谈海洋环境下飞机标准件的腐蚀及其控制技术

岳珊 刘元海 李新卫

摘 要：调研、梳理了现役海军飞机标准件腐蚀现状，从设计选材不当、表面处理初始缺陷、防腐蚀措施不利、装配操作过程中造成的表面缺陷四个方面深入分析了典型标准件发生腐蚀的原因。从标准件的质量管控、先进材料及表处方法的应用、合理的密封防护措施和安装工艺质量控制四个方面提出了一些不成熟的见解和改进建议。

关键词：标准件;腐蚀防护;海洋环境;密封剂

1.海洋环境下飞机标准件腐蚀现状

航空专业常见标准件包括螺栓、螺钉、螺母;垫圈、档圈;销、轴、铆钉;机体构件、锁;弹簧、卡箍、衬套、支架;以及管路系统构件等等。单单紧固类标准件单机用量占飞机标准件数量的85%，主要用于飞机机体结构，其品质和可靠性对飞机结构的安全性起重要作用。在海洋和潮湿环境中，紧固件材料均存在不可预见的腐蚀性和由此带来风险故障，一些重要的连接，可能因为这种标准件失效而酿成重大事故。

通过对国内海军机型的腐蚀情况检查来看，陆基海军飞机和舰载海军飞机，尤其的服役时间较长的机型，标准件普遍存在严重的腐蚀问题。其腐蚀情况是：飞机下表面比上表面腐蚀严重;外部比内部腐蚀严重;钢制标准件比铝、铜等其它材质标准件严重。

2.标准件腐蚀原因分析

（1）选材不当

通常情况下，飞机标准件选材设计时，主要考虑的是材料的力学性能。使用实践证明，材料的耐蚀性能也是飞机标准件选材的重要依据。

30CrMnSiA是飞机制造业使用最广的一种调质钢，淬火高温回火状态下有较高的强度和足够的韧性，因此，除大量应用于航空螺纹紧固件外，还用来加工管路系统的管接头和外套螺母，但使用实践证明，这种材料与飞机铝合金材料接触时，容易引起严重的电偶腐蚀。

飞机电气成品安装固定的螺钉或螺栓一般选用1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，该不锈钢是落后的不锈钢生产工艺的产品代表，虽其热塑性较好，但除抗晶间腐蚀外，其耐均匀腐蚀能力较差，无法满足海洋环境使用要求。

快卸卡箍部分材料2Cr13Ni4Mn9奥氏体不锈钢制造，该不锈钢虽然具有较高的力学性能，耐大气腐蚀性能也较好，但易受晶间腐蚀。有关资料介绍，合金中锰元素的含量对钢的抗腐蚀能力具有较大影响，2Cr13Ni4Mn9奥氏体不锈钢在海水、海洋大气、潮湿空气、盐雾介质中的易产生应力腐蚀。中国科学院金属研究所对快卸卡箍的分析报告中指出，沿海大气环境中的硫化物、氮氧化物、氯化物是导致快卸卡箍断裂的主要因素。硫和氮这两中元素是不锈钢材料最为有害的腐蚀介质元素。

（2）表面处理初始缺陷

传统的飞机标准件一般采用化学氧化层和金属镀覆层进行表面防护处理，其耐蚀性很大程度上取决于表面处理层使用条件和表面处理层的厚度。一般情况下，使用环境越恶劣，需要的表面处理层越厚。如国标将使用条件分为0～4级，依据使用条件级别推荐了锌镀层的厚度，见表1;GJB/Z594A-2000将使用环境条件分为L（良好）、Y（一般）、E（恶劣）、H（海上）四个等级，给出了不同环境条件下镉镀层的推荐厚度，见表2。

标准中对恶劣的使用环境条件推荐的镀锌层厚度为25μm，镀镉层为25-30μm。若按标准推荐的镀层厚度，就无法满足螺纹旋合性方面的要求，飞机螺纹紧固件和管路螺纹紧固件均采用普通螺纹，普通螺纹可允许的镀层厚度取决于螺距和螺纹公差带的位置，电镀后零件的实际轮廓上的任何点均不应超越按H？h确定的最大实体牙型（H、h分别为螺纹标准件内、外螺纹公差带位置），否则螺纹连接件无法旋合。为满足螺纹旋合性方面的要求，飞机螺纹连接件执行航空标准规定的镀层厚度，在恶劣的海洋环境下表面处理层本身起不到期望的抗腐蚀能力。

同时，飞机制造过程中，国内制造商往往对于外购标准件在入厂复验时仅对强度、拉力、尺寸、外观等有明确要求，但对标准件耐腐蚀性能相关的镀覆层厚度和盐雾性能没有做具体说明或硬性规定，导致不同厂家生产的标准件表面防护质量、初始损伤缺陷参差不齐，严重影响标准件自身的环境适应性;自制标准件在交付使用前也缺乏相应的程序和手段对表面镀层厚度、完整性、耐盐雾性能等处理情况作出评价。

（3）腐蚀防护措施不得力

飞机上大多数紧固件，如30CrMnSiA钢质螺栓、1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢螺钉、2Cr13Ni4Mn9奥氏体不锈钢卡箍、铍青铜衬套等，安装固定过程中不可避免与其它存在电位差的铝合金、碳纤维复合材料等接触，缺乏合适的密封、缓蚀、或润滑措施，或者部分出于功能性、维修性等考虑（如需便于拆卸、要求电搭接），而无法实施腐蚀防护措施或使用腐蚀防护产品，在此情况下，海洋环境下自身抗腐蚀性能不佳的标准件，将出现严重的电偶腐蚀现象。

（4）加工/装配操作过程中造成的表面缺陷

飞机结构上螺钉、托板螺母使用较多，飞机使用过程中，往往需要经常拆卸和安装循环操作，操作过程中使用的工具（螺丝刀）存在磨损现象，因此会在螺栓安装过程中，螺钉/螺栓槽口易起毛，且常出现钉头表面防护层破损现象。槽口位置防护层的破坏会最先导致螺栓基体的暴露，失去镀层的防护作用下与外界腐蚀介质直接接触，加上螺钉/螺栓通常为钢制，腐蚀电位较其他铝合金材料较负，易形成电偶腐蚀，从而引起涂层起泡、粉化、脱落等失效现象。

机体快卸口盖上的快卸锁、口盖锁，采用工具拆装过程中，不可避免造成锁头镀层破损而失去保护作用。游动托板螺母标准件组件为了避免装配后阳极氧化处理槽液清理等问题，目前只能采取“托板预成型后先氧-再装配成形”的工序顺序，导致装配成型过程会造成氧化膜脱落，且脫落后无法修复。

以上主要针对腐蚀较严重的标准件的腐蚀原因进行分析，引起标准件腐蚀可能的还包含其他因素，如：装配过程中产生的装配应力或不规则装配;标准件加工过程中产生的残余应力等。

3.飞机标准件的腐蚀控制

海洋环境下飞机标准件普遍存在着腐蚀问题，不可能全面解决。因此，在做好标准件的质量管控、安装工艺质量控制的同时，应重点解决影响飞机使用寿命或危及飞机飞行安全的标准件腐蚀问题，要充分借鉴国内外先进的材料及表面处理技术，利用国内现有的材料、工艺资源，进行必要而充分的验证试验。

3.1  标准件的质量管控

为避免外购标准件存贮过程中产生的腐蚀，采购部门应要求供应商提供标准件产品的封存条件和存储条件等详细信息。飞机制造厂商内部应建立关于标准件产品包装、贮存的规范文件;对确实不具备换封条件的外购标准件应简化外购程序，尽快交付使用。

同时，国内各飞机制造厂商应进一步完善细化对于自制标准件的规范文件，包括对包装材料、包装方式具体明确为中性石蜡纸或聚乙烯薄膜;周转过程中应严格规范“不能戴手套”操作的规定;每个批次的标准件产品建立相应的电子档案卡，从原材料到加工、产品验收合格到最终产品交付使用，每个阶段时间点的封存状态和存放环境条件严格按照相关文件规定，并定期进行涂抹防锈油后补充封存处理。

3.2  先进材料及表处方法的应用

国内现役飞机结构上经常拆卸的口盖、蒙皮连接用的螺栓、螺钉、托板自锁螺母等标准件，主要为30CrMnSiA钢或1Cr18Ni9Ti不锈钢制造，腐蚀现象严重。欧美国家的飞机上大量采用A286高温不锈钢、Incone1718材料制造螺纹紧固件，俄罗斯飞机上用钛合金制造的螺栓、螺钉和环槽铆钉共计5万余件。另外，还采用了07X16H6、12X18H10T、13X11H2B2Mφ和08X17H5M3等不锈钢材料制造标准件。我国694厂、3117厂和天津航天精工，参照美军标也采用耐蚀钢GH2132（相当于美国A286）研制了一些标准件，并在国内某型运输机上应用，性能稳定，为海洋环境下飞机新型标准件的创造了有力条件。

标准件表面处理技术方面，30CrMnSiA等钢制紧固件通常以镀镉为主。从沿海飞机使用情况来看，由于镀镉层为一种软质镀覆层，一定的载荷作用下，尤其在海洋环境下或者在接触海水的情况下容易发生镀层脱落而导致紧固件腐蚀。为提升海洋环境下钢制紧固件、钛合金紧固件自身的耐蚀性或降低紧固件安装时的电偶腐蚀敏感性，国外引入了先进的离子镀铝、涂铝、涂覆二硫化钼干膜润滑剂等工藝，如波音飞机与铝合金结合的碳纤维增强塑料，紧固件采用钛合金、耐蚀钢和蒙耐尔合金，为了与铝合金相匹配，采用BMS10-85铝涂层进行涂覆。热渗锌工艺处理温度低，可避免回火脆性，处理过程不产生氢脆，渗锌层与Fe形成固溶体，结合力较普通的镀镉、镀锌工艺大大提高，耐蚀性能优异，国外广泛用于各种尺寸钢制紧固件的表面处理，代替传统的镀镉、镀锌工艺。

我国在20世纪80年代即开始进行高强度钢离子镀铝工艺的研究，并编制了针对钛合金紧固件的离子镀铝工艺和质量检验等标准。近年来，以北京航空材料研究院为代表，部分科研院所针对结构钢、钛合金螺纹紧固件表面铝涂层、离子镀铝、冷喷涂铝技术进行了工艺的对比及优化研究。新型标准件研制方面，以694厂、3117厂和天津航天精工为代表，借鉴国外标准件相关表面处理经验，引入了A286铝涂层+十六醇润滑、A286钝化+二硫化钼干膜润滑剂、钛合金铝涂层十六醇润滑、钛合金离子镀铝+十六醇润滑等多种先进标准件表面处理方法。航空工业特种飞行器研究所针对性开展了部分新型国产标准件的环境适应性研究，提出了可接受的标准件材料及表面处理方法。

3.3  合理的密封防护措施

海洋环境下飞机上大量使用的螺栓、高锁螺栓、拖板螺母、螺钉等紧固件装配除不宜采用湿装配的部位外，原则上应采用湿装配，湿装配材料根据具体需要可选用底漆、密封剂、润滑脂或缓蚀剂;不宜湿装配的紧固件可进行必要的端头封包处理。如，对于埋头干涉配合的紧固件，装配之前在连接孔两端或紧固件头部下涂密封剂，或用密封剂覆盖整个埋头窝;对于间隙配合的紧固件，先在连接孔内或紧固件杆部（不包括螺纹区域）涂密封剂，再将紧固件插入紧固件孔，如果需要使用垫片，在垫片两面再涂一层密封剂;可卸的紧固件安装时，可采用腻子、缓蚀剂、或润滑脂代替密封剂，涂于连接孔内或螺栓、螺钉杆部然后拧入孔内;托板螺母紧固件安装时，托板螺母采用密封剂进行密封安装，然后用不干腻子、或CorBan 27 L糊状缓蚀剂、3#复合磺酸钙基润滑脂涂敷紧固件的整个螺杆部及螺纹再进行安装。

3.4  安装工艺质量控制

借鉴外包波音、法航等先进的安装工艺质量管理经验，不同型号标准件采用单独对应型号带有力矩设定的专用扳手、螺丝刀，减小配合间隙。并对每个工具建立独立编号和使用档案，在磨损到一定程度后进行更换，同时采用带有力矩设定功能的工具，也能防止因用力过大产生槽口起毛现象。此外对某些外露、非拆装部位，建议尽量安装后在螺钉槽口涂抹密封胶、CorBan 27 L糊状缓蚀剂或3#复合磺酸钙基润滑脂，保护槽口镀层破坏的部位不与腐蚀介质直接接触。

4.结束语

海洋环境下现役飞机某些标准件出现严重腐蚀现象，降低了飞机的使用寿命，并危及到飞机的飞行安全。本文在初步分析现役海军飞机标准件腐蚀原因的基础上，从标准件的质量管控、先进材料及表处方法的应用、合理的密封防护措施和安装工艺质量控制四个方面提出了一些不成熟的见解和改进建议，希望能够引起飞机设计人员、制造人员和使用人员的重视，为延长海洋环境下飞机的使用寿命，提升装备“适海性”共同努力。

参考文献：

[1] 民用飞机结构腐蚀控制设计手册  中国航空行业总公司民用飞机系统工程部，1994.

[2] 张占元. 浅谈飞机种类与标准件[J]. 航空标准化与质量，2001（4）：10-12.

[3] 张占元. 谈歼八系列飞机标准件的应用[J]. 飞机设计，1996（4）：49-55.