飞机用缓蚀剂性能分析

石志想，何卫平

（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）

飞机结构维修费用中的95%都与飞机结构内部和表面的腐蚀有关。据1996年的统计，美国民用飞机行业与腐蚀有关的成本费用每年高达22.25亿美元。国内某飞机维修企业通过统计其腐蚀成本发现，该公司5年来在B737和B757型飞机的定期结构腐蚀损伤修理的费用达696.5万美元[1—3]。

在飞机上使用缓蚀剂是一种成本低、操作方便的减缓或抑制飞机腐蚀的方法。缓蚀剂又称防腐剂，为石油衍生物和特殊添加剂的混合物，可通过防止腐蚀介质接触裸露金属表面，来保护飞机、导弹及其他设备的金属零件和部件[4—6]。缓蚀剂不仅可用于飞机服役过程中的维护，也可用于飞机零部件在制造、储存、运输以及飞机在长期停放过程中的防护。目前，缓蚀剂在国外飞机生产、维护中已得到广泛应用。美、英等国已将缓蚀剂列为军机腐蚀控制维护技术的一项重要内容[7—8]。

文中选择了具有工程应用经验的5种飞机用缓蚀剂：TFHS-15，LPS03316，Cor-Ban 35，Corrosion X Aviation和WD 40，选择飞机常用的不锈钢材料，通过GM9540P实验室加速环境试验谱，根据GB/T 1766—2008，按照涂层起泡、开裂、剥落、粉化、基体腐蚀和失光等6项指标，对试验件表面试件损伤/失效程度进行评定，并依据ASTM D1654-05对缓蚀剂的等级进行评定[9—10]。评定得出TFHS-15和Cor-Ban 35两种缓蚀剂的施工性和对试验件表面的防护性能最好，在军机中使用时可以有效预防飞机腐蚀。

1 飞机用缓蚀剂分类

1.1 常规分类

在飞机维护中，缓蚀剂可分为水置换型和非水置换型[11—12]。非水置换型缓蚀剂耐久性较好，适用于干燥表面或使用了水置换型缓蚀剂表面的防护。通过在材料表面形成较厚的阻挡层达到长期腐蚀防护的目的，对积水区或水流经结构可提供较好的腐蚀防护效果。水置换型缓蚀剂在应用时往往具有特定的功能，如润滑等，某些水置换型缓蚀剂也可在电子电气设备上应用。

水置换型缓蚀剂是应用较为普遍的一类缓蚀剂，具有良好的渗透性和水置换性，能迅速脱除材料表面和结构缝隙中的水分或其他电解质，同时沉积上一层保护膜[13]，可有效防止/延缓材料的腐蚀，作用原理如图1所示。目前，发达国家普遍使用水置换型缓蚀剂作为海洋环境中服役飞机重点腐蚀控制部位的附加防护材料。

图1 水置换缓蚀剂作用原理[13]Fig.1 Mechanism of corrosion inhibitors on metal surface

水置换型缓蚀剂分为以下几种：

1）水置换型渗透润滑缓蚀剂，适用于飞机结构中相对运动不频繁的铰链和装配连接件的清洗、润滑和维护。

2）湿膜水置换型自降解缓蚀剂，适用于飞机内部、外部结构、滑动部位的短期防护，可自降解，无需去除即可重新喷涂。

3）湿膜水置换型超薄膜缓蚀剂，适用于航空电子设备，包括电连接插头和接触片的防护，不影响设备电性能。

4）长效干膜水置换型缓蚀剂，用于飞机内部结构表面及缝隙处腐蚀预防、涂层破损处的临时防护等。

1.2 其他分类

此外，实际应用当中缓蚀剂的分类方法有多种。如可根据化学成分的不同分为无机缓蚀剂与有机缓蚀剂两种；根据缓蚀剂抗电化学腐蚀的控制部位不同可分为阳极缓蚀剂、阴极缓蚀剂以及混合型缓蚀剂；根据在保护构件上生成保护膜的种类不同可以分为氧化膜型缓蚀剂、沉积膜型缓蚀剂和吸附膜型缓蚀剂三种[14—15]。

根据使用周期的长短不同，还可将缓蚀剂分为长效和短效两种。缓蚀剂的使用周期即为其有效期。由于缓蚀剂具有临时性，在施加缓蚀剂之前必须确定其有效期，以便做好缓蚀剂去除和再涂覆计划，确保可提供持续性的腐蚀防护效果。缓蚀剂有效期的确定一般应综合考虑环境、产品类型及特性、使用区域等因素。最佳方案是对所选用缓蚀剂通过模拟使用环境试验和使用经验，确定其在各种条件下的有效期。

2 试验设计

试验选择了5种飞机缓蚀剂，其中，TFHS-15，Cor-Ban 35，LPS03316为长效重防腐水置换型，Corrosion X Aviation为短效湿膜水置换自降解型，WD 40为短效渗透润滑水置换型。试验分5组进行，对每组试样施加不同种类缓蚀剂后，再进行加速环境腐蚀测试，测试完成后分别对不同组的测试结果进行分析。试验中选取常用的飞机材料为30CrMnSiA结构钢试验件，连接形式为螺接，试验件的结构形式如图2所示。

图2 30CrMnSiA的试验件结构形式Fig.2 Sketch of 30CrMnSiA

2.1 方法

2.1.1 缓蚀剂施工方法

缓蚀剂施工方法包括刷涂、浸涂和喷涂等。刷涂适用于小区域涂覆，或者防止周围区域或设备涂覆缓蚀剂的情况；浸涂适用于小型分解部件的缓蚀剂涂覆，应使用材料与缓蚀剂相容的容器进行浸涂；喷涂适用于无限制大面积区域的涂覆，应该根据材料黏度选择合适的喷涂设备。

此外，选用施工方法还应考虑材料的黏度。一般情况下，低黏度材料使用喷涂方法；高黏度材料则使用刷涂和浸涂；浸涂适用于所有类型的材料。该次试验中TFHS-15，LPS03316采用刷涂工艺，Cor-Ban 35，Corrosion X Aviation和WD 40采用喷涂工艺。

2.1.2 加速使用方法

通过模拟海洋腐蚀环境，进行缓蚀剂的优选试验。试验环境由盐雾、湿热、干燥等3个环境模块循环进行（如图3所示），每个模块的试验时间为8 h，每一个循环为24 h，试验总周期为8天。各试验模块及参数：盐雾试验模块的测试箱温度为（49±2）℃，盐溶液中氯化钠的质量分数为0.9%，NaHCO3为0.25%，pH值为6～9；湿热环境模块的温度为（49±2）℃，相对湿度＞95%；干燥环境模块的温度为（55±2）℃。

图3 GM9540P加速腐蚀环境谱组成Fig.3 The environment spectra of GM9540P accelerated test

2.1.3 试验方法

试验前按ASTM G1-90充分清洗试验件，除掉油污、尘垢、油脂等污物。清洗后的试验件干燥后放在干燥器内短期保存（不应造成二次污染），等待试验。试验前，对试验件进行外观检查，不允许有微裂纹等其他初始缺陷/损伤。依次按盐雾、湿热、干燥加速试验环境谱的环境模块开展试验，试样应固定在支架上，应以与垂直方向成15°左右固定，并且相互之间不能接触，如图4所示。

图4 试验件摆放Fig.4 The layout of samples

测试时要求每天重复试验循环周期直至达到所要求的测试时间。在测试过程中，根据GB/T 1766—2008，按涂层起泡、开裂、剥落、粉化和基体腐蚀和失光等6项指标评定试件损伤/失效程度，测试样件应进行检查并在每个预定循环周期结束时拍照。8个试验循环周期结束后，根据ASTM D1654-05检查和分析试验件，并对各种缓蚀剂保护下的试样腐蚀程度进行等级评定。

2.2 缓蚀剂施工后的试样件

施加 TFHS-15，LPS03316，Corrosion X Aviation，Cor-Ban 35和WD 40等5种缓蚀剂后的试验件如图5所示，分析30CrMnSiA结构钢试样施加不同缓蚀剂后的形貌如下：

1）TFHS-15为微黄色的透明膜层，在施工过程中可以采用喷涂和刷涂，在此次施工中采用刷涂。

2）LPS03316为无色半透明状的硬膜，在此次施工中采用刷涂。

3）Corrosion X Aviation为无色透明软膜缓蚀剂，极易渗透试验件表面，形成一层疏水软膜，在喷涂过程中其膜厚比较薄。

4）Cor-Ban 35为透明状的棕红色硬膜缓蚀剂，施工过程为喷涂，使用前要用力摇晃均匀，否则会在试验件表面形成大量泡沫。

5）WD 40和Corrosion X Aviation较为相似，均为无色透明状的湿膜缓蚀剂。

图5 涂缓蚀剂试验件Fig.5 The samples coated with corrosion inhibitors

3 试验结果

3.1 试样形貌分析

3.1.1 涂TFHS-15试样

刷涂TFHS-15缓蚀剂的试样件在8个试验周期后表面形貌如图6所示。由图6可知，试验周期循环结束后，缓蚀剂无变化，试验件表面未见明显的腐蚀。由ASTM D1654-05可知，TFHS-15的防护等级为10级，这说明TFHS-15在加速腐蚀试验谱下腐蚀防护作用很好。

3.1.2 涂LPS03316试样

图6 涂TFHS-15试验件8个周期后腐蚀情况Fig.6 Corrosion of the samples coated with TFHS-15 after eight cycles

刷涂LPS03316缓蚀剂8个试验周期循环过程如图7所示。在1个周期结束后，发现试验件有少量的腐蚀产物产生。随着试验周期的延长，试验件的腐蚀情况加重，但腐蚀速率很慢，且腐蚀多发生在试验件的边缘，紧固件周围腐蚀现象较少。在8个试验周期结束后，腐蚀基本控制在一定区域，按ASTM D1654-05可知LPS03316的防护等级为8级。LPS03316缓蚀剂在加速腐蚀试验谱下能提供较好的腐蚀防护效果。

图7 涂LPS03316试验件8个周期后腐蚀情况Fig.7 Corrosion of the samples coated with LPS03316 after eight cycles

3.1.3 涂Corrosion X Aviation试样

喷涂缓蚀剂Corrosion X Aviation在第4，5，6，8周期中的表面形貌如图8所示，在第4个周期结束后，试验件有少量的腐蚀产物产生。随着试验周期的延长，腐蚀情况也随之加剧，腐蚀速率较慢。加速试验结果按ASTM D1654-05对试验件腐蚀形貌进行分析可知，Corrosion X Aviation的防护等级为9级。说明缓蚀剂Corrosion X Aviation在加速腐蚀试验谱下腐蚀防护作用比较好。

图8 涂Corrosion X Aviation试验件8个周期后腐蚀情况Fig.8 Corrosion of the samples coated with Corrosion X Aviation after eight cycles

3.1.4 涂Cor-Ban 35试样

喷涂缓蚀剂Cor-Ban 35的30CrMnSiA结构钢试验件在第1，3，5，8周期结束后试验件表面腐蚀状况变化情况如图9所示。可以看出，第3周期结束后试验件的螺接处开始出现盐粒的沉积。随着试验周期增长，盐粒沉积增多，但试验件表面未见明显的腐蚀产生，只是随之试验周期的延长，缓蚀剂的颜色变浅。按ASTM D1654-05可知，Cor-Ban 35类缓蚀剂的防护等级为10级。说明缓蚀剂Cor-Ban 35在加速腐蚀试验谱下腐蚀防护作用很好。

图9 涂Cor-Ban 35试验件8个周期后腐蚀情况Fig.9 Corrosion of the samples coated with Cor-Ban 35 after eight cycles

3.1.5 涂WD 40试样

喷涂缓蚀剂WD 40后试验件在8个周期加速试验中的表面腐蚀形貌变化如图10所示。可以看出，在第1周期结束后，喷涂WD 40试验件有极少量的腐蚀产生，但是随着试验周期的增长，喷涂WD 40试验件的腐蚀情况加剧，腐蚀速率很快。相比喷涂Corrosion X Aviation的试验件，腐蚀加重剧烈。在8个试验周期结束后，按ASTM D1654-05可知，WD 40试验件的防护等级为1级。说明WD 40类缓蚀剂在加速腐蚀试验谱下腐蚀防护作用很差。

图10 涂WD 40试验件8个周期后腐蚀情况Fig.10 Corrosion of the samples coated with WD 40 after eight cycles

3.2 讨论

由以上试验结果可以看出，喷涂LPS03316，Corrosion X Aviation，WD 40的试验件出现腐蚀，喷涂TFHS-15和Cor-Ban 35缓蚀剂的试验件未见腐蚀产生。Cor-Ban 35缓蚀剂则随着试验的开展，颜色有明显的变化，综合情况见表1和图11。

表1 试验件表面腐蚀状况变化Table 1 Corrosion of the samples

图11 缓蚀剂等级Fig.11 Grade of corrosion inhibitors

4 结论

在试验周期完成后，依据ASTM D1654-05可知，喷涂TFHS-15和Cor-Ban 35的试验件无腐蚀出现，缓蚀剂级别为10级。喷涂LPS03316，Corrosion X Aviation和WD 40的试验件有少量腐蚀，其中WD 40提供的防护效果最差，等级最低，因此实际使用中WD 40一般充当润滑剂和临时防护使用。

TFHS-15和Cor-Ban 35两种缓蚀剂是长效硬膜缓蚀剂，在使用过程中可以根据需要采用喷涂、刷涂或者浸涂使用，施工较为简单，使用性能最好。

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