向多样化、大型化、综合化发展;发展适合我国的加速试验方法,同时要在试验方法和试验手段上向国际接轨,满足我国航空工业对快速评价材料环境适应性的要求。
213 加强腐蚀控制技术及其应用研究
进一步提高已有腐蚀控制技术的工程应用水平,发展高性能、环境友好的防护技术如氟涂料、高速火焰喷涂、微弧氧化、离子镀铝等技术,以满足新一代航空产品腐蚀与防护的要求。
214 提高我国航空材料高温防护技术和工程应用水平
在现有研究基础上,大力开发新型高效涂层技术,研究多元、多层及纳米涂层以及高性能抗氧化防脆化防护涂层,加速涂层的应用研究。重视采用电子束物理气相(EB-PVD)等先进技术,从热障涂层寿命、隔热效果、质量检测等方面研究热障涂层工艺及应用技术。
215 加强腐蚀和防护工程管理
加强控制腐蚀和防护措施、方案、标准、规范等的制订,进一步开发腐蚀和防护数据库平台、环境适应性知识库,进行人员培训,开展航空腐蚀工程系统控制技术研究。使将环境适应性控制贯穿于设计、维护和日常管理上。
3 结束语
我国的腐蚀和防护研究在过去为我国航空工业的发展做出了应有的贡献,在户外暴露试验、户内加速试验研究、腐蚀机理和测试、航空发动机高温防护涂层以及表面处理和防护技术等方面都取得了不小成绩。未来将重点发展自然环境试验、材料环境适应性、户内加速试验及户内外试验之间的相关性、腐蚀控制技术及其应用、航空发动机高温腐蚀和防护技术和腐蚀和防护的管理等方面。
参考文献略
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