新型航空清洗剂对航空铝合金防盐雾性能影响的分析

李岩，卞贵学，徐宁，冯侠，高超

（1.海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041；2.92522部队，山东 烟台 264003；3.华阳新兴科技（天津）集团有限公司，天津 300100）

随着我国推进海洋强国战略，积极推动包括飞机在内的海洋装备建设已势在必行。海洋环境下服役的飞机面临着高温、高湿、高盐雾和高污染物等严苛的环境条件，其中含有的Cl–、SO42–等也被证明会破坏航空铝合金表面形成的钝化膜[1-2]，从而加速铝合金的腐蚀，这对海上服役飞机的安全性无疑造成了严重威胁，美国舰载机就因腐蚀而故障多发[3-4]。为形成系统的飞机防腐蚀技术体系，不仅需要开展合理的结构设计、发展耐蚀材料、防护涂层体系等研究，在飞机的维护阶段开展先进的腐蚀维护修理新产品、新技术的研究使用也是极为重要的。特别是飞机在飞行和停放期间，受到来自地面大气、海洋大气、发动机尾气等多方面环境因素的污染，机体表面沉积灰尘、油污、沉积盐、发动机燃油造成的积碳等[4]。如长期不及时加以清洗，不仅影响飞机表面光洁度，也会间接或直接地诱发飞机外表面腐蚀，损害飞机飞行安全性和影响机体寿命。故本文采用某国产新型环保型水基清洗剂（俗称干洗剂），在以往理化性能等研究的基础上，选用航空铝合金7075，对该新型清洗剂的清洗防护效果和对铝合金清洗后的防盐雾性能进一步开展分析，为推广干洗剂在海洋环境中服役飞机上的应用提供更多试验依据和参考。

飞机表面清洗剂主要用于清洗飞机机体外表面或舱内某些部位[5]，主要可分为水基型清洗剂、溶剂型清洗剂和干洗剂等[6]。水基型表面清洗剂以水为基础溶剂，不含有机溶剂，加入表面活性剂等成分[7-8]，无污染、操作安全、运输方便、使用时不受环境条件限制，但对飞机重污染区域的清洗效果不佳，且用水量较大[6]。溶剂型清洗剂一般含有芳烃溶剂，利用相似相容的原理[9]，去污能力比水基型清洗剂更强，可清洗飞机内外表面的重油污，但闪点低于水基型清洗剂，不利于运输储存，且其清洗产生的废液对会污染环境。干洗剂作为一种替代传统水洗的防护用品，属于微湿清洗，区别于水基清洗剂的清洗过程，需将清洗剂加入一定比例的水刷洗飞机，洗完之后还需要使用清水冲洗等过程。干洗剂清洗飞机可做到用水量小[10]，不残留残液，相比于传统水基型清洗剂对重油污的清洗效果更好，并可与机务工作同步开展，安全性也较好，综合了水基型和溶剂型的部分优点。对于海上服役的飞机，干洗剂可在无水条件下清洗，大量节省海上服役装备的淡水资源，相较于传统的溶剂和水基型清洗剂，可用于重型油污部位，干洗剂核心组分的缓蚀剂成分吸附于金属表面，形成的保护膜也可提升干洗剂的防腐蚀能力，隔离腐蚀介质，从而抑制高强度钢零件的氢脆现象，提升清洗过程的可靠性和安全性[11]，在海洋环境下服役的飞机使用干洗剂清洗作业优势明显。

本文通过对比经该清洗剂清洗的7075航空铝合金试片与未经清洗的裸片在盐雾试验后的不同结果，借助多种手段求证清洗前后，铝合金表面的形貌、表面组织成分和关键化学组分等的变化，力求从多方面分析该新型清洗剂的使用对航空铝合金的影响，以开展该清洗剂在飞机表面使用的实用性研究。

1 试验

1.1 材料

7075铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系列，是海洋环境服役飞机中的重要结构材料，具有良好的力学和韧性性能[12-13]，但海洋大气环境中沉积盐、灰尘、油污等污染物会影响其耐腐蚀性能，甚至造成腐蚀穿孔。盐雾腐蚀是一种最常见、具破坏性的大气腐蚀类型[14]。自然界中的盐雾是强电解质，占电解质的77.8%，且其电导率很大，直接导致电极反应加速，阳极活化后，腐蚀加剧。盐雾中的氯离子（Cl–）半径只有1.81×10–10m，具有很强的穿透力，容易在铝合金氧化膜不完整或材质不均匀处发生化学反应，使铝合金表面生成的致密氧化膜Al2O3遭到破坏，导致氧化膜变薄、破裂，甚至裸露铝溶解。经过一系列的反应，形成可溶于水的最终产物AlCl3，步骤如式（1）—（3）所示[15-16]。

为研究该型清洗剂对铝合金的防盐雾腐蚀效果，参考GJB 8622—2015《飞机外表面水基清洗剂规范》、GJB150.11A—2009《军用装备实验室环境试验方法第11部分：盐雾试验》等试验方法[17]，结合国产清洗剂及清洗前后7075铝合金表面的微观组织、成分、拉曼特征谱峰及耐盐雾性能，在以往对该清洗剂开展理化性能等研究测试[18-19]的基础上，讨论该清洗剂关键组分对铝合金经清洗处理后耐蚀性能的影响规律和机制，为优化相关工艺提供理论和应用基础。

1.2 试样

中性盐雾加速试验用7075铝合金试样的尺寸为50 mm×25 mm×2 mm（长×宽×厚），所使用的国产飞机外表面新型航空清洗剂为华阳新兴科技（天津）集团有限公司提供，外观呈现白色乳胶状，如图1所示。本试验利用ICP-AES分析仪（Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer）测试7075铝合金元素成分，结果见表1。

表1 7075铝合金试样化学成分（质量分数，%）Tab.1 Chemical components of 7075 aluminum alloy sample(mass fraction, %)

图1 某水基型新型清洗剂外观Fig.1 Appearance of the water-based new cleaning agent

1.3 试验过程和性能表征

用干洗剂清洗7075铝合金试样的步骤：1）用200#砂纸打磨试样；2）用无水乙醇清洗试样；3）用电吹风将试样吹干；4）将试样完全浸入清洗剂3 min；5）取出试样，用洁净纱布将表面清洗剂擦除干净。

7075铝合金的裸片和清洗后的试样经扫描电镜观测形貌并能谱分析后，经过6 h中性盐雾试验取样，再用去离子水清洗、烘干、拍照。采用赛多利斯2011F145-11电子天平（精度为0.1 mg）对盐雾腐蚀试验前后的铝合金样品进行称量，再基于拉曼光谱分析干洗剂及铝合金样件的物相情况。

本文试验表征方法包括：

1）采用捷克TESCAN MIRA LMS扫描电镜观测样品的腐蚀形貌，并进行能谱分析，加速电压为3 keV，采用SE二次电子探测器。

2）采用HORIBA HR 800拉曼光谱仪观测物相，激光源为532 nm He-Ne连续波光源，激光强度采用10%，曝光时间为30 s，没有叠加。

3）数据经Origin 8 (Version 5.2)处理。

4）中性盐雾试验按照GJB 150.11A—2009《军用装备实验室环境试验方法第11部分：盐雾试验》标准进行试验，盐雾试验条件见表2，试验时间为6 h。

表2 盐雾试验条件Tab.2 Salt spray test conditions

2 结果与讨论

2.1 微观组织结构检测

将铝合金试样经过上述的清洗剂清洗，分析清洗过和未经清洗的试样的扫描电子显微照片和能谱，观测样件的微观形貌和组织结构。

7075铝合金表面经清洗剂清洗的扫描电子显微照片如图2所示。可见，清洗后的试样表面光亮，表面划痕应为样品搬运和打磨机械力作用产生，而表面二次相颗粒为白亮色区域（箭头标识）。

图2 7075铝合金表面经清洗剂处理后的扫描电子显微照片Fig.2 Scanning electron micrograph of 7075 aluminum alloy surface treated with the cleaning agent

铝合金表面经清洗后的能谱分析结果如图3所示。通过对应的铝合金表面经清洗剂清洗后的能谱分析可知，样品表面主要元素有C、N、O、Na、Mg、Al、Si、Ce、Cu和Zn。对比表1测试出的原铝合金基材的元素结果可见，经清洗剂清洗后的试样表面，比未清洗试样的表面多出了Si、Na、N、Ce等元素，这些元素与清洗剂组分中添加的硅烷酮类铝合金保护剂、有机胺类钢铁保护剂的元素成分相符合[20]。这也表明该清洗剂在铝合金表面可以形成保护膜，可对金属能起到有效防护的作用。

图3 7075铝合金表面经新型清洗剂处理后的能谱分析Fig.3 Energy spectrophotography of 7075 aluminium alloy surface treated by the cleaning agent

2.2 腐蚀形貌观察

将2种样件分别按照表2中的条件进行中性盐雾试验后，继续观测样件的微观形貌变化。7075铝合金（裸片）和清洗过的铝合金样件经过6 h中性盐雾试验后的宏观形貌如图4a所示，裸片和清洗过样件的腐蚀光学照片分别如图4b、c所示。由图4可见，在裸片的表面出现了明显的腐蚀产物和腐蚀坑，腐蚀产物呈现褐灰色，表面也基本完全被腐蚀产物所覆盖。相较之下，干洗剂处理过的 7075铝合金，表面划痕明显，但腐蚀坑很少，无显著腐蚀产物。

图4 7075铝合金裸片以及用清洗剂处理后经过6 h中性盐雾试验后的光学照片Fig.4 Optical picture of untreated 7075 aluminum alloy and 7075 aluminum alloy treated with the cleaning agent after 6 hours of neutral salt spray test: a) macro morphology; b) 7075 aluminum alloy bare sheet; c) After dry cleaning agent treatment

7075铝合金表面裸片和清洗处理铝合金经中性盐雾试验后的扫描电子显微照片如图5所示。铝合金裸片经6 h加速盐雾试验后，其表面出现显著的絮状腐蚀产物，外表面也积累了较多的氯化钠结晶体（正方形结晶体，见局部放大图）。相较于裸片的表面形貌，经清洗剂清洗后的铝合金表面则只是存在划痕，无显著的氯化钠积累和絮状腐蚀产物。这与图4的光学照片也基本一致。

图5 7075铝合金表面裸片（a）和用清洗剂清洗后（b）经6h中性盐雾试验后的扫描电子显微照片Fig.5 Scanning electron micrograph of untreated 7075 aluminum alloy surface (a) and 7075 aluminum alloy surface treated with the cleaning agent (b) after 6 hours of neutral salt spray test

2.3 基于拉曼光谱的物相分析

利用拉曼光谱仪分析清洗剂和试样的物相成分，包括清洗剂的液体样品、经盐雾试验后的 7075铝合金裸片、经盐雾试验后的用清洗剂清洗过的7075铝合金试样，结果如图6所示。

图6 拉曼光谱Fig.6 Raman spectra of (a) liquid samples of dry cleaning agent, (b) untreated 7075 aluminum alloy surface after salt spray test and (c) 7075 aluminum alloy samples treated with dry cleaning agent after salt spray test

新型清洗剂的试样是滴定在Teflon胶带的液体样品，从其拉曼光谱中可见，清洗剂的特征谱峰包括2 924、1 459、1 060、652、520 cm–1。其中，520 cm–1代表Si—O伸缩振动，与可能存在的硅烷酮类铝合金保护剂有关；652 cm–1代表Ce—O伸缩振动；1459 cm–1代表O—C=O不对称伸缩振动；1 060 cm–1处为S—O伸缩振动；2924 cm–1代表S—H伸缩振动。对比图3的EDS能谱中分析出来的元素，该清洗剂的主要功能组分可能包括铈酸盐、硅烷及L-半胱氨酸[21-23]。

对裸片和用清洗剂清洗后的铝合金经过盐雾试验后表面褐色斑点的拉曼光谱进行分析，其主要拉曼特征谱峰是碳基化合物的G峰（1 602 cm–1）和D峰（1 343 cm–1），以及氧化铝或氯化铝（837、864 cm–1）[23-24]，应与中性盐雾试验相关腐蚀产物有关。经该新型清洗剂清洗后的铝合金腐蚀现象不明显，2 924 cm–1峰代表经清洗剂清洗后的铝合金存在清洗剂成分的残留。

3 结论

1）通过一系列表面形貌、组织成分及关键化学组分的对比分析，初步证明了该新型清洗剂可清除7075铝合金表面油污。干洗清洗后的铝合金表面光洁，有显著的二次相颗粒，且存在保护剂元素残留。经中性盐雾试验后，铝合金裸片表面存在大量氯化钠结晶体、显著褐色斑点和絮状腐蚀产物，而经清洗剂清洗后的铝合金表面则无氯化钠结晶体和明显腐蚀产物。

2）基于拉曼光谱的物相分析表明，该清洗剂存在几种可能组分，铈酸盐（652 cm–1）、硅烷（520 cm–1）及L-半胱氨酸（2 924、1 459、1 060 cm–1）的拉曼特征谱峰[25]。裸片盐雾试验后的褐色腐蚀斑点主要成分为碳基化合物和氧化铝或氯化铝。经清洗剂清洗后，铝合金表面仍有2 924 cm–1峰，代表存在清洗剂成分残留。可见该清洗剂的缓蚀剂或保护剂组分对铝合金表面起到防护作用，进而提升了铝合金表面防腐性能。可以针对该清洗剂进一步开展更持续的盐雾试验，并进行实用性工艺研究和推广试用。