直升机蒸发循环核心部件耐腐蚀技术研究

仇振安，包 睿，毛 阳，杨国茹

(1.陆军航空兵军代局驻洛阳地区军事代表室， 河南 洛阳 471000；2.新乡航空工业(集团)有限公司，河南 新乡 453049 )

直升机蒸发循环核心部件耐腐蚀技术研究

仇振安1，包 睿1，毛 阳1，杨国茹2

(1.陆军航空兵军代局驻洛阳地区军事代表室， 河南 洛阳 471000；2.新乡航空工业(集团)有限公司，河南 新乡 453049 )

对直升机蒸发循环蒸发器、冷凝器腐蚀机理及常用耐腐蚀技术进行了介绍，分析了我国直升机蒸发循环核心部件耐腐蚀技术研究的迫切性。分析了国内外军民用换热器防腐蚀评价方法，提出采用SWAAT试验方法代替GJB150A作为直升机蒸发循环蒸发器、冷凝器耐腐蚀评价准则。通过对不同的扁管材料、不同的扁管喷锌量及不同材料翅片进行SWAAT耐腐蚀试验及试验结果分析，得到直升机蒸发循环用蒸发器、冷凝器的防腐设计基本准则，为国内直升机蒸发循环系统研制提供参考。

直升机；蒸发循环；耐腐蚀

0 引言

由于直升机经常在高温、高湿环境中工作，为降低驾驶员的体能消耗，改善机载电子设备的工作环境，提高电子设备的工作可靠性，需采用高效的蒸发循环系统对直升机舱内进行降温、除湿。蒸发循环制冷方式在直升机环控系统中较为普及。

众所周知，海洋环境对直升机上各种金属构件特别是铝制产品具有很强的腐蚀作用。在蒸发循环系统中，为降低蒸发器、冷凝器的产品重量，提高换热效率，通常采用的是全铝薄壁件，制冷剂的流道壁厚通常只有0.3～0.5mm，这就使得在海洋环境中使用时，若不进行有效的防腐处理，极易发生腐蚀泄漏，丧失制冷功能。可以预测，随着直升机装备数量和使用时间的增加，特别是执行远洋任务次数的增多，该问题将逐步凸显，影响直升机在沿海地区任务的正常进行。目前，直升机蒸发循环在国内尚未形成统一的防腐试验和技术标准，因此需要对直升机蒸发循环耐腐蚀技术进行研究，找到符合我国海洋环境下直升机使用需求的技术解决途径和评价准则。

1 现状

蒸发循环系统受海洋环境腐蚀，易发生泄漏故障。常斌、于领军、缪万波等人，均撰文对直升机在海洋环境下使用所面临的盐雾环境进行了分析，提出了机载设备的耐腐蚀问题[1-3]。船载设备中与蒸发循环相近的产品有各种风冷换热器和空调，从收集到的故障案例可以看出，船上使用的风冷换热器和空调冷凝器，由于受海水环境的腐蚀，使用1～3年会很快发生腐蚀泄漏。因此，蒸发循环系统有很高的腐蚀失效风险。

2 现有产品防腐方案

2.1蒸发循环用换热器腐蚀机理分析

蒸发循环用换热器包括舱内的蒸发器和舱外的冷凝器，蒸发器常用结构形式为层叠式和平行流式，冷凝器常用结构形式为平行流式，制冷剂在换热器流道内蒸发或冷凝，外界空气流过焊接在流道外的翅片，与翅片进行热交换，将舱内的热量释放到舱外空气中。蒸发器、冷凝器虽然结构形式有差异，但工作方式与材料相同，因此在发生腐蚀时具有相同的腐蚀机理。

为降低产品重量，机载蒸发循环换热器全部采用铝合金制造，铝合金在含氯离子的溶液中，易发生电化学反应，产生电化学腐蚀。而蒸发循环换热器内部为R134a制冷剂与冷冻油的混合物，对产品的腐蚀作用较小，可以忽略不计。产品外部由于经常接触腐蚀性海洋气体，是发生腐蚀的主要区域。

蒸发循环换热器由扁管和翅片在焊接炉中一次焊接而成，焊接后扁管、翅片及焊接钎料具有不同的电位。在腐蚀介质中，不同电位差的材料形成局部微电池，进而发生电化学腐蚀，电流将从高电位金属流向低电位金属，电位低的金属失去电子，形成金属离子，造成材料的损失，产生腐蚀。腐蚀过程的化学方程式为：

Al→Al3++3e
Al3++3Cl-→AlCl3
AlCl3+3OH-→Al(OH)3+3Cl-

图1给出了铝合金冷凝器NOCOLOK钎焊后各构件间的电位差关系。

2.2蒸发循环用换热器防腐蚀方案

1)在产品表面涂覆防腐层，隔离腐蚀环境

通常采用铬酸盐钝化或表面喷漆的方法。两种方法可单独使用或结合使用，但这两种方法的防腐效果有限。因为铬酸盐钝化膜的完整性对耐腐蚀性影响很大，当膜层存在缺陷时，会促进局部腐蚀，加快穿孔的速度，而现有的喷漆工艺无法做到在产品的中心部位和小缝隙处均能获得均匀的漆膜，故无法对产品起到全面的保护。

2)在制冷剂扁管表面形成Zn扩散层，避免产生孔蚀

通过电喷锌等方式，在扁管的加工过程中在表面增加一层锌层，在钎焊后形成含锌量1%～1.5%的铝锌合金层，使扁管表面电极电位降低形成阳极，在腐蚀环境下优先形成全面型的均匀腐蚀，防止孔蚀的发生。

但是由于扁管喷锌工艺的限制，喷锌层的均匀性不易保证，喷锌量过高或过低均会降低产品的耐腐蚀性。同时，在扁管生产过程中对表面喷锌层的保护是否可靠对产品的耐腐蚀性也有较大的影响。

3)采用高含锌量的富锌翅片，牺牲翅片保护扁管

采用含锌量高的铝箔加工成翅片，在腐蚀环境下，利用扁管和翅片材料之间的电位差，使翅片作为阳极优先腐蚀，从而保护扁管，避免制冷剂的泄漏。

图2为喷锌扁管和富锌翅片焊接后电位差示意图。

牺牲翅片保护扁管的方法，在使用中应注意，如果翅片腐蚀严重，虽然产品未发生泄漏，但换热性能大幅下降,产品功能将部分丧失。

从图2可以明显看出，相比1050A合金，扁管表面喷Zn处理后的冷凝器在NOCOLOK钎焊后，在扁管和翅片之间形成Zn扩散层，该层具有一定的电位(-800 mv)，在严酷苛刻的环境中，多加一层保护，能有效地防止或减轻冷凝器的腐蚀，达到延长其寿命的目的。

3 耐腐蚀性评价准则的确定

3.1现有耐腐蚀性评价方法

由于无专用的直升机蒸发循环耐腐蚀性评价方法，前期开发产品均使用GJB150.11A标准(见表1)进行评价。

该盐雾试验标准并不能准确评价直升机蒸发循环的耐腐蚀性，原因如下：

1)目的不同

GJB150.11A中试验目的为“a)确定材料保护层和装饰层的有效性；b)确定盐的沉积物对装备物理性能和电器性能的影响”。而蒸发循环腐蚀失效的模式是泄漏和性能下降，试验目的不同，无法进行准确判定。

表1 GJB150A盐雾试验方法

2)盐雾溶液的化学组成和浓度不同

GJB150.11A中第3.3条明确说明“本试验不重现海洋大气环境的影响，因为海洋和其他腐蚀环境的化学组成和浓度与本试验不同”。

事实上，海水中除了含有大量的Na+和Cl-外，主要成分还包括K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、SO42-、Br-、HCO3-、F-等各种离子及氧、氮气体、有机物质等，这些成分均会不同程度地增加溶液的腐蚀性，因此，采用 GJB150.11A不能有效判定蒸发循环耐海水环境腐蚀的能力。

3.2国内外耐腐蚀性评价方法介绍

国内外蒸发循环系统常用加速腐蚀试验方法见表2。

3.3满足需求的评价准则

上述三种试验方法被广泛应用于评价家用空调室外机和汽车空调冷凝器的耐腐蚀性，经对市场上产品使用情况的统计，表2中的试验时间对应产品使用寿命均不低于10年。与GJB150.11A相比，民用蒸发循环耐腐蚀试验方法具有以下优点：

1)试验用溶液的腐蚀性得到了加强；

2)试验箱环境更加恶劣，在酸性、高温环境下，耐腐蚀性的验证更加充分；

3)试验时间与产品寿命需求相吻合。

经分析，酸性合成海水盐雾试验(SWAAT)更适用于海洋环境下直升机蒸发循环系统，原因如下：

1)SWAAT试验溶液成分[5]与海洋环境(见表3、表4)更加接近两表对比可知，SWAAT试验用溶液与海水成分基本相当，因此SWAAT试验可以较准确地验证产品在海洋环境下的耐腐蚀性。

表2 国内外蒸发循环系统常用加速腐蚀试验方法汇总表[4]

表3 海水主要成分表

表4 SWAAT 试验用合成海盐成分表(ASTM D1141替代海水标准规范)

2)严酷的试验条件使试验验证更加充分

SWAAT试验使产品处于酸性、高温试验环境中，可以增加腐蚀的速度，相比GJB150.11A中性、常温的试验环境，试验验证更加充分。

3)试验时间更接近海洋环境下直升机对蒸发循环的要求

海洋环境下直升机蒸发循环系统常年处于海洋气候中，海水蒸发后形成高湿度的空气，含有各种腐蚀性离子，在蒸发循环工作中，随空气流经蒸发循环蒸发器和冷凝器，对产品产生腐蚀。即使系统不工作，产品仍处于腐蚀环境中，因此GJB150.11A中96小时试验时间远远无法满足直升机翻修间隔期(TBO)10年的寿命要求。

4)SWAAT试验的权威性

SWAAT试验方法来自美国材料与试验协会标准ASTM G85 ，ASTM是美国最老、最大的非盈利性的标准学术团体之一，主要任务是制定材料、产品、系统和服务等领域的特性和性能标准、试验方法和程序标准。 “ASTM G85改性盐雾试验方法” 为特殊用途的五种改性盐雾试验提出了环境条件，其中第三种即为酸性合成海水盐雾试验(SWAAT),该标准已被美国国防部的机构所采用。

经了解，满足600小时SWAAT试验的汽车空调冷凝器，可以在沿海地区使用超过10年不发生泄漏。由于海洋环境下直升机在舰上不可避免地要直接接触海水，使用环境更加恶劣，因此为保证翻修间隔期(TBO)10年的要求，应将试验时间进一步延长至800小时以上。

此外，GJB150.11A中对试验后产品的合格判据要求较含糊，原有产品鉴定试验大纲通常以产品腐蚀泄漏作为合格判据，但直升机蒸发循环产品换热性能与翅片状态紧密相关，翅片的腐蚀虽不会使产品功能丧失，但会使性能大幅下降，影响系统任务的完成，因此应将产品换热性能下降与腐蚀泄漏共同作为产品耐腐蚀性能的评判标准。

4 耐腐蚀试验研究

4.1铝合金冷凝器扁管喷锌和不喷锌的耐腐蚀试验

1) 盐雾试验方法及结果

采用SWAAT盐雾腐蚀试验方法，对产品的钎焊侧抗腐蚀性能进行测试。试验结果见表5。

2)试验结果分析

无喷锌扁管腐蚀现象为外表面侵入，腐蚀严重，在SWAAT试验486～502小时，扁管已经腐蚀穿孔。

喷锌扁管在SWAAT试验760～794小时时间内，腐蚀也为外表面侵入，但较于1050A扁管+含Zn翅片组成的芯体，抗腐蚀时间增加一半，抗腐蚀能力大大增强。

表5 喷锌扁管试验记录表

1050A和1050A表面喷锌扁管均发生纵向深度点蚀，但1050A表面喷锌扁管最大点蚀厚度较浅。这是因为表面喷锌处理的扁管在钎焊时，扁管与翅片之间形成的扩散Zn层起到良好的牺牲保护作用。

4.2冷凝器扁管喷锌量不同对产品耐腐蚀性的影响试验

1)试验样件材料选择

扁管采用A3102-H112，翅片采用4343/3003Zn/4343，扁管试验件1、2、3的喷锌量分别为6～7 g/m2、9～11 g/m2、13～16 g/m2。试验结果见表6。

2)试验结果分析

随着喷锌量的增加，翅片先脱离扁管，喷锌量13～16 g/m2时翅片优先脱落于扁管，且试验后脱落严重。

表6 扁管喷锌量试验过程记录表

喷锌量6～7g/m2与9～11 g/m2对腐蚀的影响相差不大，但喷锌量少容易造成喷锌的均匀性差，会先导致泄漏。

4.3不同翅片材料与相同扁管材料间配合耐腐蚀试验

1)盐雾试验样件材料选择

目前冷凝器常用的铝箔牌号为FE13和8X16，试验件1采用FE13，试验件2采用8X16，试验结果见表7。

2)试验结果分析

试验结果显示，采用FE13材料的翅片较早出现脆化，丧失了保护阴极(扁管)作用，扁管优先泄漏。同时，由于翅片在芯体中的作用是与环境换热，翅片的脆化会导致换热性能下降。SAPA 8X16比镁铝 FE13具有更好的抗腐蚀性。

表7 不同翅片材料试验过程记录表

5 产品防腐技术的发展

蒸发循环换热器耐腐蚀研究表明，采用喷锌扁管和富锌翅片组合可以显著提高产品的耐腐蚀性，理论上可以达到1000小时以上SWAAT试验不泄漏。但是在实际生产中，由于喷锌工艺的限制，扁管表面含锌量不均匀，含锌量较少的部位较早发生腐蚀。如果增加扁管的喷锌量，焊接后翅片与扁管连接处含锌量较高，优先发生腐蚀，试验过程中翅片很快与扁管分离，使产品换热性能快速下降。

为了进一步提高蒸发循环换热器的耐腐蚀性，近几年国内外主要从降低扁管表层含锌量和提高富锌层的含锌均匀性两个方面进行研究。现在国内已经引进了Si-flus扁管技术和折叠管技术。其中Si-flus扁管技术是在生产过程中直接在扁管表面形成铝硅钎料层，焊接过程中铝硅发生互溶，形成硅晶颗粒，使表面锌层含锌量控制到2g/m2，最大限度地减少翅片与扁管连接处的锌含量，降低翅片与扁管连接处的腐蚀速度。

折叠管技术如图3所示，采用包覆钎料和锌合金的铝箔折叠成制冷剂流道，在焊接炉中与翅片一次焊接完成。由于铝箔生产过程中表面含锌量易于控制，提高了焊后制冷剂流道外表面含锌量的均匀程度，达到控制制冷剂流道外表面含锌量的目的。

上述两种技术从理论上均可以大幅提升产品的耐腐蚀性能。国内已有厂家进行Si-flus扁管和折叠管的生产，但是在生产过程中，还存在与现有装配、焊接工艺的磨合问题，暂不具备正式生产的条件。

6 结论

1)由于直升机蒸发循环产品结构的特殊性，GJB 150A不能正确评价产品在海洋环境下使用是否能够满足翻修间隔期的要求；

2)来自美国材料与试验协会标准ASTM G85的SWAAT(酸性合成海水盐雾试验)试验方法应作为我国直升机蒸发循环产品耐腐蚀性的评价准则；

3)采用喷锌扁管和富锌翅片，通过改变材料的电位差进行电化学防腐，可以有效提高产品的耐腐蚀性，为直升机蒸发循环蒸发器、冷凝器的主要防腐手段；

4)扁管喷锌量过低，会影响扁管的防腐性，过高会使翅片早期脱落，产品性能下降；

5)不同的翅片材料，因成分的微小差异，会对产品的防腐性能产生影响。

[1] 常 斌，徐 明，王 海，等. 舰载直升机的发展[C] . 中国航空学会直升机年会论文集，2015.

[2] 于领军，余建航，牛贵岭，等.军用直升机结构腐蚀及检测方法研究[C] . 中国航空学会直升机年会论文集，2015.

[3] 缪万波，王 斌，尹 乐.东南沿海地区直升机使用环境适应性评估研究[C] . 中国航空学会直升机年会论文集，2016.

[4] ASTM G 85 Standard Practice for Modified Salt Spray (FOG) Testing[Z].

[5] ASTM D 1141 Standard Specification for Substitute Ocean Water[Z].

StudyontheCorrosionResistantTechnologyoftheCoreComponentsofHelicopterEvaporationCycle

QIU Zhenan1, BAO Rui1, MAO Yang1, YANG Guoru2

(1.The Military Representative Office In Luoyang , Luoyang 471000, China;2.AVIC Xinxiang Aviation Industry (Group) Co., Ltd. , Xinxiang 453049, China)

In this paper, the corrosion mechanism of evaporator and condenser for the helicopter evaporation cycle system and the common anticorrosion technology were introduced, and the urgency of the research on the corrosion resistant technology of the core components of helicopter evaporation cycle was put forward. Through the analysis of domestic and foreign military and civilian heat exchanger corrosion evaluation method, the SWAAT test method instead of GJB 150A was used as the evaluation criteria of the evaporator and condenser was given. The SWAAT corrosion resistance test and the test results was analyzed for different flat tube materials, different zinc content of flat tubes and different fin materials, the basic principles of anti corrosion design for evaporator and condenser used in helicopter evaporation cycle was given, the reference was provided for the development of domestic helicopter evaporation cycle system.

helicopter; evaporation cycle; corrosion resistant

2017-01-11

仇振安(1981- )，男，青海同仁人，硕士，主要研究方向：机械工程及自动化，直升机、发动机质量监督与质量管理研究。

1673-1220(2017)04-063-06

V250.4; V250.2

A