无人机铝合金材料抗盐雾腐蚀研究

汪水翔，张有为，何生

1.中国人民解放军31608部队，福建省 厦门市 361025

2.江西火箭军预备役特种装备维修大队，江西省 南昌市 333300

实验采用 (纯度≥95.5%)配置的5%中性溶液作为腐蚀加速溶液，选取无人机上应用广泛的铝合金典型构件进行中性盐雾实验。结果表明，部分表面经过特殊处理的铝合金材料构件具有较强的耐盐雾侵蚀能力，而部分铝合金表面经过实验后受到了较严重的腐蚀。针对实验结果，分析了盐雾对无人机铝合金材料构件的侵蚀机理，总结出中性盐雾环境下铝合金材料的腐蚀规律，给出了提高无人机该类构件抗盐雾侵蚀能力的措施。

沿海地区，气候环境对无人机装备的侵蚀作用主要取决于盐雾、湿度、霉菌和温度各自的和综合的作用，其中盐雾的破坏作用最大，直接影响到装备的使用寿命。检验无人机构件耐蚀性的实验方法一般有以下几类：传统的自然环境实验、实验室模拟环境实验、人工加速和模拟腐蚀实验。传统的自然环境实验具有真实、可靠的优点，但本身存在实验周期较长，难以满足装备研制、实验和评价工作需要的缺点；实验室模拟环境实验具有实验周期短，重现性好的优点，但却存在与实际失效模式和规律不太吻合，不能反映真实环境中的失效规律的缺点。

人工加速和模拟腐蚀实验是在自然环境条件下，通过适当强化某些环境因子，从而加速装备或材料性能劣化的实验方法。它综合了传统的自然环境实验和实验室模拟环境实验的优点，具有真实、可靠和实验周期短的特点。中性盐雾实验是人工加速和模拟腐蚀实验方式之一，它以一定浓度的NaCl溶液在控制条件下加压呈细雾态，使之均匀地散落在试样表面，并在不断更新液膜条件下模拟沿海大气对无人机构件的腐蚀。

铝合金材料抗盐雾腐蚀实验

沿海地区，盐雾是影响无人机装备环境适应性的主要因素，其对装备的影响是长期缓慢的过程，本实验通过室内加速腐蚀环境下，对无人机的铝合金构件的盐雾侵蚀结果观察，根据实验现象以及产物分析，确定其侵蚀机理，提出对装备进行防盐雾改进。

实验之前，用纯度≥95.5%的工业氯化钠配置5%的NaCl中性溶液，用于做喷雾溶液。对试样进行表面处理并归类贴上标签。本次实验依据GB/T10125-1997《人造气氛腐蚀实验 盐雾实验》标准执行。实验的其它环境参数要求分别为：实验箱温度(35℃±2℃)，饱和器温度(37℃±2℃)，采用不间断喷雾方法，实验时间三天(72h)，实验检查时间间隔为12h。

构件材料分类及实验件选取

无人机装备是一个由各种各样材料制成的构件组成的庞大系统，其组成材料种类繁多，包括：有机、无机、高分子复合材料及塑料等，主要应用于机身、机翼、平尾、垂尾、填充剂等，典型构件是飞机机翼；不锈钢材料和铁合金材料，它们的使用贯穿于整个系统，小到螺钉连接件，大到发动机的支架及其它强力结构件；铝合金材料，由于铝合金材料具有重量轻，强度高等优点，一直以来是无人机机体及其设备材料的首选，在此选用航向传感器、陀螺仪等构件的铝合金支架和板材来作为实验样品。

为使实验更具代表性和针对性，选取以下含铝合金材料的典型器件进行NaCl中性盐雾实验。

试件一：航向传感器；试件二：陀螺仪；试件三：铝结构件及连接件；试件四：动压传感器。由于实验件表面难免粘有油污和其它可能引起实验误差的杂质，所以在实验之前有必要对试件进行处理。表面处理方法：用去污剂或肥皂水擦洗试件表面污物→用自来水冲洗后接着用蒸馏水擦洗→将试件用吹风机吹干→对试件进行外观观测，照相记录初始状态。

实验设备

此次实验采用无锡苏南实验设备有限公司生产的YWX/Q-250盐雾腐蚀实验箱，如图1所示。

图1 YWX/Q-250盐雾腐蚀实验箱

图2 加速腐蚀环境谱

技术参数及喷雾特点：工作室温度范围：35℃～50℃，饱和桶温度范围：37℃～55℃，温度均匀度：≤±2℃，温度波动度：≤±0.5℃，喷雾方式：气流挡板式，喷雾特点：连续、周期任选，电源电压：50Hz、220V/380V、三相四线。环境温度：15℃～30℃，相对湿度：≥85%R·H。

加速腐蚀环境谱

为了模拟沿海环境条件下，铝合金等金属材料及其他结构件的局部环境的腐蚀历程，根据其环境特点及腐蚀特征，并参照国内外同类实验方法，选取在盐雾实验中采用中性盐雾实验来作为此次实验的腐蚀环境谱。

实验溶液使用工业NaCl配置的中性液体。其加速腐蚀环境谱如图2所示。

此次实验按照GB/T10125-1997《人造气氛腐蚀实验盐雾实验》标准执行，实验结果评定参照GB/T6461-2002《金属基体上金属和其他无机覆盖层经腐蚀实验后的试样和试件的评级》执行。

实验结果及分析

本次实验的样品可以分为以下四个：航向传感器、陀螺仪、铝结构件及连接件、动压传感器。

实验结果

实验结束，观察此次参与实验的构件发现，航向传感器、陀螺仪上的铝合金框架、铝结构件等表面没有产生异常现象，而陀螺仪上的其它铝合金构件以及动压传感器上的铝合金板材产生点蚀，有的表面都产生了大量白色物质。

数据分析

由于所选用的实验件包含其它类型材料，一并记录实验数据，实验结束，分析腐蚀产物，测量得到构件表面腐蚀面积与其总面积之比值，表1列出了具有典型腐蚀特性的构件的腐蚀面积比值。

由表可知，不锈钢材料组成的其他构件都有不同程度的损伤。其中舵机滑杆和螺钉连接件腐蚀严重。分析实验数据，可以看出，材料中腐蚀严重的主要集中在金属材料上，它们又以未经处理的铁质板材腐蚀最严重。经过表面处理后的金属材料构件腐蚀速度远远小于没有经过处理的构件。铝及其合金材料在无人机上有大量运用，大量的研究表明，高强铝合金在大气环境下以产生沿晶剥蚀现象为主，其腐蚀失效模式为：先在缺陷处产生点蚀，然后是晶间腐蚀、剥蚀，最后因腐蚀损伤超过腐蚀容限而失效。个别铝合金构件腐蚀较严重。在遭受腐蚀的构件中，腐蚀程度随着时间的延长而加深。

表1 构件表面腐蚀产物占总面积的百分比(%)

机理分析

在沿海地区，盐雾是无人机装备发生腐蚀的主要的环境因素之一。盐雾中的主要成分为NaCl，而NaCl的溶液中是以Na+和Cl—的形态存在的，而盐雾的沉积率与Cl—的浓度成正比关系：

式中，Sd是盐雾沉积率；[Cl]—是氯离子浓度。

所以在含盐浓度高的海边，其沉积率也很大，高浓度的盐雾自然成为NaCl溶液的载体。当大气中的盐雾沉降在无人机装备构件表面上形成一层液膜，就构成了盐雾对无人机构件腐蚀的环境介质。悬浮着的盐雾颗粒，实际上跟金属并不发生作用，只有沉降在金属表面上，形成电解液膜时才对金属材料产生腐蚀。

铝合金材料因其结构强、重量轻，在无人机上运用得非常广泛。在大气和中性溶液中，由于铝表面上能生成一层致密的、牢固附着的氧化物保护膜而使铝钝化，其钝态稳定性仅次于钛，该膜主要由Al2O3·nH2O组成。

由于铝在pH＝4～8的介质中能够钝化，所以铝在中性和近中性的水中以及大气中是非常耐腐蚀的，但在盐雾环境下，由于沉降到装备构件表面的盐雾内含有氯离子(Cl—)，而且雾滴中的氯离子(Cl—)有较小的离子半径(1.82×10-4µm)，穿透力很强，能使铝表面产生的钝化膜遭到破坏，从而使其失去保护作用。由于盐雾中的氯化物是一种强电解质，大大增强金属表面液膜的导电性，促进其电化学反应，从而加重金属的腐蚀。

铝在中性溶液中的腐蚀基本上属于氧去极化的阴极过程。盐雾沉积在构件表面，其中包含的Cl—等破坏钝态的离子局部进入钝化膜，使膜局部变质，生成Al3+离子，其氧化过程为：

电子从阳极流到阴极；

在中性电解质溶液中，阴极一般为氧原子或氧分子还原：

在溶液中，氯化钠溶液离解，同时有生成的腐蚀物。

Al(OH)3在有氧情况下，容易生成疏松的Al2O3，此过程不可逆，所以该过程不断向右进行，金属被逐渐腐蚀。

改进措施

在装备构件的结构设计时要尽量避免小的缝隙或凹坑，以防止盐雾沉积，造成对构件的腐蚀。对于集成电路等的封闭外壳，其密封性要保证能抵御潮气、盐雾等的侵入。对需向外部通风散热的设备，应增加除湿功能，以避免盐雾、潮气附着或沉积在元器件和电路上，造成腐蚀。

由于普通的铝表面氧化层因存在微孔而不能抵抗盐雾的腐蚀，必须对其采取特殊的表面处理工艺，如用注入离子硅法得到高耐腐蚀性的表面改性层，硅与铝的电位虽相差甚远，但在复相合金中抗蚀性能仍很好，这是由于有氧存在或者在氧化介质中，在合金表面生成有保护性的氧化物膜Al2O3+SiO2之故。

选用装饰性化学砂面处理、阳极化镀覆体系，提高其抗盐雾腐蚀性能。此法既有较高的耐腐蚀性，又有较好的装饰效果，且加工成本低，经济效果好。如果处理后再进行表面防盐雾腐蚀涂覆，效果会更好。

另外采用纯铝或耐点蚀性能较好的Al—Mn和Al—Mg合金；对Al—Cu等耐蚀性能不好的合金，可采用包覆纯铝或Al—Mg合金层；增加构件的通风效果，防止盐雾的沉降等措施都可以有效防止铝合金产生点蚀。

结论

此次实验周期为72h。实验表明：铝合金材料分为两类，通过72h的中性盐雾腐蚀实验后，取出观察，部分铝合金材料没有发生变化，典型的事例就是陀螺仪的支架，为铝合金材料制作，经过表面处理加入防护涂层后，其防盐雾侵蚀能力大大提高。另一部分铝合金材料经过实验后，在其表面布满疏松的白色物，由于这部分小构件表面没有进行特殊化处理，其普通的铝表面氧化层因其表面存在微孔而不能抵抗盐雾的腐蚀，所以针对这种情况，应在无人机系统上尽量使用经过处理后的铝合金材料。 ■