机载设备金属结构腐蚀机理及防腐设计浅析

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　　摘 要：腐蚀是造成机载设备失效的主要原因之一，对机载设备进行防腐设计是提高机载设备使用寿命的一个重要手段。本文主要从机载设备的金属结构腐蚀机理、腐蚀产生的原因以及防腐设计等方面对机载设备防腐设计进行了分析和阐述，对后续机载设备的结构设计有一定的参考意义。
　　关键词：机载设备;腐蚀机理;防腐设计
　　中图分类号：TG179 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0074-02
　　航空工业作为我国国防建设的重要项目之一，对我国国防事业有着不可忽视的重要作用。航空机载设备的腐蚀问题不仅降低了飞机的安全系数，而且当其出现腐蚀问题时，需停机进行长时间的维修工作，影响正常的飞行训练，另外，还需高昂维修费用，这些因素在很大程度上制约了我国航空事业的发展。基于以上因素，本文主要从机载设备的金属结构腐蚀机理、腐蚀产生的原因以及防腐设计包括材料选用、表面防腐、结构设计、制造工艺等方面对机载设备的防腐设计进行了分析和阐述。
　　1 金属腐蚀机理
　　金属材料在使用和生产过程中，由于环境因素不断作用，导致金属材质出现变质的情况，改变了金属原有的机械性能、物理性能和化学性能，将这种改变叫做金属腐蚀。
　　金属腐蚀的本质就是金属原子失去电子被氧化的过程。目前，将金属腐蚀分成两大类，分别是化学腐蚀以及电化学腐蚀。
　　1.1 化学腐蚀
　　环境介质和金属发生直接接触，导致金属出现化学反应。在金属化学腐蚀中，并不会产生电流，而是直接产生腐蚀产物，腐蚀产物会将腐蚀地点进行覆盖，一般发生化学腐蚀是由于使用环境介质中具备一定水分，空气比较潮湿。例如，钢铁在高温环境中往往发生腐蚀现象，如果同时存在含硫或含盐物质，则在高温环境下钢铁会加快腐蚀，这也称为热腐蚀。
　　1.2 电化学腐蚀
　　金属和氧形成两个电极，组成腐蚀原电池的金属不纯，在与电解质溶液发生接触的过程中，会出现原电池反应，活泼的金属就会失去电子，进而被氧化，最典型的例子就是钢铁在潮湿的空气中发生的腐蚀。
　　2 机载设备腐蚀产生的原因
　　根据航空机载设备发生腐蚀的机理分析，将其产生腐蚀的因素分为外部原因和内部原因。
　　对于外部因素，主要指外界自然环境。航空机载设备随飞机在包括高低温、低气压、盐雾、砂尘、淋雨和霉菌等严酷恶劣的复杂气候环境中使用，自然环境中潮湿的空气、腐蚀性的气体、空气中存在的含硫或含盐污染物质、使用情况，都是机载设备发生腐蚀的外部因素。
　　对于内部因素，主要是指航空机载设备本身所具有的抗腐蚀能力，包括航空机载设备的材料选用、表面防护、结构设计、零部件的加工制造工艺等方面。
　　3 机载设备防腐蚀的设计
　　3.1 材料选用
　　材料选用是防腐设计的基础环节，针对机载设备使用环境，结合其所需的力学结构特性，机载设备结构件通常采用铝合金，包括2A12、防锈铝、7050等，不锈钢包括马氏体型不锈钢14Cr17Ni2、奥氏体型不锈钢1Cr18Ni9Ti、沉淀硬化型不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr15Ni5Cu2Ti，钛合金包括TC11、TC4等材料。
　　铝合金密度低、强度高、耐蚀性好，易加工成型，通过热处理和表面处理后可以得到良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。其主要用于机载设备外形结构如骨架、侧板、蒙皮等。
　　不锈钢密度高，强度、硬度及耐磨性均较好，其中的沉淀硬化型不锈钢的耐蚀性能在不锈钢类型中耐蚀性能最优。其主要用于机载设备的承力结构，如挂钩、接头、止动螺栓、连接螺栓等。
　　钛合金密度低，强度高，低温性能良好，能够耐酸耐碱，在严酷的气候环境被广泛应用，适用于要求重量轻、刚强度高的航空机载设备中。主要用于机载设备的承力结构如连接接头、止动器、气阀集成座等。
　　3.2 表面防护
　　虽然金属表面会形成一层天然的保护膜，但在严酷恶劣的气候环境中其不能达到防腐防护效果，因此，对于机载设备的零组件在加工制造完成后，都要对其进行表面防护，以提高其产品的防腐性能。
　　3.2.1 表面处理
　　表面处理技术主要是金属表面化学转化膜，使其表面形成致密的氧化物薄膜，达到防腐效果。针对铝合金材料，其表面处理应用较多的是化学氧化处理和阳极化氧化处理。其中，阳极化氧化处理的防腐性能优于化学氧化处理，工厂应用较多的是对铝合金零件进行硫酸和铬酸阳极化处理;对于不锈钢材料，其表面处理应用较多的是钝化处理，然后用偏碱的溶液进行冲洗;对于钛合金材料，其表面处理应用较多的是发蓝处理。
　　以上材料的表面处理防护措施均经过多次的湿热、240h盐雾、砂尘和淋雨等严酷恶劣的气候环境试验考核，表面防护措施有效。
　　3.2.2 喷漆处理
　　机载设备的表面防护措施的另一种方式是喷漆处理，即在对机载设备零组件进行表面处理后，再对其进行喷漆，进一步提高其耐蚀性能。喷漆表面不仅可以使机载设备与环境中的腐蚀介质隔离，对金属表面的腐蚀进行抑制。
　　机载设备的表面喷漆可以采用底漆和面漆结合使用，达到多层防护的效果。漆层选用上尽量选用与金属附着力强的漆层，如QH-15防腐环氧底漆和QFS-15/B05号海灰色耐候聚氨酯磁漆，耐严酷气候环境的纳米漆等。
　　3.3 结构设计
　　3.3.1 防腐结构设计原则
　　若机载设备零组件结构几何形状比较复杂，那么出现腐蚀的概率就会增加，而且腐蚀会随着时间推移不断严重。因此，对于机载设备而言，尽量遵循简单原则，减少尖角设计;尽量使机载设备的零组件形状简单，减少表面与腐蚀介质的接触面积，降低腐蚀发生的概率。
　　3.3.2 排水孔设置
　　机载设备大多采用铝合金及不锈钢等材质制造而成，在经过长时间使用后，表面出现裂缝，若液体流通不畅，则该部位就很容易出现腐蚀裂缝。在经过长时间的腐蚀后，会容易造成应力腐蚀，会对机载设备整体结构造成严重影响。
　　因此，对于机载设备中有可能会有雨水、冷凝水等凝结聚集的地方，为防止水分在此处聚集，应在相应结构部位设置排水口，如图1所示，保证机载设备尽量处于干燥状态。
　　3.4 不同零部件材料设置
　　机载设备的不同零部件尽量保持材料统一属性，尤其是在二者连接处，避免出现较大缝隙，发生缝隙腐蚀;另外，当两种有电位差的金属直接接触并处于同一电解溶液环境中时，就可能会发射电化学腐蚀。因此，在结构设计时，尽量避免不同金属材料直接接触，若无法避免，应采取相应措施降低其电位差。
　　3.5 优化强度设计
　　机载设备结构设计时，需考虑机载设备在腐蚀条件下的机械刚强度。一般来说，所设计的机载设备结构不但要满足高腐蚀强度，还要考虑到高机械刚度，留有一定腐蚀余量，腐蚀余量要超过机械结构腐蚀深度限制两倍。
　　3.6 密封结构设计
　　对于机载设备的结构设计过程中，尽量选用密封结构设计，尤其是对于机载设备抗腐蚀能力薄弱部位，使其尽量避免与腐蚀性环境直接接触，如螺钉连接处涂胶、盒体腔型零组件灌胶处理等，灌胶处理如图2所示。
　　3.7 其他方面
　　机载设备的防腐还可以从制造方面着手，如提高金属表面加工精度，提高粗糙度;经试验考核验证，粗糙度精度高的零组件其耐腐性能优于粗糙度精度等级低的零组件，图3是机载设备零部件经过盐雾试验考核后表面锈蚀情况。
　　4 结语
　　防腐设计是机载设备结构设计的重要组成部分，零组件材料选用时，尽量选用防腐性能优良的铝合金、不锈钢及钛合金;表面防护方面主要是结合机载设备零组件的不同使用环境和防腐要求，选用不同的防护措施，铝合金的阳极化、不锈钢的钝化和钛合金的发蓝处理等;结构设计方面遵循简单原则，避免不同材料的电化学腐蚀、缝隙腐蚀同时针对具体结构设置排水孔和采用灌胶涂胶等密封结构设计;另外，提高零组件表面的加工粗糙度精度，也可以提供机载设备的耐蚀性能。
　　参考文献
　　[1] 汪定江，潘庆军.军用飛机的腐蚀与防护[M].北京：航空工业出版社，2006.
　　[2] 张巧凤.机载电子设备结构单元的防腐蚀设计[J].机械研究与应用，2018（31）：106-107.
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