飞机常用镀镉钢在机场道面除冰液中的腐蚀行为

张亚博，彭华乔，苏正良，王强，林修洲，张帆

（1.中国民航局第二研究所，成都610041；2.四川理工学院，自贡643000）

试验研究

飞机常用镀镉钢在机场道面除冰液中的腐蚀行为

张亚博1，彭华乔1，苏正良1，王强1，林修洲2，张帆1

（1.中国民航局第二研究所，成都610041；2.四川理工学院，自贡643000）

采用全浸泡腐蚀试验方法和电化学测试研究了飞机常用镀镉钢在机场道面除冰液中的腐蚀行为。采用能谱和红外光谱分析了腐蚀产物的构成。结果表明：在机场道面除冰液中，随着温度的升高，镀镉钢试件的腐蚀速率逐渐增大，镀镉钢的腐蚀不是纯扩散控制的电化学反应，阳极的电化学反应与镀镉层的腐蚀溶解有关；经过铬酸盐钝化后的镀镉钢和镀镉钛钢在机场道面除冰液中的腐蚀可能存在多个氧化还原反应，铬酸盐钝化产物也参与了电化学反应，腐蚀反应比较复杂；腐蚀产物中含有碳酸盐和磷酸盐；镀镉钢表面上的碳酸盐可能来自机场道面除冰液有机盐的分解，磷酸盐可能来自机场道面除冰液中的缓蚀剂或p H缓冲剂。

机场道面除冰液；镀镉钢；腐蚀行为；腐蚀机理；全浸泡腐蚀测试；循环腐蚀测试

表面镀镉是我国航空工业用高强度钢的主要防腐蚀手段［1］。飞机起落架及连接件等高强度钢部件的表面一般都会进行镀镉处理，以防止飞机用高强度钢产生氢脆腐蚀。飞机的某些零部件，在喷涂防护涂料前或维修时，也需要按照要求进行镀镉或者镀镉-钛保护处理，以降低飞机零部件发生腐蚀的可能性［2-3］。

在寒冷的地区，国内外各机场为了确保飞机冬季起降飞行安全，使用大量机场道面除冰液，防止机场道面结冰和积雪。但是，国内外机场和管理部门发现，大量飞机镀镉钢零部件表面的腐蚀与机场道面除冰液的使用有关，机场道面除冰液对飞机镀镉钢零部件的腐蚀不容忽视［4-5］。目前国内外机场道面除冰液的主要成分为碱金属有机酸盐，如乙酸钠、乙酸钾等，这些成分极易腐蚀飞机镀镉钢零部件表面［6-7］。

尽管国内外机场道面除冰液的标准中规定了一些相关的测试方法来评估除冰液对镀镉钢的影响，但缺乏对飞机常用的镉镀层在机场道面除冰液中的腐蚀行为和腐蚀机理的详细研究。本工作采用扫描电镜和电化学技术对飞机常用镀镉钢在机场道面除冰液中的腐蚀行为进行研究，以期明确飞机常用镀镉钢在机场道面除冰液中的腐蚀机理。

1 试验

1.1 试样

试验采用美国Blair Strip Steel Company公司生产的SAE AMS 6350钢［8］，其化学成分为：wC0.30％，wMn0.44％，wP0.01％，wS0.004％，wSi0.17％，wCu0.03％，wNi0.02％，wMo0.16％，wAl0.05％，余量为Fe。试样尺寸为25.4 mm× 50.8 mm×1.2 mm。用300号砂纸打磨试样表面，去除表面氧化皮后，按照如下方法对试样表面进行镀镉。

按照MIL-STD-870方法在试样表面镀一层厚度为12.7～20.3μm的低氢脆镉，记作试样A。按照SAE AMS-QQ-P-416中I型1类方法在试片表面镀一层厚度为12.7～20.3μm的低氢脆镉，记作试样B。按照SAE AMS-QQ-P-416中I型1类方法在试片表面镀一层厚度为12.7～20.3μm的低氢脆镉，然后进行铬酸盐钝化处理，记作试样C。按照BAC5804标准在试片表面镀一层钛的质量分数为0.1％～0.7％的镀镉-钛层，然后进行铬酸盐钝化处理，记作试样D。

1.2 试验方法

将A、B、C、D 4种试样分别浸泡在330 mL SAE AMS 1435机场道面除冰液中，在温度为35℃下，浸泡1，2，4，8，24，48，72，168 h后，用蒸馏水冲洗、2-戊酮清洗、110℃烘干并称量，计算浸泡前后试样的质量变化，然后将试片切割成15 mm× 15 mm，在扫描电镜下观察腐蚀后试片表面的微观形貌。

电化学试验在CHI660D电化学工作站上完成。采用三电极体系，镀镉钢试样为工作电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，铂电极为辅助电极，测试4种试样在机场道面除冰液中的Tafel极化曲线。极化曲线扫描速率为1 mV／s，扫描范围Ecorr± 300 mV。采用Thermo Fisher Nicolet 6700红外光谱仪进行红外光谱测试，分析试样B经浸泡试验后表面腐蚀产物的成分和组成。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀质量变化和微观形貌

由图1可见，与未经铬酸盐钝化处理的镀镉钢试样（试样A、B）相比，镀镉之后经过铬酸盐钝化的镀镉钢（试样C）试样和镀镉钛钢（试样D）试样的质量变化较小，这可能因为镀镉钢的铬酸盐钝化层具有较好的耐蚀性并且铬酸盐的钝化膜具有自修复作用，可有效防止镀镉钢在机场道面除冰液中发生腐蚀。试样A和试样B在机场道面除冰液中的质量变化非常相近，试样C和试样D的质量变化比较接近。

由图2可见，腐蚀前，试样B和试样A具有相似的微观结构，镀镉层表面为颗粒状，存在气孔和缝隙；经过机场道面除冰液腐蚀后，镀镉层表面呈现蜂窝状和纤维状，镀镉层腐蚀溶解明显，部分区域已经露出高强度钢基材。腐蚀前，试样C和试样D的表面为鳞片状，但是鳞片上存在较多裂纹。经过机场道面除冰液腐蚀后，试样C和试样D的表面均附着了腐蚀产物，鳞片状的结构被掩盖，镀层上的裂纹和缝隙被腐蚀产物覆盖，阻止了机场道面除冰液腐蚀镀镉层，使钝化后的镀镉层和镀镉钛层腐蚀速率迅速下降。

2.2 温度对镀镉钢腐蚀行为的影响

由图3可见，同一温度下，随着浸泡时间的延长，试样B和试样C在机场道面除冰液中的质量变化逐渐增大；随着浸泡温度的升高，2种试样的腐蚀速率逐渐增大，温度对镀镉钢在机场道面除冰液中的腐蚀影响显著。

2.3 电化学试验

由图4可见，SAE AMS 6350裸钢在SAE AMS 1435机场道面除冰液的自腐蚀电位为－370 mV；4种镀镉层的自腐蚀电位为－900～－1 000 m V，经过铬酸盐钝化后的镀镉钢和镀镉钛钢的腐蚀电位略高于未铬酸盐钝化镀镉钢的。由此可见，镀镉钢是以牺牲阳极的形式保护SAE AMS 6350钢不被机场道面除冰液腐蚀的。由图4还可见，四种镀镉钢在机场道面除冰液中的腐蚀不是纯扩散控制的电化学反应，阳极的氧化化学反应与镀镉层的腐蚀有关。铬酸盐钝化后的镀镉钢和镀镉钛钢在机场道面除冰液中的极化曲线存在多个极化过程，可能存在多个氧化还原反应，腐蚀反应比较复杂，钝化膜中的铬酸盐可能参与了电化学反应过程，极化曲线的中多个极化过程与铬酸盐钝化膜的氧化还原过程有关。

2.4 腐蚀产物的能谱和红外光谱

由图5可见，试样B的腐蚀产物主要含有C、O、P和Cd 4种元素，从腐蚀产物的红外光谱分析可看出，腐蚀产物在波数为1 425 cm－1存在强吸收峰，在1 075，858，722 cm－1存在弱吸收峰，此为碳酸盐中CO32－的特征吸收峰；腐蚀产物中含有碳酸盐，碳酸盐可能来自机场道面除冰液有机盐的分解。腐蚀产物在波数1 075 cm－1存在宽吸收峰，在541 cm－1存在弱吸收峰，此为磷酸盐PO43－的特征吸收峰，因此腐蚀产物含有磷酸盐，磷酸盐可能来自除冰液中的缓蚀剂或p H缓冲剂。

2.5 腐蚀机理分析

符合SAE AMS-QQ-P-416和符合MILSTD870的镀镉钢在机场道面除冰液中的腐蚀过程如下：

首先机场道面除冰液中的甲酸盐和乙酸盐氧化分解产生成CO2，在碱性条件下，CO2与机场道面除冰液中OH－形成碳酸根。

其次是镀镉层发生腐蚀溶解形成Cd2+，Cd2+与CO32－形成CdCO3，碳酸镉的溶解性较差，CdCO3在镀镉镀层表面附着形成薄膜。

机场道面除冰液中通常会添加含有磷酸盐的p H缓冲剂，磷酸根和Cd2+形成磷酸镉。

经过铬酸盐钝化后的镀镉层和镀镉钛层，在腐蚀过程中，铬酸盐钝化产物也会参与电化学腐蚀反应，电化学腐蚀过程比较复杂，电化学腐蚀过程涉及多个氧化还原反应，可能会形成铬酸镉、重铬酸镉等腐蚀产物［9］。

3 结论

（1）镀镉层和镀镉钛层经过铬酸盐钝化后，能有效防止镀镉钢在机场道面除冰液中发生腐蚀。

（2）镀镉钢在机场道面除冰液中的腐蚀不是纯扩散控制的电化学反应，阳极的氧化化学反应与镀镉层的腐蚀有关，而经过铬酸盐钝化后的镀镉层和镀镉钛层在腐蚀过程中可能存在多个氧化还原反应。

（3）SAE AMS-QQ-P-416镀镉钢在机场道面除冰液中的腐蚀产物中含有碳酸盐和磷酸盐，碳酸盐可能来自机场道面除冰液有机酸盐的分解，磷酸盐可能来自除冰液中的缓蚀剂或p H缓冲剂。

（4）经过铬酸盐钝化后的镀镉层和镀镉钛层，在机场道面除冰液中的电化学腐蚀过程比较复杂，铬酸盐钝化产物也会参与电化学腐蚀反应，电化学腐蚀过程涉及多个氧化还原反应。

［1］ 林修洲，李月，梅拥军，等.机场道面除冰液对飞机镀镉层腐蚀的研究现状与进展［J］.四川理工学院学报（自然科学版），2014，27（4）：1-4.

［2］ 彭华乔，夏祖西.机场道面除冰液镉板循环腐蚀试验研究［J］.航空维修与工程，2012（6）：89-90.

［3］ BAKER A，DUTTON S，KELLY D.Composite materials for aircraft structures［M］.2nd ed.Boston：Reston American Institute of Aeronautics and Astronautics，2004.

［4］ KORPINIEMI H.The effect of runway de-icing chemicals on the corrosion of cadmium coatings［J］.Exogenous Demctology，2002，24（1）：79-84.

［5］ SAI X.Impact of airport pavement deicing products on aircraft and airfield infrastructure［J］.Phs One，2008，9（3）：923-930.

［6］ HU Y H.Advances in CO2conversion and utilization［M］.Washington：American Chemical Society，2010.

［7］ WALRE R R.Principles and prevention of corrosion［J］.Materials＆Design，1993（3）：207.

［8］ Gigest A R.Alternative aircraft and pavement deicers and anti-icing formulations with improved environmental characteristics［J］.Acrp Research Results Digest，2010（9）：209-219.

［9］ HUTTUNEN-SAARIVIRTA E，KORPINIEMI H，KUOKKALA V T.Paajanen corrosion of cadmium plating by runway de-icing chemicals：study of surface phenomena and comparison of corrosion tests［J］.Surface＆Coatings Technology，2013（232）：101-115.

Corrosion Behaviors of Cadmium Plated Steel Used for Aircraft Caused by Runway De-icing Fluids

ZHANG Ya-bo1，PENG Hua-qiao1，SU Zheng-liang1，WANG Qiang1，LIN Xiu-zhou2，ZHANG Fan1
（1.The Second Research Insistute of CAAC，Chengdu 610041，China；2.Sichuan University of Science＆Engineering，Zigong 643000，China）

Total immersion corrosion test and electrochemical test were used to study the corrosion behavior of cadmium plated steel in runway de-icing fluids.EDX and FTIR were used to characterize the composition of corrosion products.Results showed that the corrosion rate increased with theincrease of temperature，the cadmium plated steel corrosion in runway de-icing fluid was not pure diffusion-controlled electrochemical reactions and the electrochemical reactions of anode were related to the cadmium plating layer corrosion dissolution process.After chromate treatment of cadmium plated steel and cadmium titanium plated steel，their corrosion in runway de-icing fluid may include multiple REDOX reactions，the corrosion reaction was complex because chromate treatment products were also involved in the electrochemical reaction.The corrosion products consisted of carbonate and phosphate.The carbonate formation was related to decomposing of organic acid salts in runway de-icing chemicals and phosphate was related to p H buffer agent or corrosion inhibitor in runway de-icing chemicals.

runway de-icing fluid；cadmium plated steel；corrosion behavior；corrosion mechanism；total immersion corrosion test；cyclic corrosion test

TG174

：A

：1005-748X（2016）11-0865-04

10.11973／fsyfh-201611001

2015-07-08

国家自然科学基金资助项目（U1333103）；中国民航局安全能力建设资助项目（AADSA0023）

张亚博（1981－），工程师，硕士，主要从事航空材料、航空维护化学品的理化性能、飞机相容性测试、飞机涂料性能测试等相关工作，028-64456030，Zhangyabo＠fccc.org.cn