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飛機材料耐蝕性及腐蝕環境分析
2022-04-01 14:02:54 作者:材易通 來源:材易通 分享至:

 飛機材料一旦出現腐蝕問題,不僅會對飛機本身性能的發揮造成阻礙,嚴重時甚至會對人民的生命以及財產安全造成巨大的損失。腐蝕問題是材料與環境發生作用的表面現象,電化學腐蝕發生在固體材料與電解質溶液中的固液界面,化學腐蝕發生在固體材料與周圍氣體環境的固氣界面。因此系統全面地分析一個腐蝕問題,一方面要具體分析材料的本身特性,即內在各個因素;另一方面要全面分析周圍的環境,以及環境中的介質及其存在的狀態,即腐蝕的外在因素。




鋁合金的耐蝕性能

純鋁的化學性質雖然很活潑,但由于它在空氣中易與氧結合,在表面形成一層致密、穩定的氧化鋁薄膜(鈍化膜),可保護內層金屬不再繼續氧化,因此純鋁在大氣中具有很好的耐蝕性能。但退火態純鋁的抗拉強度相當低,只有45 MPa,因此其使用范圍僅局限于飛機結構中受力不大的非結構件。飛機結構上使用的鋁合金大致可以分為兩種,即可熱處理強化的鋁合金和不可熱處理強化的鋁合金。

1  不可熱處理強化的鋁合金

(1)Al-Mn系合金(3000系列)

常用合金為3A21鋁合金,合金中錳為主要合金元素,它具有較高的強度、良好的塑性和工藝性能。3A21合金在室溫下的組織為a固溶體和在晶界上形成的(α+Al6Mn)共晶體。由于α固溶體與Al, Mn相的電極電位幾乎相等,因此合金的耐蝕性較好。該類合金的缺點是在冷變形硬化狀態下不能用在溫度高于100℃的場合,原因是在該條件下,其對應力腐蝕開裂(SCC)的敏感性較高。

(2)Al-Mg系合金(5000系列)

由于主要合金元素鎂的密度比鋁還小,加上其良好的焊接性能和抗震性能,所以這類合金在航空工業中得到了廣泛的應用,常用的有5A02、5A03、5A06等鋁合金。該類合金的強度一般高于3A21鋁錳合金的強度。在實際使用中,該材料呈單相固溶體組織,因此具有良好的耐蝕性能。其在大氣、海水中的耐蝕性能優于3A21合金,與純鋁相當;在酸性和堿性介質中,其耐蝕性稍遜于3A21合金。

該系合金的含鎂量愈高,強度也愈高。但其含鎂量不宜過高,應控制在8%(質量分數)以內。原因是當含鎂量高于8%以后,如果對其進行退火處理,會在晶界上連續析出Mg5Al8相,導致其耐蝕(晶間腐蝕和應力腐蝕)性能下降。

2  可熱處理強化的鋁合金

這類鋁合金可以通過熱處理來產生沉淀強化的效果,其強度較高,又稱為硬鋁合金,是航空上最為重要的結構件材料之一。

總體上看,鋁合金的強度隨溫度升高而降低,當飛機速度較高時,氣動加熱會影響鋁合金強度。鋁合金化后,其耐腐蝕性能減弱,常見的腐蝕形態有點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、剝蝕和應力腐蝕等。

點蝕是鋁合金最常見的腐蝕形態之一,硬鋁合金等耐點蝕能力較差。鋁合金易產生縫隙腐蝕,因為縫隙內易積存水分和污物,使涂層和包鋁層發生水化作用,降低其保護作用。

Al-Cu、Al-Cu-Mg、Al-Zn-Mg等合金產生晶間腐蝕的傾向較大。晶間腐蝕與 熱 處理工藝有關,采用自然時效腐蝕傾向較低,人工時效腐蝕傾向則較高,而過時效腐蝕傾向又降低。Al-Cu-Mg系硬鋁合金中的T6熱處理狀態比T3熱處理狀態具有更大的晶間腐蝕敏感性,因此除在高溫下工作的構件以外,這類合金一般均采用自然時效處理。

在飛機結構中,Al-Cu-Mg合金產生剝蝕的情況最多,Al-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg合金也有發生,但在形變Al-Si系中未見發生。

Al-Cu、Al-Cu-Mg硬鋁合金,特別是Al-Zn-Mg、Al-Zn-Mg-Cu等超硬鋁合金容易產生應力腐蝕。

(1)Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mn系合金(2000系列)

Al-Cu-Mg系合金是可熱處理強化鋁合金中最重要的合金系列之一,飛機結構中使用最為廣泛的該類合金為2024鋁合金,這類合金的主要強化相為S相(CuMgAl2),其次為θ相(CuAl2),通常在T3狀態下使用,具有斷裂韌性高、抗疲勞裂紋擴展能力強的特點。不過此狀態下的抗蝕(晶間腐蝕)性能不夠好,薄板一般包鋁后使用,也可配合陽極化處理、阿洛丁化學處理進一步提高其耐蝕性能。2000系列中目前最新、性能最好的合金是2524鋁合金,其韌性和抗疲勞性能均較2024鋁合金有重大改進,已成功應用于B777客機。

(2)Al-Zn-Mg-Cu系合金(7000系列)

Al-Zn-Mg-Cu系合金中最重要的是7075鋁合金,在T6狀態下其強度最高,但斷裂韌性最低,耐蝕性能(尤其是抗晶間腐蝕和應力腐蝕性能)較差。為了增強其耐蝕性能,需對其進行過時效處理,常見的有T73處理,即首先對鋁合金進行固溶處理,然后進行雙級時效處理(在較低溫度下加熱保溫一段時間后,再在較高溫度下加熱和保溫一段時間)。經此處理以后,雖然材料的抗拉強度下降大約15%,但是材料的耐應力腐蝕性能和晶間腐蝕抗力卻大大提高。7055是目前該系合金中合金化程度最高、強度也最高的鋁合金,近期研究成功的T77處理工藝,使該合金在高強度下仍能保持較高的斷裂韌性和良好的抗應力腐蝕性能,該種合金已成功應用于B777客機的主體結構。需要說明的是,在進行雙級時效處理之前,首先應對固溶處理(淬火)的工藝進行嚴格控制,否則將嚴重影響材料的抗晶間腐蝕性能。

現代飛機結構極大地依賴于鋁合金,它們還用于飛機骨架、蒙皮及受力件。在現代亞聲速民用客機上,鋁合金材料仍然是飛機構件的支柱材料,并且在不斷推出更新的航空鋁鋰合金等。因此,鋁合金在航空領域的重要作用仍會持續很多年。

空客公司在A380客機大部分結構零件采用了新型且先進的金屬材料,鋁合金占的比例最大(占機體結構質量的61%),尤其是在A380機翼部位(機翼的80%以上是鋁合金材料)。為了實現性能改進,以提高強度和損傷容限,增強穩定性并提高抗腐蝕能力,開發出了創新性的鋁合金材料和工藝技術。A380-800飛機在鋁合金結構上取得的主要成就包括:

①在機身壁板上引用了很寬的鈑金材料,減少了連接件,從而減輕了質量;

②在主地板橫梁上采用了先進的鋁鋰合金擠壓件,其在這一部位的應用可與碳纖維增強塑料相媲美。

2014年投入使用的A350客機也采用了最新的鋁鋰合金,不僅由于材料密度降低而減輕了機體質量,同時還可以采用與現有的鋁合金零件相同的技術和方法對新材料的零部件進行修理。

 

鈦合金的耐蝕性能

鈦不但資源豐富,而且具有密度小、比強度高、耐熱性高及優異的耐蝕性,此外,鈦還具有很高的塑性和優良的冷熱加工性能,從而使其在現代工業中占有極其重要的地位,在航空、化工、導彈、航天及艦船等方面,鈦及其合金得到廣泛的應用。

鈦合金在飛機結構和非結構方面應用廣泛(見表1),鈦合金在航空領域的廣泛應用主要基于以下一個或幾個理由:

(1)優秀的抗腐蝕性,在腐蝕過程中不會產生點蝕。

(2)高的比強度。

(3)高的使用溫度。

(4)減輕質量,密度大約比鋼小40%。

(5)減輕空間約束問題。

(6)和其他材料的兼容性。

表1 各種鈦合金在飛機上的應用


1  純鈦

鈦有較高的強度(退火后,工業純鈦的抗拉強度σb=550~700MPa),約為鋁的6倍,鈦同時兼有鋼(強度高)和鋁(質輕)的優點,因此鈦的比強度在結構材料中是很高的。鈦的線膨脹系數較小,在高溫條件下或熱加工過程中產生的熱應力??;導熱性差,只有鐵的1/5;摩擦因數大(μ=0.42),因此切削、磨削加工困難;鈦的彈性模量較低,屈服強度高,因此鈦及其合金冷變形加工時的回彈性大,不易成形和校直;純凈的鈦有良好的可塑性,它的韌性超過純鐵的2倍。

工業純鈦按其雜質含量不同,可分為TA1,TA2,TA3三個牌號。牌號順序數字增大,雜質含量增加,鈦的強度增加,塑性下降。

2  鈦合金

為了提高強度,可在鈦中加入合金元素。合金元素融入α-Ti中形成α固溶體,融入β-Ti中形成β固溶體。鋁、碳、氮、氧和硼等元素使α與β同素異晶轉變溫度升高,稱為α穩定化元素;而鐵、鉬、鎂、鉻、錳和釩等元素使同素異晶轉變溫度降低,稱為β穩定化元素;錫和鋯等元素對轉變溫度影響不明顯,稱為中性元素。

根據使用狀態的組織,鈦合金可分為α鈦合金、β鈦合金和(α+β)鈦合金三類。(α+β)鈦合金兼有α和β鈦合金兩者的優點,耐熱性和塑性都較好,并且可進行熱處理強化,這類合金的生產工藝也比較簡單。因此,(α+β)鈦合金的應用比較廣泛,其中以TC4(Ti-6Al-4V)應用最為廣泛。

鈦合金氧化膜的穩定性遠高于鋁和不銹鋼氧化膜的穩定性。保護膜因機械操作遭到破壞時,能很快恢復。所以,鈦及鈦合金在很多高活性介質中都具有較高的耐腐蝕能力。


 
合金鋼的耐蝕性能分析

一般來說,約有12%~16%的飛機基本結構是用合金鋼(包括不銹鋼)制作的。其最大的優點是具有高強度(見表2)和高彈性模量,其應用見表3。

表2 飛機常用合金鋼的強度范圍


強度低于200KSI認為是低強度,強度高于200KSI認為是高強度

表3 飛機常用的合金鋼


高強度優質合金結構鋼在潮濕工業大氣、海洋大氣等環境中,抗腐蝕性能比碳鋼有所提高。但是,在沒有保護措施的情況下,它們仍具有碳鋼的各種腐蝕傾向。

一般把在空氣和中性介質中能夠耐腐蝕的鋼稱為不銹鋼,而把能在各種侵蝕性較強的介質中工作的耐蝕鋼稱為耐酸鋼。通常把不銹鋼和耐酸鋼統稱為不銹耐酸鋼,簡稱為不銹鋼。

不銹鋼的“不銹”只是相對的,在一定的條件下不銹鋼也會腐蝕,因此沒有絕對“不銹”的不銹鋼。按照內部微觀組織結構的不同,可以把不銹鋼分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼四種。

1  馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼是一類含碳量較高的鉻不銹鋼,其含碳量在0.1%~0.9%范圍,含鉻量在12%~18%范圍。這類鋼的特點是含碳量比其他種類不銹鋼要高,除添加合金元素鉻外,有時還添加少量的鉬或鎳,如1Cr17Ni2,9Cr18MoV等。馬氏體不銹鋼比鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的耐蝕性都差,而且含碳量越高,其耐蝕性越差。

馬氏體不銹鋼在大氣、海水和氧化性介質中耐蝕性較好,但在如硫酸、鹽酸等非氧化性酸中不耐蝕。

馬氏體不銹鋼抗局部腐蝕能力較低,如對點蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕較敏感,對氫脆敏感性大,因此在有可能產生局部腐蝕的環境中,應盡量避免使用。

2  鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼是以鉻為主要合金元素(質量分數在12%~18%范圍),具有體心立方晶體結構的鐵基合金,如Cr13型,Cr17型和Cr25~28型等類型,常加入Ni、Mo、Cu、Ti、Nb等合金元素來提高其耐蝕性。

鐵素體不銹鋼最突出的特點是在含有Cl-離子的水溶液中具有優異的抗應力腐蝕能力,這比鎳鉻奧氏體不銹鋼要好得多。普通鐵素體不銹鋼抗點蝕、縫隙腐蝕的能力較差,可通過提高鉻含量來改善其性能,比如當Cr含量達25%或以上時,其抗點蝕、縫隙腐蝕的性能會得到改善。另外,也可通過在普通鐵素體不銹鋼中加入合金元素Mo來提高其抗點蝕、縫隙腐蝕的性能。

3  奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼的含鉻量一般在18%以上,含鎳量一般在8%以上,且室溫具有單相奧氏體組織。奧氏體不銹鋼不僅具有優良的耐蝕性能,而且也具有良好的綜合力學性能、工藝性能和焊接性能,是不銹鋼中最重要、用途最廣泛的一類不銹鋼。18-8類型不銹鋼(即含鉻17%~19%,含鎳7%~9%)為常見的奧氏體不銹鋼。

點蝕和縫隙腐蝕是奧氏體不銹鋼在氯化物環境中常見的局部腐蝕形態,可通過添加合金元素Cr,Mo來提高其耐蝕性能。隨著含Cr量的不斷提高,材料表面鈍化膜的穩定性也不斷增強。Mo的作用有多種解釋,通常認為加入Mo后便于形成可溶性鉬酸鹽,吸附在金屬表面的活性位置上,從而抑制了金屬的溶解。奧氏體不銹鋼對應力腐蝕開裂(SCC)非常敏感,可通過添加合金元素Ni來降低其敏感性。

4  奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼

奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的室溫組織中同時含有奧氏體相與鐵素體相。它既有奧氏體不銹鋼所具備的優良的韌性與焊接性能,同時也具有鐵素體不銹鋼的高強度和耐氯化物應力腐蝕開裂的性能。與純奧氏體不銹鋼相比,奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的晶間腐蝕敏感性也較小,即具有很好的抗晶間腐蝕性能。在較低的應力水平下,奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼顯示出比奧氏體不銹鋼更為優異的耐SCC性能,但是隨著應力的不斷提高,其耐SCC性能逐漸下降,甚至都不如奧氏體不銹鋼。奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼具有較高的抗點蝕性能。

總的來說,不銹鋼耐蝕性能較高。但是不銹鋼在含有氯化物的介質中,由于氯離子的作用,可在不銹鋼鈍化膜的薄弱區、有缺陷的部位以及有硫化物夾雜或晶界碳化物的地方產生點蝕。在不銹鋼構件與其他構件相連的微小縫隙處,易產生縫隙腐蝕。

復合材料的耐蝕性能

復合材料腐蝕主要包括樹脂基體腐蝕、增強材料腐蝕、界面腐蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞。非金屬材料,如塑料、橡膠等,不能導電,一般來說耐蝕性能都高于金屬材料,所以非金屬也被廣泛地用作保護層,以提高金屬材料的耐蝕性。在飛機材料方面,隨著民用飛機的安全性、經濟性、舒適性和環保性不斷提高,復合材料被大量、廣泛使用。如波音B737、空客A320等機型已經使用了以環氧樹脂為基體,碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維為增強材料的復合材料。

飛機復合材料采用的主要纖維品種有碳纖維、硼纖維等,主要基體材料是環氧樹脂。飛機中復合材料結構的形式大致有以下幾種:附加于金屬結構上的增強鋪層,纏繞管件組成的框架,復合材料夾層結構,加強或不加強的蒙皮結構,纏繞旋轉殼體或壓力容器。復合材料結構須滿足飛行溫度、濕度、紫外線等介質的大氣腐蝕環境的要求。

對于復合材料的構件及機翼前緣、雷達罩等易受雨蝕的部位,飛機在雨中飛行時其迎面受到雨滴的直接撞擊,使復合材料構件表面脫黏、破裂且受雨水浸蝕,形成蝕坑甚至使復合材料產生剝離。對于這些部位應采用有效的防雨蝕涂料進行表面防護。

對有導電要求(如防雷擊)的復合材料結構應采用搭接線,不可通過復合材料與金屬材料(如鋁合金)的直接接觸或通過緊固件傳導電流。


飛機復合材料的防護要求如下:

(1)材料應滿足飛機結構溫度,濕度,紫外線和大氣等腐蝕環境要求;

(2)應優先選與之電位相當的鈦合金等;

(3)匹配時,應在結合界面設置不吸濕、不腐蝕和不導電的隔離層;

(4)在易受雨蝕的部位,應采用有效的防雨蝕涂料進行表面防護。

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