本文首先介紹了飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的電偶腐蝕現(xiàn)象，然后介紹了電偶腐蝕的基本概念與影響因素，最后簡(jiǎn)要介紹了飛機(jī)結(jié)構(gòu)中控制電偶腐蝕的方法，并給出了控制飛機(jī)結(jié)構(gòu)中電偶腐蝕問(wèn)題的方法思路與建議。

機(jī)械制造工藝研究所飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的電偶腐蝕現(xiàn)象飛機(jī)在使用過(guò)程中，隨著服役時(shí)間的增加，腐蝕引起的損傷與破壞更加突出，因此腐蝕是老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)失效的主要原因。美國(guó)空軍后勤中心(ALC) 對(duì)二十多種現(xiàn)役飛機(jī)的詳細(xì)調(diào)查，結(jié)果表明，開(kāi)裂與腐蝕各占飛機(jī)全部損傷事故的百分之三十和百分之二十，而開(kāi)裂往往是由腐蝕造成，腐蝕使裂紋在使用載荷作用下疲勞擴(kuò)展。我國(guó)對(duì)一些類型現(xiàn)役機(jī)種的腐蝕調(diào)查同樣表明，腐蝕狀況也比較突出，特別是對(duì)海軍使用的各型飛機(jī)，腐蝕問(wèn)題更為普遍和嚴(yán)重。

由于飛機(jī)不同部位對(duì)材料性能的要求不同，致使在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中采用大量不同種類的結(jié)構(gòu)材料，而異類結(jié)構(gòu)材料的接觸使用常常導(dǎo)致電偶腐蝕問(wèn)題十分突出。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，1971 年，一架Vanguard 型飛機(jī)，由于廁所污水所引起的接頭腐蝕破壞(電偶腐蝕造成)，造成載有六十多人的飛機(jī)墜毀。近些年來(lái)，據(jù)調(diào)查分析，由于腐蝕造成的飛機(jī)結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致飛機(jī)墜毀的案例屢見(jiàn)不鮮。圖1 所示為土耳其某航空公司的波音737 型飛機(jī)墜毀現(xiàn)場(chǎng)。

據(jù)2002 年中國(guó)對(duì)飛機(jī)腐蝕調(diào)查，我國(guó)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)普遍存在的電偶腐蝕問(wèn)題表現(xiàn)在下述區(qū)域： (1) 絕大部分的飛機(jī)后貨艙地板與地板梁搭接處的電偶腐蝕;(2) 大部分飛機(jī)的機(jī)腹下部天線與機(jī)腹的搭接處等結(jié)構(gòu)件與連接件的電偶腐蝕。

圖1 波音飛機(jī)及其墜毀現(xiàn)場(chǎng)

電偶腐蝕基本概念

當(dāng)兩種電極電位不同的金屬或合金相接觸并放入電解質(zhì)溶液中時(shí)，即可發(fā)現(xiàn)電極電位較低金屬腐蝕加速，而電位較高的金屬腐蝕反而減慢，這種在一定條件下產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕，即由于同電極電位較高的金屬接觸而引起腐蝕速度增大的現(xiàn)象，稱為電偶腐蝕或異種金屬腐蝕。電偶腐蝕基本原理圖如圖2 所示。

圖2 電偶腐蝕基本原理圖

電偶腐蝕加速效應(yīng)極大地促進(jìn)了電極電位較低金屬的腐蝕，造成結(jié)構(gòu)失效、材料浪費(fèi)，引發(fā)安全事故。電偶腐蝕與互相接觸的金屬在溶液中的實(shí)際電位有關(guān)，產(chǎn)生電偶腐蝕的動(dòng)力來(lái)自兩種不同金屬接觸的實(shí)際電位差。一般來(lái)說(shuō)，兩種金屬的電極電位差愈大，電偶腐蝕愈嚴(yán)重，它是產(chǎn)生電偶腐蝕的必要條件，但它不能決定腐蝕電偶的速率。電偶腐蝕作為一種普遍的腐蝕現(xiàn)象，可誘導(dǎo)甚至加速應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、氫脆等腐蝕過(guò)程的發(fā)生。典型不銹鋼螺釘與中碳鋼板材連接使用后的電偶腐蝕現(xiàn)象如圖3 所示。

圖3 不銹鋼螺釘與中碳鋼板材連接后的電偶腐蝕現(xiàn)象

圖4 飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)的電偶腐蝕現(xiàn)象

電偶腐蝕的影響因素

1、幾何因素的影響

陰極與陽(yáng)極相對(duì)面積比對(duì)電偶速率有著重要的影響。陰、陽(yáng)極面積比的比值愈大，則陽(yáng)極電流密度愈大，從而陽(yáng)極金屬腐蝕速率越大。在氫去極化腐蝕的情況下，陰極上的氫過(guò)電位與電流密度有關(guān)，陰極面積越大，則電流密度越小，氫過(guò)電位也越小，越容易發(fā)生氫去極化，因而陽(yáng)極腐蝕速率加快。在氧去極化腐蝕的情況下，若過(guò)程由氧離子化過(guò)電位所控制，則陰極面積的增大導(dǎo)致氧過(guò)電位降低，因而陽(yáng)極腐蝕速率加快;如果過(guò)程由氧擴(kuò)散所控制，則陰極面積增大能接受更多的氧發(fā)生還原反應(yīng)，因而腐蝕電流也增大，由此導(dǎo)致陽(yáng)極腐蝕加速。所以，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中小陽(yáng)極和大陰極式的電偶結(jié)構(gòu)是很危險(xiǎn)的。如圖4 所示，為未經(jīng)表面處理飛機(jī)結(jié)構(gòu)件連接后，環(huán)境試驗(yàn)后，飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)與鉚釘連接處嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。因?yàn)殂T釘與蒙皮之間存在電位差，且鉚釘材料的電位較高，蒙皮材料電位較低，兩者連接后構(gòu)成異種金屬電偶腐蝕，鉚釘材料(高電位)加速蒙皮材料(低電位)結(jié)構(gòu)腐蝕，使得在未經(jīng)過(guò)表面處理控制連接后的鋁合金蒙皮鉚釘孔周?chē)娕几g非常嚴(yán)重。

2、環(huán)境因素的影響

環(huán)境因素的性質(zhì)如介質(zhì)的組成、溫度、電解質(zhì)溶液的電阻、溶液的pH 值、環(huán)境工況條件的變化等因素均對(duì)電偶腐蝕有重要的影響。如圖5 所示為飛機(jī)某結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境下的發(fā)生嚴(yán)重電偶腐蝕現(xiàn)象。

圖5 飛機(jī)某結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境下的電偶腐蝕現(xiàn)象

3、 材料自身因素的影響

影響接觸腐蝕首要因素是被接觸材料本身，材料本身材質(zhì)狀態(tài)、合金元素種類與含量以及物理化學(xué)性能等都會(huì)影響到材料發(fā)生接觸腐蝕的傾向。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)研究報(bào)道，在30 ℃，3.5%NaCl 水溶液中，與鈦合金TC4 偶對(duì)，鋁合金LY12 的電偶腐蝕敏感性比LC4 低;不銹鋼Cr17Ni2 的腐蝕電流比結(jié)構(gòu)鋼3oCrMnSiA 低100 倍。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中電偶腐蝕控制技術(shù)

目前，在國(guó)內(nèi)外的航空工業(yè)上，控制飛機(jī)結(jié)構(gòu)電偶腐蝕的措施主要?dú)w納為以下兩大方面：

1、采用合理的鍍層或化學(xué)轉(zhuǎn)化膜

金屬覆蓋層技術(shù)是指在金屬基體上覆蓋一層或多層金屬涂層(或鍍層)的技術(shù)，以達(dá)到保護(hù)基體金屬、防止基體金屬腐蝕的目的。金屬覆蓋層技術(shù)主要包括電鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍、熱噴鍍等。根據(jù)使用目的的不同，可將金屬覆蓋層分為防護(hù)性覆蓋層、防護(hù)裝飾性覆蓋層和功能性覆蓋層三大類。采用此方法將材料表面改性，使相接觸的材料具有相近的電位，從而有效地防止電偶腐蝕。

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)是采用化學(xué)或電化學(xué)方法在金屬表面上形成附著力良好的穩(wěn)定化合物膜層的技術(shù)，包括氧化膜或者發(fā)藍(lán)技術(shù)、陽(yáng)極氧化技術(shù)、磷酸鹽成膜技術(shù)、鉻酸成膜技術(shù)、草酸鹽技術(shù)等，金屬的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜主要用于防銹、防蝕、耐磨以及冷加工的潤(rùn)滑和涂裝的底層。

如圖6 所示，為鍍層技術(shù)、陽(yáng)極氧化與化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)在某結(jié)構(gòu)件材料中的應(yīng)用。總之，選用金屬覆蓋層作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)基體金屬的腐蝕控制與防護(hù)措施時(shí)，既要根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)基體金屬的種類和性質(zhì)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境和條件來(lái)確定金屬覆蓋層的材料類型，也要根據(jù)基體材料的表面狀態(tài)、飛機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、基體與覆蓋層的相容性等因素來(lái)考慮選擇適當(dāng)?shù)慕饘俑采w層制備技術(shù)。

圖6 鍍層技術(shù)、陽(yáng)極氧化與化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)在飛機(jī)某結(jié)構(gòu)件材料中的應(yīng)用

圖7 飛機(jī)內(nèi)倉(cāng)某結(jié)構(gòu)防電偶腐蝕涂料的應(yīng)用

2、涂漆或涂膠

非金屬覆蓋層技術(shù)是將非金屬涂料覆于材料表面形成具有一定功能并牢固附著的無(wú)機(jī)非金屬涂層，防護(hù)涂層應(yīng)有盡可能低的透水性、透氧性、透離子性以及良好的工藝性如附著力、固化收縮率等。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，采用環(huán)氧鋅黃底漆、雙組分密封膠防護(hù)可以有效地防止不銹鋼與鋁合金和鈦合金接觸產(chǎn)生的電偶腐蝕。采用涂密封膠的方法則是控制電偶腐蝕的常用工程技術(shù)方法，如圖所示7 所示為飛機(jī)內(nèi)倉(cāng)某結(jié)構(gòu)防電偶腐蝕涂料的應(yīng)用。

結(jié)束語(yǔ)

總之，在制定飛機(jī)結(jié)構(gòu)中防止或減少電偶腐蝕的方法時(shí)，首先我們要明確電偶腐蝕的影響因素。如前所述，形成電偶腐蝕的主要三因素：材料、接觸和環(huán)境，控制電偶腐蝕根本措施也就是要從這三方面入手。首先要合理的選材，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行表面改性或表面涂鍍層處理，以降低或消除電偶腐蝕;其次從設(shè)計(jì)方案進(jìn)行考慮，盡量避免或減少異種材料的接觸，對(duì)于無(wú)法避免的接觸要對(duì)其進(jìn)行絕緣隔離，同時(shí)要保證精密配合，盡量避免狹小縫隙的形成;最后控制工件的環(huán)境因素，避免潮濕環(huán)境、水汽、鹽霧，加強(qiáng)通風(fēng)，定時(shí)清理工件的懸著物或附著物，消除工作環(huán)境中的懸著物;同時(shí)可以利用密封膠或密封漆將工件與工作環(huán)境隔離，如緊固件涂漆密封，消除電偶腐蝕。

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