民用飞机机身腐蚀分区及防护

何周理，刘卫

（1.中国商飞上海飞机设计研究院，上海 201210； 2.中国商飞北京民用飞机技术研究中心，北京 102209）

引言

腐蚀对于金属材料，是指和周围介质（如水或油等液体）发生化学、电化学反应，或是在介质和某些物理因素共同作用下引起的破坏或某些性能降低的现象。金属腐蚀已经导致多起民用飞机安全事故，1981年8月22日，台湾民航一架波音737客机，因为机身货舱下部壁板发生严重的腐蚀而导致飞机空中解体；2007年2月21日，印尼亚当航空公司一架波音737客机由于龙骨梁严重腐蚀导致飞机降落时机身折断，险些酿成灾难性事故[1]；2000年5月27日，台湾华航一架波音747飞机由于金属腐蚀疲劳造成尾翼裂纹，飞机最终坠入大海[2]。

金属腐蚀不但影响飞机安全，而且腐蚀的维修成本高昂，严重影响民用飞机的经济性。在国内外运输类飞机相关标准［3-5］中的“结构保护”章节有明确要求：飞机每个零件必须有适当的保护，以防止使用中由于腐蚀等原因引起性能降低或强度丧失。目前国内外对民用飞机典型结构的腐蚀已经开展了许多相关研究，包括腐蚀机理研究[6,7]，腐蚀监测技术研究[8,9]，腐蚀修理以及腐蚀防护研究[10,11]，但是对于民用飞机结构设计时腐蚀防护的具体设计方法相对较少。

1 机身内部腐蚀分区

民用飞机机身结构防腐蚀设计时，首先需要对机身内部区域进行腐蚀分区，便于对不同的腐蚀区域采取合适的防腐蚀措施。

图1 典型民机机身内部区域环境类别

图2 典型民机机身内部壁板腐蚀分区示意

腐蚀分区的第一步是对参考机型在役飞机的腐蚀情况进行统计，根据统计结果对机身内部区域进行腐蚀分区。目前参考机型主要包括波音、空客等主流机型；腐蚀数据主要来源于维修基地定检时的腐蚀维修记录，以及航线常规性例行检查中发现的腐蚀记录；如刘延宽等收集了两种常见型号（A 型、B 型）的39 架国内在役宽体客机近10 年的腐蚀损伤数据[12]。以计数的方法统计腐蚀区域的腐蚀频率，确定易腐蚀区、较易腐蚀区和一般腐蚀区。

腐蚀分区的第二步是基于腐蚀影响因素进行环境分区。飞机金属结构部件的腐蚀风险取决于该部件所处的环境条件。一般根据区域内水及各种液体积聚的概率、区域的可接近性和损伤风险，将环境条件分为三类。

1）A类：接触空气，通常为干区且易接近的区域；

2）B类：接触燃油的区域；

3）C类：易接触液压油、厕所或厨房液体、润滑剂污染的区域；容易生成或聚集冷凝水、液体的区域；难以接近，以及具有很高的意外损伤风险区域。C类区域可进一步细分为：

①C1类：接触水、湿气，偶然接触其他液体的区域，且具有很高的意外损伤风险区域；

②C2-1类：接触水、湿气，经常接触其他液体的区域；

③C2-2类：接触水、湿气，其他液体易积存且难以接近的区域。

环境类别仅适用于飞机的内部部件，这些部件在飞行过程中从外部看不到，包括整流罩覆盖的区域。典型民机机身内部环境类别划分如图1所示。

表1 腐蚀分区过程表

腐蚀分区的第三步是基于结构重要性进行区域分区，分成重要、较重要、一般部件三个等级。对安全性有重要影响的部件，需提高腐蚀分区等级，加强防护措施。对于机身一些重要结构部件，一旦腐蚀，将导致产品不能完成主要任务，危及人身安全等危险，需定义为重度腐蚀区，比如龙骨梁结构。

综合上述民机腐蚀分区的三步法，可按照表1的分析步骤，将全机分为轻度腐蚀区、中度腐蚀区以及重度腐蚀区。由于机身内冷凝水线以下区域，机身内壁形成液膜的概率较大，因此冷凝水线以下的区域被定义为中度及重度腐蚀区。冷凝水线的位置可能因为机型不同而不同，典型民机机身内部壁板腐蚀分区示意如图2所示，典型民机机身内部框截面腐蚀分区示意如图3所示。

2 机身结构材料分组

在明确了飞机机身内部腐蚀分区之后，还需要明确结构材料分组。目前民机结构金属材料仍以铝合金、钛合金、耐蚀钢、非耐蚀钢、铜、铬镍铁等合金为主；复合材料主要是指碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。

飞机结构中存在大量的互相连接、搭接、配合的不同材料。对于飞机结构异种材料接触时，电偶腐蚀现象容易发生[6]。表2列出了各种材料原电池腐蚀活性的递增次序（从上往下、从左往右活性逐渐减弱），表中材料之间对应的数字（0-11）越大代表材料之间越不相容，为方便起见，航空材料按其相似性又可以分为四类（Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类），如表3所示。同类中的不同材料之间一般不会产生严重的电偶腐蚀，不同类材料之间需要考虑电偶腐蚀。两种不同材料的结构接触时，电位差越大，电偶腐蚀速度就越快，就越不相容；电位差越小，电偶腐蚀就越慢，就越相容。故针对同类或不同类的结构之间采取的防腐蚀措施也不相同。

3 机身内部腐蚀防护

在民用飞机零件设计时，零件表面保护有不同的方式，一般可分成无机防护层（表面处理）和有机涂层（涂漆）两类。零件表面无机防护层主要包括阳极化、化学转化膜、钝化等；零件表面有机涂层主要包括涂刷底漆、面漆、腐蚀抑制剂等：

1）阳极化：电化学工艺，可在铝合金材料表面形成一层薄的氧化层，以提高铝合金零件的耐蚀性。根据电化学槽液和成膜种类不同，可分为铬酸阳极化、硼硫酸阳极化等。

2）化学转化膜：用阿洛丁（Alodine）化学氧化处理后在铝合金零件表面形成一层非常薄的金属氧化膜，可以增加铝合金零件抗腐蚀能力。

3）钝化：是指金属零件经强氧化剂或电化学方法氧化处理，使表面变为不活泼即钝化的过程。一种化学处理方法，用以移除表面的污染物，形成一层非常薄保护性金属氧化涂层，以增加抗腐蚀和改善后续有机涂层的粘接力。

图3 典型民机机身内部框截面腐蚀分区示意

表2 不同材料的电化学活性和相容性

表3 航空材料异电位分组

4）底漆：一种有机涂层，应用于金属表面，以增强抗腐蚀性能。

5）面漆：一种永久有机漆层，通常用于在底漆之后，以获得更好的腐蚀抵抗能力。

6）腐蚀抑制剂：辅助有机屏蔽涂层，用于改进由于冷凝水、水聚集和不同金属装配在一起时的腐蚀抵抗能力。

上述零件表面保护可单独使用，也可组合使用，但并不是表面保护越多越好，因为飞机零件设计是一项综合性设计，除了考虑防腐蚀性外，还需考虑工艺性、零件制造效率、零件制造成本等。所以在明确了飞机机身内部腐蚀分区、机身结构材料分组之后，就可以选择合适的防护措施。同类材料连接和非连接表面保护见表4，铝合金与钛合金、耐蚀钢、蒙乃尔合金、铬镍铁合金、非耐蚀钢连接表面防护见表5。

复合材料具有密度低，比强度和比刚度高，以及裂纹扩展速率较低等特点，欧美大型飞机机体的结构材料结构正从以铝合金为主过渡至复合材料为主[13]。复合材料本身耐腐蚀性能非常良好，由于本身电位较高，当与其他金属接触时，使其他金属产生腐蚀。根据表3所示，钛合金或耐蚀钢等与碳纤维复合材料相容，钛合金或耐蚀钢只需按照表4进行表面保护即可；铝合金及非耐蚀钢等与碳纤维复合材料不相容，需按表6进行表面保护。

另外，对于飞机内部的中度腐蚀区和严度腐蚀区，还将在结构上施加额外的腐蚀防护层：喷涂腐蚀抑制剂。腐蚀抑制剂能够破坏水膜并抑制腐蚀，将液体渗入结构产生腐蚀的风险降至最低。腐蚀抑制剂应当在完成装配和喷涂之后进行，并涂覆到所有金属表面，且应当超出金属结构零件和相邻的复合材料零件，包括密封剂。辅助有机屏蔽涂层，用于改进由于冷凝水、水聚集和不同金属装配在一起时抵抗腐蚀的能力。

表4 零件通用表面保护

表5 铝合金与钛合金、耐蚀钢、蒙乃尔合金、铬镍铁合金、非耐蚀钢连接

表6 碳纤维复合材料与铝合金/非耐蚀钢连接

4 结语

根据民用飞机结构设计特点，综合机身内的腐蚀统计、环境因素、结构重要性三个方面，给出了民机机身结构的腐蚀分区方法；同时对常用民用飞机结构材料的电化学活性和相容性进行排序和归类；最后针对不同的结构组合，制定了不同的表面防护措施，以满足民用飞机腐蚀防护需求。对于民用飞机结构设计，防腐蚀设计是一项综合性设计，除了结构表面防护外，还应考虑机身通风排液设计、结构形式的合理性、材料和工艺的选择，紧固件防护等因素，只有全面考虑，才能达到腐蚀防护的最佳效果。