飞机结构的防腐蚀设计与研究

张秋雁 任锋 周航

摘 要：国际运输协会指出，军用飞机失效的两大主要原因为腐蚀与疲劳，而疲劳大多是在环境侵蚀下产生，并非绝对的疲劳。由此可见，飞机结构的防腐蚀设计显得十分必要。对此，本文将采用案例分析的方式，对军用飞机的腐蚀情况进行分析，并从多角度着手挖掘腐蚀问题产生的原因，最后针对飞机结构提出多样化的防腐设计措施，力求通过防治结合的方式，使飞机腐蚀问题从根本上得以解决。

关键词：飞机结构;防腐蚀;防腐材料;涂层选择

中图分类号：V267 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0055-02

近年来，飞机因结构腐蚀而发生事故概率不断增加，为国家和企业带来了重大经济损失。在科学技术飞速发展的背景下，我国应加强对飞机结构腐蚀预防方面的重视程度，针对结构腐蚀情况进行深入研究，做好腐蚀修理与防护工作，提高飞机的飞行安全性，延长飞机的使用寿命，尤其对于军用飞机来说，对其飞行安全进行保障能够使我国空军、海军的战斗力量得到显著提升。

1 发现问题

在对军用飞机进行修理时发现，飞机结构中存在较为严重的腐蚀现象，主要体现在机翼主轮舱的第二大梁板、平尾壁板等连接位置。某型战斗机的垂尾与42框连接位置存在严重腐蚀;某轰炸机的中央翼下壁板凹槽与大梁下部连接部分出现较大的腐蚀情况;某歼击机平尾配重位置的铝合金蒙皮出现腐蚀;某直升机的机体下方也存在一定腐蚀。从军用飞机受腐蚀部位可以看出，这些都是机体主要的承力部位，腐蚀问题的存在使结构强度大大降低，对飞机的使用寿命与飞行安全造成严重威胁，并且这些腐蚀部位大多为两部件的连接位置，较为隐蔽，不易被检查出来，如若置之不理很容易引发大型事故，后患无穷。在对腐蚀位置进行修理时，需要投入大量人力、物力与资金，使修理成本极大增加。更重要的是，对于军用飞机来说，腐蚀问题的存在在很大程度上威胁飞机安全，降低了战术技术性能，需要引起高度重视。

2 原因分析

腐蚀情况的发生是由于飞机结构中金属结构与周围环境相接触，导致金属被消耗。本文将对飞机发生腐蝕情况的主要因素进行分析和研究，具体如下。

2.1 设计与制造缺陷

（1）在设计方面，以往在军用飞机的设计中，主要设计目标是满足战术性能，忽视了对飞机结构、使用、维护等方面的要求，尤其是结构防腐方面，没有在设计阶段提出严格要求，导致大部分飞机虽然在战术性能上较强，但抗腐蚀能力较差，在飞行过程中不可避免的出现不同程度的腐蚀问题。常见的腐蚀现象包括：飞机防水、排水设计，致使飞机中容易积累大量水分，长此以往，对飞机结构进行腐蚀。据调查，相当多的飞机结构腐蚀都与机体内残留的水分有关;在选材方面，以往军用飞机主要采用质量较轻、强度较高的材料作为主承力件，而超硬材料属于镁、锌、铝、铜系列合金，与硬铝存在的明显区别在于将强化锌融入其中，优势在于能够使材料的强度得到进一步提升，不足是降低了抗腐蚀性，并且超硬铝在使用中容易使应力集中，极易产生应力腐蚀情况。（2）在制造方面，腐蚀情况的发生与使用的制造工艺相关，主要体现在材料热表处理与喷漆方面，如若表层未处理得当，则镀层的抗破坏力随之降低;如若喷漆环境不符合要求，在温度、空气质量、喷漆质量上不到位，则油漆层将很容易遭到破坏，这时飞机结构金属将会直接暴露在大气环境中，很快便会遭到腐蚀，这一点需要制造人员提高重视度[1]。

2.2 电化学反应导致

当前军用飞机腐蚀问题产生的主要因素之一便是电化学反应，在飞机结构的设计中，不可避免的需要两种异类金属相互连接，在连接过程中，一旦金属表层被破坏，金属接触面将会残留一定水分或者杂物，由于金属的电位不一，二者之间很容易形成微电池，在氧化还原作用下出现电化学腐蚀。例如，在上文中所提到的某歼击机平尾配重位置的铝合金蒙皮出现的腐蚀情况，便是一种较为常见的腐蚀现象，产生该现象的原因在于，飞机平尾处存在下反角，在翼尖处很容易存在积水，加上配重物质为钢制件，蒙皮属于铝合金，因此在配重与蒙皮相接触的位置形成一个微电池，导致蒙皮处出现了电化学腐蚀。

2.3 微生物腐蚀

对于军用飞机来说，微生物腐蚀的后果较为严重，尤其是在整体油箱位置，由于微生物的存在可能威胁到油箱结构、燃油系统的安全。另外，微生物的排泄物与油箱表面相接触后，还会对外壳产生一定的腐蚀，时间一长，油箱甚至会出现漏油、渗油等情况。同时，微生物的存在还会污染油体环境，导致燃油系统被堵塞、污染等，对飞机的安全稳定运行构成较大威胁。当飞机处于低空飞行状态时，会与空中许多小飞虫接触，这些小飞虫被飞机撞击后部分会粘在飞机表面，其体液将加速飞机迎风面的腐蚀速度，导致机体中的天线罩等遭到腐蚀[2]。

2.4 湿热气候所致

对于一些适用于海岛的军用飞机来说，在机翼、平尾下方等位置遭到腐蚀的概率更大，尤其对于一些南方海岛来说，岛内地面的温度较高、湿度较大、空气中含有大浓度的盐，飞机长期处于此种环境下，对其结构产生腐蚀也不可避免。当大气环境中的湿度超过65%时，机体表面将附着0.001μm厚的水膜，且湿度与水膜的厚度成正比。这些水膜在与周围湿热空气相接触后，由于空气中含有大量氯分子，二者结合容易产生有害介质附着在机体上，进而对飞机结构产生腐蚀。例如，雷达罩表面的腐蚀、歼击机平尾与机翼腐蚀大部分是受该因素的影响。

2.5 维护与操作不当

在军用飞机使用过程中，如若相关人员操作不当或者维护不及时，也很容易发生结构腐蚀情况，例如，相关人员鞋底带泥的情况下上机，容易导致蒙皮表面被划伤;在下雨后飞机没有及时打开蒙布进行晾晒，导致积水长时间的滞留在机体当中造成腐蚀;平尾与机翼表面没有及时清理、擦干等，都会在一定程度上加大机体腐蚀力度，需要相关人员加大重视。

2.6 应力腐蚀与电偶腐蚀

2.6.1 应力腐蚀

据调查，因残余应力导致腐蚀断裂故障占应力腐蚀总数的40%。应力腐蚀是指在特定环境下，即受到较大的拉伸应力、特定的合金成分的情况下，才能够出现应力腐蚀断裂，因此此种腐蚀形式与环境、力学、冶金因素相关。在环境因素方面，腐蚀介质与应力腐蚀息息相关，在满足特定合金与环境组合下才能够出现腐蚀断裂情况。例如，黄酮在与少量氨物质接触后便会出现腐蚀断裂情况;碳钢与OH-溶液相接触;不锈钢与C1-介质相接触，都可能出现腐蚀问题。在某轰炸机尾部出现裂纹后，没有及时采用铝材料进行修理而是采用了不锈钢，从而导致了空难的发生。

2.6.2 电偶腐蚀

导致电偶腐蚀的主要因素包括三个方面，一是几何因素，阴极与阳极相对面积影响着电偶的速率，如若阴极面积增加，在还原反应下导致腐蚀电流增大，导致阳极被腐蚀的速率加快;二是环境因素，如温度、溶液PH值、介质组成等等;三是材料自身因素，材料自身的合金类型、材质状态、物理化学性能等多个方面都可能会引发电偶腐蚀[3]。

3 军用飞机结构防腐蚀设计分析

3.1 防腐材料的选择

随着近代军用飞机值勤的领域与范围逐渐扩张，飞机的类型也越来越多，如战斗机、水上飞机、舰载飞机等等，因此对飞机结构所用材料的抗腐蚀力方面也提出了更高的要求，要求军用飞机在设计上除了注重战术性能外，还给予抗腐蚀能力高度重视，首先在材料的选择上便要尽量选择防腐材料，其中钢、铝、铜、镁等材料在近代军用飞机设计上较为常用，在不同侵蚀介质下不同材料的抗腐蚀性能不尽相同，因此在材料的选择上应遵循以下原则：

（1）打破以强度为先的选择标准，采用综合选择，考虑到抗腐蚀性、抗断裂性、可靠性、经济性等多种因素，例如铝合金LC9的强度较高，宁可将其强度降低10-20%，也要使抗腐蚀性达到最佳状态。当然，如若有强度与抗腐蚀性均满足要求的材料则更好;（2）尽量选择国内外军用飞机中较为成熟的材料，不要选择容易出现故障的低质材料，以及容易出现腐蚀问题的材料;（3）选择具有较强抗腐蚀性、强度较高的钛合金，尽量减少或者避免使用镁合金，因为相比来看，镁合金的抗腐蚀性较弱[4]。

3.2 防护涂层的选择

现阶段，大部分军用飞机中的金属零件均采用镀层、覆盖层、涂层的方式，这样做不但能够提高金属零件的抗腐蚀性，还能够达到隔热、减摩、导电等目的。防护涂层的选择是飞机防腐设计中的关键内容，尤其对于军用飞机来说，常常在恶劣的条件下工作，在防护涂层的选择上要更加严格。在选择中应了解各类防护镀层、涂层的性能，使用具有较强耐蚀性的防护体系;在设计时应遵循设计要求、适用范围与使用依据，并且注意涂层在底层、中间层、上层与零件之间的相容性[5]。

3.3 加工过程控制

防腐蚀设计应采用先进的科学技术，并根据设计要求合理安排加工过程，确保材料不会受到加工影响而降低自身的抗腐蚀性，使加工结果能够符合设计标准。值得注意的是，加工中使用的工艺、材料等均应是无害级别，不会对飞机结构与安全带来任何隐患。腐蚀情况的发生通常从表面开始，一旦飞机表面出现划伤、加工流线露头、渗氢等都可能降低抗腐蚀性能，进而加速腐蚀开裂的速度，使结构强度被大大削弱[6]。因此，在航空结构承力件加工过程中，务必要确保加工质量，采用精细化加工生产的原则，针对不同构件的功能采取针对性防腐措施，例如，飞机起落架容易受到氢脆、应力腐蚀等影响，缩短使用寿命，对此，可以采取以下措施进行控制：

（1）加强材料质量控制，提高材料对氢脆、应力腐蚀等问题的抵抗性;（2）对进刀量进行控制，减少残余拉伸应力;（3）不放过任何一个细节，对各个零件进行精细化处理，防止出现应力集中情况;对其表面进行喷丸处理，增加压应力;（4）使用具有较高抗腐蚀性的聚氨酯漆体系，并根据相关要求对结构材料进行控制，采用科学合理的加工工艺。

4 结语

综上所述，飞机结构故障的主要形式便是结构腐蚀，而结构腐蚀在飞机维修的总数中占80%以上，因此需要给予此类问题高度重视。对于军用飞机来说，与其他类型飞机相比其工作环境较为恶劣，受腐蚀的风险与概率更大，因此应坚持预防為主、防治结合的原则开展防腐工作，针对腐蚀情况挖掘深层诱发原因，科学合理的选择防腐材料、涂层与工艺，确保加工过程的精细高效，针对腐蚀问题早发现、早报告、早处理，使飞机结构腐蚀问题被扼杀在摇篮当中。

参考文献

[1] 程凯.面向CPCP要求的飞机结构腐蚀控制方法研究[J].民用飞机设计与研究，2018（3）：19-22.

[2] 魏士礼，赵艳秦.军用飞机复合材料机翼下壁板结构设计[J].军民两用技术与产品，2016（12）：26-27.

[3] 刘海涛，田秀云.MD-82型飞机货舱结构缝隙腐蚀原因分析及防腐蚀改进措施[J].腐蚀与防护，2014，25（1）：32-35.

[4] 孙健宇.民用客机舱内地板的防腐蚀设计[J].中国科技纵横，2014（11）：109-109.

[5] Effect of chloride on the atmospheric corrosion of simulated artifact iron in NO3-beraring pollutant environment. X.Cao，C.C.Xu. Acta Metall.Sin.（Engl.Lett.）.2006.

[6] Choice and measurement of crucial aircraft coatings systems properties. Bierwagen G P，Tallman D E. Progress in Organic Coatings，2001.