飞机结构的腐蚀损伤综述

飞机结构的腐蚀损伤综述

7[摘要] 腐蚀损伤已经对飞机安全使用及军机的战斗力发挥构成了严重的威胁。本文简述了飞机结构腐蚀损伤的产生形式、腐蚀机理以及影响因素，分析了国内外相关领域的研究成果及发展现状，对腐蚀损伤的发展前景进行了讨论。

[关键词] 飞机结构腐蚀损伤局部腐蚀

1.前言

腐蚀与腐蚀疲劳是常见的飞机损伤形式之一，调查表明，由于腐蚀或腐蚀疲劳造成的事故占飞机全部损伤事故的20％。1981年，一架台湾波音737客机因机身下部结构腐蚀，蒙皮变薄，产生孔洞和裂纹，导致飞机在空中解体。1982年，一架日航DC-8喷气式客机在上海虹桥机场着陆时，由于飞机刹车系统的高压气瓶腐蚀疲劳而引起爆炸导致刹车失灵，对飞机和旅客造成极大的伤害。2000年，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，飞机坠入南中国海，225人丧生。我国空军部队也陆续发现多架战斗机某部位存在不同程度的腐蚀损伤，有的飞机机身蒙皮出现了250×70平方毫米深2.8毫米的腐蚀区，有的飞机机体结构腐蚀深度甚至达到了4毫米。结构腐蚀与腐蚀疲劳已经对我国军用飞机的安全使用与战斗力发挥构成了严重的威胁。

2.飞机结构的腐蚀损伤

飞机结构由于使用环境和服役年限的不同，发生的腐蚀破坏有多种形式，其中主要腐蚀类型包括全面腐蚀和局部腐蚀[1]。全面腐蚀可以是均匀腐蚀，也可以是不均匀的。局部腐蚀虽然只造成局部损伤，但对结构件强度的影响远远超过全表面的均匀腐蚀。根据破坏的类型，局部腐蚀分为点蚀、晶间腐蚀、穿晶腐蚀等。局部腐蚀对结构件强度的严重影响，不仅是因为腐蚀损伤相对集中，显著减小结构件截面尺寸，以及导致应力集中；还在于在这些蚀坑、小孔、裂纹内部的腐蚀环境，包括介质成分、浓度和电位分布，会发生变化，加快腐蚀[2]。

局部腐蚀中的点蚀是飞机结构常遇到的腐蚀破坏形态。点蚀也称为坑蚀、孔蚀或小孔腐蚀。它是金属或合金表面上个别的区域被腐蚀出现的一些小而深的近似圆形或椭圆形的小孔，是一种极为隐蔽的局部腐蚀形态。按照ASTM(美国材料试验协会)标准，蚀坑(又叫坑蚀)可定义为：“集中于金属表面很小范围内并形成小孔的一种局部腐蚀形式” [3]。

飞机机体上使用了大量铝合金材料，用铝合金材料制造的机体结构强度高、重量轻，但是在环境介质作用下对腐蚀却是相当敏感的[4]。这是因为铝合金与氧有很强的亲和能力，在空气或水中其表面能自然形成一层氧化物膜。这层氧化物膜的存在使得铝及其合金在普通大气环境下表现出优良的耐蚀性[5]。但是，一些离子，尤其是自然界广泛存在的卤化物，则会破坏铝表面的致密防护层，引发腐蚀。铝合金在很多情况下都会发生点蚀，在潮湿的空气中或者在含有氯离子

的海洋大气环境中，当铝合金表面防护涂层损坏时就极易发生点蚀。点蚀的危害极大，蚀孔常常被腐蚀产物覆盖住，很难检查，容易穿透结构件而造成事故。另外，产生于缝隙内的点蚀的发展速度一般比表面的点蚀发展速度快，是导致疲劳断裂的重要原因。

飞机的腐蚀损伤一般有以下几个规律：沿海地区使用的飞机腐蚀比内地的严重；大气污染严重地区的飞机腐蚀比其它地区严重；服役日历年限长的飞机腐蚀比服役时间短的严重；连续停放时间长的飞机腐蚀比经常使用和维护的严重；在多雨水、多盐雾、空气湿度大和温度高的地区飞机腐蚀比较严重。由此可见，盐雾、工业污染、大气湿度和温度是影响飞机腐蚀的很重要的因素。影响飞机结构腐蚀的因素还有：飞行中恶劣的气候条件；飞行高度，如飞机在低空飞行比在高空飞行受到的大气腐蚀严重；跑道状况，如飞机在砂土、泥土或草地上起降时会受到严重的腐蚀；燃料、液压油、冷却剂、密封剂以及油类氧化产物和燃烧产物等；电池液、材料等经化学处理后没有清洗干净的酸或碱；非金属材料释放出的有害气体，如聚乙烯释放出的氯化氢、酚醛树脂漆释放出的甲醛、乙酸等。

3.国内外研究现状

国外对腐蚀与腐蚀疲劳的研究内容相当全面和广泛。国外许多国家在腐蚀损伤普查与数据库的建立、实验室加速模拟腐蚀试验技术、腐蚀对疲劳裂纹成核与裂纹扩展速率的影响、腐蚀对飞机结构寿命的影响规律以及腐蚀环境下结构寿命的预测方法等方面的研究，取得了显著的成果。进入二十世纪九十年代，随着大批军用和民用飞机的服役年限先后达到20年，为了充分利用这些飞机，美国、加拿大、澳大利亚等国在老龄飞机寿命评估方面开展了大量的飞机结构腐蚀损伤相关试验和理论研究。自1996以来，以美国为代表的西方国家每隔一年召开一次老龄飞机会议，探讨腐蚀损伤（以及由腐蚀损伤引起的多裂纹与广布损伤）对飞机结构剩余强度与疲劳寿命的影响以及腐蚀损伤检测方法。最近十年国外又有了一些新的关于腐蚀与腐蚀疲劳的研究成果。Valor等提出了预测腐蚀损伤结构裂纹成核与扩展的概率模型。Sankaran等提出了腐蚀坑的平均深度是评价铝合金结构寿命的一个重要的标准，对比分析了不同腐蚀坑形貌对寿命影响。DuQuesnay等研究了服役条件下飞机结构预腐蚀损伤材料铝合金的疲劳裂纹扩展过程。Kermanidis等探讨了预腐蚀损伤结构的疲劳寿命与损伤容限。Pan Shi 等通过损伤容限方法建立预测结构腐蚀疲劳寿命的模型。Medved等研究了腐蚀坑尺寸分布规律及其与结构疲劳寿命之间的关系。Liao M等探讨了在自然条件下产生的腐蚀损伤对机体结构疲劳寿命、结构剩余强度及寿命的影响，建立了腐蚀环境下飞机结构的疲劳寿命模型。Ramana M等讨论了利用图像学的方法按腐蚀区的实际形貌建立剩余强度的预测模型。

我国在结构腐蚀与腐蚀疲劳机理，腐蚀损伤普查，载荷谱与环境谱的确定，结构材料在多种环境条件下的疲劳试验，腐蚀环境下结构的疲劳寿命预测模型等方面取得了一些研究成果，并找到了一些适用试验方法，积累了一些航空常用材料的腐蚀试验数据和分析结果。贺小帆、刘文珽等将腐蚀条件下飞机结构使用过程简化为相互独立的停放预腐蚀和空中腐蚀疲劳过程，以一般环境下的耐久性分析相对小裂纹扩展公式，引入地面停放预腐蚀影响系数和腐蚀疲劳影响系数，建

立腐蚀条件下考虑环境和应力水平影响的裂纹扩展模型，进行腐蚀条件下民机结构疲劳寿命评定。张福泽、赵明泮等提出了基于腐蚀损伤曲线累积假设的结构腐蚀损伤寿命的计算模型和寿命预测方法。董登科等通过对无环境腐蚀介质影响下的模型进行修正，提出了一种用于计算有环境介质影响的飞机结构服役寿命的方法。沈海军等通过实验研究了典型飞机铝合金结构件的腐蚀与腐蚀疲劳，建立了腐蚀条件下飞机结构的全寿命模型。张有宏等通过实验室加速模拟试验技术方法，研究了在不同腐蚀时间不同腐蚀温度条件下L Y12CZ铝合金结构件的腐蚀损伤形态及其对疲劳寿命的影响。

4.发展前景

腐蚀损伤引起机体结构材料的断裂韧性降低，加快裂纹的形成与扩展，从而严重降低飞机结构的剩余强度和寿命，甚至产生无预兆的突然断裂。大量的飞机失效、破坏、灾难实例表明：腐蚀与腐蚀疲劳不仅直接影响到飞机的飞行安全，降低飞机的服役期限，造成飞机停飞甚至提前退役，还给飞机机务维修工作带来沉重负担，同时还带来巨大的维修费用。要准确评定腐蚀条件下结构的疲劳性能和使用寿命，必须开展大量的腐蚀环境影响飞机结构寿命情况的试验研究，研究腐蚀损伤演化规律；腐蚀损伤与疲劳寿命和剩余强度之间的相关规律。因此，如何系统测评飞机结构的腐蚀损伤，如何评价腐蚀损伤对飞机结构剩余强度与疲劳寿命的影响，以及如何预测飞机结构的腐蚀疲劳寿命是亟待解决的重大课题。

参考文献：

[1]赵麦群，雷阿丽．金属的腐蚀与防护[M]．北京：国防工业出版社，2002．

[2]刘秀晨，安成强．金属腐蚀学[M]．北京：国防工业出版社，2002．

[3] Standard Guide for Examination andEvaluation of Pitting Corrosion[S]. ASTM G49-99, USA: American Society for Testing and Materials. 1999．

[4]陈群志．腐蚀环境下飞机结构日历寿命技术体系研究[D].北京：北京航空航天大学，1999．

[5]廖灵洪．老龄飞机腐蚀预防和控制[J]．腐蚀控制：2005，19(1)：20-23．