航空发动机适航标准中镁合金材料使用要求

2014-03-06唐正府刘兴科任光明

航空标准化与质量 2014年6期

关键词：滑油镁合金航空

唐正府刘兴科任光明

（95899部队，北京 100076）

航空发动机适航标准中镁合金材料使用要求

唐正府刘兴科任光明

（95899部队，北京 100076）

针对镁合金材料在航空发动机使用中容易腐蚀而被限制使用的问题，从适航条款出发，结合案例分析，系统梳理了镁合金材料在适航标准、国内外标准规范中的使用规定，对比分析条款，总结归纳特点，为航空发动机材料选用提供参考借鉴。

镁合金；航空发动机；适航；标准

镁合金是最轻的金属结构材料，密度为1.75～1.85g/cm3。用于航空、航天飞行器中可以减轻结构重量，用于高速运行的零部件可以减少惯性力。镁合金的强度和弹性模量比钢、铝合金低，但比强度和比刚度较高，在相同重量的构件中采用镁合金可使构件获得更高的刚度。镁合金具有较好的阻尼特性，吸收冲击和振动能力高，适用于制造承受冲击和振动载荷的零部件。镁合金切削加工性能良好，有利于零件的机械加工成形。

镁合金耐腐蚀性能较低，尤其是镁合金铸件或铸锭中的氯化物熔剂夹杂，可导致镁合金制品耐腐蚀性能大幅度降低。为了提高镁合金的耐腐蚀性，国外采用无熔剂炼艺，即在惰性气体保护下的熔炼工艺。影响镁合金耐腐蚀性的另一重要因素是合金成份中的杂质含量。杂质中含有铁、镍、钴、铜等成分对镁合金的耐腐蚀性影响较大，国外对镁合金材料中杂质含量严格限制。镁合金在潮湿气候环境下抗腐蚀性能较差，使其在航空产品上的应用受到限制，国外在镁合金的研究与应用上一直致力于提高镁合金的抗腐蚀性能，主要是通过提高镁合金纯度的途径，最大程度降低合金中重金属杂质铜、镍、铁等的含量。

镁合金虽然重量轻、刚性好、抗冲击，在航空发动机上常被用于替代铝合金减轻零部件重量，但其抗腐蚀性差，使用时应特别注意。一是设计零件和组合件时应避免截面急剧变化形成凹槽和各种空腔，否则容易积水导致腐蚀；二是无论镁合金与镁合金零件接触表面，还是镁合金与其他合金零件接触表面，为防止接触腐蚀，需要用底漆、密封胶、润滑脂或其他涂层加强保护；三是当长期贮存或运输时，应对镁合金半成品或铸件进行氧化处理和油封，在大气条件下工作的镁合金零件和组合件需用非金属无机涂料和油漆层包裹。镁合金表面上的非金属无机涂层能够保证油漆层对金属有良好的附着力，并提高耐腐蚀防护的效果[1]。

1 案例分析

早期航空发动机的机匣和壳体广泛采用镁合金材料，如滑油传动壳体、滑油泵壳体、飞机附件机匣壳体和空气流道壳体等。其中滑油系统镁合金构件在工作过程中受各种因素影响腐蚀严重，报废量较大。

1.1 腐蚀原因分析

1.1.1 停放年限影响

在外场停放时间长、工作时间短的发动机，由于滑油系统内腔沉积容易导致腐蚀报废。而长期在外场工作的发动机由于没有沉积，仅有轻微腐蚀。

1.1.2 进水影响

由于维护不善导致滑油系统进水，滑油品质变坏，既影响发动机工作效率，又会造成镁合金内腔腐蚀。据外场不完全统计该故障曾经占到20%。

1.1.3 环境影响

在南方沿海地区，由于盐雾、湿热、霉菌的影响，滑油系统镁合金部件腐蚀严重。在温度高、湿度大的内陆地区，镁合金部件腐蚀也较严重。在靠近城市机场附近，由于热电厂、焦化厂、石油化工厂等排出烟雾（主要成分为SO2、Cl2、C等）飘落在机场上空，造成大气污染，加速镁合金部件腐蚀。

1.1.4 材质影响

早期航空发动机使用镁合金材料工艺简单，杂质较多，电位较低，抗腐蚀能力较差。

1.2 对策措施

（1）改善加工工艺，采用特殊处理，提高镁合金材料抗腐蚀能力。

（2）对外场长期存放的发动机定期起动，以便将发动机内部湿气及沉积在壳体内部的滑油吹走，防止长期沉积而导致滑油变质。

（3）加强外场防护，维修中拆卸下的零部件及时安装，注意防护，防止水分及杂质进入滑油系统内部腐蚀镁合金构件[2-3]。

2 适航标准中镁合金使用要求

在适航标准中明确对镁合金使用环境和使用许可进行了规定。

2.1 MIL-HDBK-516B《适航性审查准则》

MIL-HDBK-516B《适航性审查准则》是2008年由美国国防部颁布的，用于确定有人驾驶和无人驾驶固定翼和旋翼航空器系统的适航性，以确定航空器系统的适航审定基础。在航空器系统全寿命周期内任一时间，当需要确定适航性时，特别是功能基线或产品基线发生变化时，根据飞行安全要求，应用准则确保获得安全使用和维修的最低安全水平。

在MIL-HDBK-516B中第A.4.2.19“材料和工艺”一条明确规定：“对所有选择的材料系统和工艺方法，与所有适用的环境状态及法规的环境一致性必须加以验证……镁合金不适合盐水环境，并且在没有工程理由或未经采购方批准时不能使用[4]……”

2.2 CS-E《发动机合格证规范》

欧洲CS-E《发动机合格证规范》是对发动机颁发型号合格证和更改合格证的适航性规范，其中第130条提到镁合金的使用要求：许多用于制造发动机零部件的镁合金，当分得很细时，如镁屑或镁粉是非常易燃的。所以使用薄细的镁合金或者镁合金暴露于腐蚀、摩擦或高洗刷速度下时，应该仔细评定。在表明符合欧洲CS-E第130条款的要求时，申请方应该仔细评定整个系统设计发生镁火的可能性，及是否有响应防护措施。如果该评定不能排除发生镁火的可能性，则应该表明镁火能够限制在发动机区域内而不会导致危害性影响[5]。

3 通用标准规范中镁合金使用要求

在国内外通用标准规范中，也对镁合金使用有严格要求。

3.1 GJB 241A-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》

GJB 241A-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》是参考美国MIL-E-5007系列和MIL-E-87231系列军用规范的有关内容，结合我国航空发动机研制实际情况进行修订，根据航空发动机技术发展需要，对GJB 241-1986进行修订，补充了新技术、新功能、新系统、新材料、新结构以及新设计等方面的要求，增加了生产定型阶段验证，细化了稳定性、可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性等方面的要求。其中第3.3.1“材料、工艺和紧固件”一条中明确规定：“使用镁合金时，要得到使用部门的特别批准。”

GJB/Z 216-2004《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范使用指南》第3.3.1.1.1条对镁合金使用要求进行了解释说明：“由于不同的环境，在空军发动机上成功使用的材料，在海军发动机上使用可能会存在问题。如镁合金极易受到腐蚀，尤其是在海洋环境中，防护层上一个很小的针孔也会使镁合金腐蚀。国外的J79和T76发动机都曾发生过镁合金附件机匣或齿轮机匣被腐蚀的情况，因此镁合金应在采取措施的情况下视情使用[6]。”

3.2 JSSG-2007A《航空涡喷涡扇涡轴涡桨发动机联合使用规范指南》

JSSG-2007A《航空涡喷涡扇涡轴涡桨发动机联合使用规范指南》是在美国防务政策调整、防务预算费用大幅缩减、军方采办政策逐渐向商业采办转变，以降低采办成本、维持防务专用核心能力的背景下出现的，由美国国防部批准，适用于固定翼、旋翼、有人驾驶和无人驾驶航空器的动力装置，旨在供政府和工业部门项目组作为发展特定规范的指南。JSSG-2007A规定了燃气涡轮发动机的项目定义、性能、工作特性、可靠性、维护性、子系统、物理特性、总体设计、安装和界面要求，发动机合格鉴定重要研制阶段初始飞行许可、全面飞行许可、初始使用许可和工作能力许可的分析、检查、演示和试验程序。

JSSG-2007A《航空涡喷涡扇涡轴涡桨发动机联合使用规范指南》中第A.3.1.3条“材料、处理和零件”一条明确规定：“在发动机所有部位，应避免使用镁”。并在经验教训中提到：“镁合金是被限制使用的，因为它极易受到腐蚀，特别是在海洋环境中。在防护涂层中一个很小的针孔裂纹也会在防护涂层残存物的下面发生腐蚀。采用镁合金附件机匣的海军用发动机曾经发生过腐蚀而损坏。由于前框架安装孔和塔形轴界面使用不相容材料，装有镁合金机匣的空军用发动机曾经遭受了电蚀损坏。采用镁合金螺旋桨的齿轮机匣曾发生较严重腐蚀问题，后来采用铝合金代替了镁合金[7]。

4 对比分析及结论

综上所述，各适航条款和标准规范中对使用镁合金材料具体要求和解释说明对比情况详见表1。

4.1 镁合金材料不耐腐蚀

无论从镁合金材料机理，还是从外场使用情况分析，镁合金材料耐腐蚀性能较差，在沿海、湿热以及大气污染较严重地区，镁合金材料容易受到腐蚀而导致零部件损坏。这从MIL-HDBK-516B、GJB 241A-2010和JSSG-2007A等要求中均可以看出。

4.2 细小镁屑或镁合金粉末容易着火

航空发动机中镁合金构件，由于摩擦可能产生细小镁屑，在高温环境中极易着火，因此欧洲CS-E标准规定，应仔细评定发生镁火的可能性，并表明镁火限制在发动机内部而不会导致危险性影响。

4.3 镁合金材料通过采取措施可以有选择的使用

MIL-HDBK-516B、CS-E、GJB 241A-2010和JSSG-2007A都表明，镁合金材料可以使用，但应尽量避免使用，或经过使用部门许可，采取防火措施后限制使用，而不是不能使用。在现在航空发动机设计中，通过添加涂层，改善工艺，提高镁合金纯度，减少杂质，以大大提高镁合金抗腐蚀性，可以选用镁合金材料，以达到减轻重量的目的。