飛機常用鍍鎘鋼在機場道面除冰液中的腐蝕行為

張亞博，彭華喬，蘇正良，王強，林修洲，張帆

（1.中國民航局第二研究所，成都610041；2.四川理工學院，自貢643000）

試驗研究

飛機常用鍍鎘鋼在機場道面除冰液中的腐蝕行為

張亞博1，彭華喬1，蘇正良1，王強1，林修洲2，張帆1

（1.中國民航局第二研究所，成都610041；2.四川理工學院，自貢643000）

采用全浸泡腐蝕試驗方法和電化學測試研究了飛機常用鍍鎘鋼在機場道面除冰液中的腐蝕行為。采用能譜和紅外光譜分析了腐蝕產物的構成。結果表明：在機場道面除冰液中，隨著溫度的升高，鍍鎘鋼試件的腐蝕速率逐漸增大，鍍鎘鋼的腐蝕不是純擴散控制的電化學反應，陽極的電化學反應與鍍鎘層的腐蝕溶解有關；經過鉻酸鹽鈍化后的鍍鎘鋼和鍍鎘鈦鋼在機場道面除冰液中的腐蝕可能存在多個氧化還原反應，鉻酸鹽鈍化產物也參與了電化學反應，腐蝕反應比較復雜；腐蝕產物中含有碳酸鹽和磷酸鹽；鍍鎘鋼表面上的碳酸鹽可能來自機場道面除冰液有機鹽的分解，磷酸鹽可能來自機場道面除冰液中的緩蝕劑或p H緩沖劑。

機場道面除冰液；鍍鎘鋼；腐蝕行為；腐蝕機理；全浸泡腐蝕測試；循環腐蝕測試

表面鍍鎘是我國航空工業用高強度鋼的主要防腐蝕手段［1］。飛機起落架及連接件等高強度鋼部件的表面一般都會進行鍍鎘處理，以防止飛機用高強度鋼產生氫脆腐蝕。飛機的某些零部件，在噴涂防護涂料前或維修時，也需要按照要求進行鍍鎘或者鍍鎘-鈦保護處理，以降低飛機零部件發生腐蝕的可能性［2-3］。

在寒冷的地區，國內外各機場為了確保飛機冬季起降飛行安全，使用大量機場道面除冰液，防止機場道面結冰和積雪。但是，國內外機場和管理部門發現，大量飛機鍍鎘鋼零部件表面的腐蝕與機場道面除冰液的使用有關，機場道面除冰液對飛機鍍鎘鋼零部件的腐蝕不容忽視［4-5］。目前國內外機場道面除冰液的主要成分為堿金屬有機酸鹽，如乙酸鈉、乙酸鉀等，這些成分極易腐蝕飛機鍍鎘鋼零部件表面［6-7］。

盡管國內外機場道面除冰液的標準中規定了一些相關的測試方法來評估除冰液對鍍鎘鋼的影響，但缺乏對飛機常用的鎘鍍層在機場道面除冰液中的腐蝕行為和腐蝕機理的詳細研究。本工作采用掃描電鏡和電化學技術對飛機常用鍍鎘鋼在機場道面除冰液中的腐蝕行為進行研究，以期明確飛機常用鍍鎘鋼在機場道面除冰液中的腐蝕機理。

1 試驗

1.1 試樣

試驗采用美國Blair Strip Steel Company公司生產的SAE AMS 6350鋼［8］，其化學成分為：wC0.30％，wMn0.44％，wP0.01％，wS0.004％，wSi0.17％，wCu0.03％，wNi0.02％，wMo0.16％，wAl0.05％，余量為Fe。試樣尺寸為25.4 mm× 50.8 mm×1.2 mm。用300號砂紙打磨試樣表面，去除表面氧化皮后，按照如下方法對試樣表面進行鍍鎘。

按照MIL-STD-870方法在試樣表面鍍一層厚度為12.7～20.3μm的低氫脆鎘，記作試樣A。按照SAE AMS-QQ-P-416中I型1類方法在試片表面鍍一層厚度為12.7～20.3μm的低氫脆鎘，記作試樣B。按照SAE AMS-QQ-P-416中I型1類方法在試片表面鍍一層厚度為12.7～20.3μm的低氫脆鎘，然后進行鉻酸鹽鈍化處理，記作試樣C。按照BAC5804標準在試片表面鍍一層鈦的質量分數為0.1％～0.7％的鍍鎘-鈦層，然后進行鉻酸鹽鈍化處理，記作試樣D。

1.2 試驗方法

將A、B、C、D 4種試樣分別浸泡在330 mL SAE AMS 1435機場道面除冰液中，在溫度為35℃下，浸泡1，2，4，8，24，48，72，168 h后，用蒸餾水沖洗、2-戊酮清洗、110℃烘干并稱量，計算浸泡前后試樣的質量變化，然后將試片切割成15 mm× 15 mm，在掃描電鏡下觀察腐蝕后試片表面的微觀形貌。

電化學試驗在CHI660D電化學工作站上完成。采用三電極體系，鍍鎘鋼試樣為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑電極為輔助電極，測試4種試樣在機場道面除冰液中的Tafel極化曲線。極化曲線掃描速率為1 mV／s，掃描范圍Ecorr± 300 mV。采用Thermo Fisher Nicolet 6700紅外光譜儀進行紅外光譜測試，分析試樣B經浸泡試驗后表面腐蝕產物的成分和組成。

2 結果與討論

2.1 腐蝕質量變化和微觀形貌

由圖1可見，與未經鉻酸鹽鈍化處理的鍍鎘鋼試樣（試樣A、B）相比，鍍鎘之后經過鉻酸鹽鈍化的鍍鎘鋼（試樣C）試樣和鍍鎘鈦鋼（試樣D）試樣的質量變化較小，這可能因為鍍鎘鋼的鉻酸鹽鈍化層具有較好的耐蝕性并且鉻酸鹽的鈍化膜具有自修復作用，可有效防止鍍鎘鋼在機場道面除冰液中發生腐蝕。試樣A和試樣B在機場道面除冰液中的質量變化非常相近，試樣C和試樣D的質量變化比較接近。

由圖2可見，腐蝕前，試樣B和試樣A具有相似的微觀結構，鍍鎘層表面為顆粒狀，存在氣孔和縫隙；經過機場道面除冰液腐蝕后，鍍鎘層表面呈現蜂窩狀和纖維狀，鍍鎘層腐蝕溶解明顯，部分區域已經露出高強度鋼基材。腐蝕前，試樣C和試樣D的表面為鱗片狀，但是鱗片上存在較多裂紋。經過機場道面除冰液腐蝕后，試樣C和試樣D的表面均附著了腐蝕產物，鱗片狀的結構被掩蓋，鍍層上的裂紋和縫隙被腐蝕產物覆蓋，阻止了機場道面除冰液腐蝕鍍鎘層，使鈍化后的鍍鎘層和鍍鎘鈦層腐蝕速率迅速下降。

2.2 溫度對鍍鎘鋼腐蝕行為的影響

由圖3可見，同一溫度下，隨著浸泡時間的延長，試樣B和試樣C在機場道面除冰液中的質量變化逐漸增大；隨著浸泡溫度的升高，2種試樣的腐蝕速率逐漸增大，溫度對鍍鎘鋼在機場道面除冰液中的腐蝕影響顯著。

2.3 電化學試驗

由圖4可見，SAE AMS 6350裸鋼在SAE AMS 1435機場道面除冰液的自腐蝕電位為－370 mV；4種鍍鎘層的自腐蝕電位為－900～－1 000 m V，經過鉻酸鹽鈍化后的鍍鎘鋼和鍍鎘鈦鋼的腐蝕電位略高于未鉻酸鹽鈍化鍍鎘鋼的。由此可見，鍍鎘鋼是以犧牲陽極的形式保護SAE AMS 6350鋼不被機場道面除冰液腐蝕的。由圖4還可見，四種鍍鎘鋼在機場道面除冰液中的腐蝕不是純擴散控制的電化學反應，陽極的氧化化學反應與鍍鎘層的腐蝕有關。鉻酸鹽鈍化后的鍍鎘鋼和鍍鎘鈦鋼在機場道面除冰液中的極化曲線存在多個極化過程，可能存在多個氧化還原反應，腐蝕反應比較復雜，鈍化膜中的鉻酸鹽可能參與了電化學反應過程，極化曲線的中多個極化過程與鉻酸鹽鈍化膜的氧化還原過程有關。

2.4 腐蝕產物的能譜和紅外光譜

由圖5可見，試樣B的腐蝕產物主要含有C、O、P和Cd 4種元素，從腐蝕產物的紅外光譜分析可看出，腐蝕產物在波數為1 425 cm－1存在強吸收峰，在1 075，858，722 cm－1存在弱吸收峰，此為碳酸鹽中CO32－的特征吸收峰；腐蝕產物中含有碳酸鹽，碳酸鹽可能來自機場道面除冰液有機鹽的分解。腐蝕產物在波數1 075 cm－1存在寬吸收峰，在541 cm－1存在弱吸收峰，此為磷酸鹽PO43－的特征吸收峰，因此腐蝕產物含有磷酸鹽，磷酸鹽可能來自除冰液中的緩蝕劑或p H緩沖劑。

2.5 腐蝕機理分析

符合SAE AMS-QQ-P-416和符合MILSTD870的鍍鎘鋼在機場道面除冰液中的腐蝕過程如下：

首先機場道面除冰液中的甲酸鹽和乙酸鹽氧化分解產生成CO2，在堿性條件下，CO2與機場道面除冰液中OH－形成碳酸根。

其次是鍍鎘層發生腐蝕溶解形成Cd2+，Cd2+與CO32－形成CdCO3，碳酸鎘的溶解性較差，CdCO3在鍍鎘鍍層表面附著形成薄膜。

機場道面除冰液中通常會添加含有磷酸鹽的p H緩沖劑，磷酸根和Cd2+形成磷酸鎘。

經過鉻酸鹽鈍化后的鍍鎘層和鍍鎘鈦層，在腐蝕過程中，鉻酸鹽鈍化產物也會參與電化學腐蝕反應，電化學腐蝕過程比較復雜，電化學腐蝕過程涉及多個氧化還原反應，可能會形成鉻酸鎘、重鉻酸鎘等腐蝕產物［9］。

3 結論

（1）鍍鎘層和鍍鎘鈦層經過鉻酸鹽鈍化后，能有效防止鍍鎘鋼在機場道面除冰液中發生腐蝕。

（2）鍍鎘鋼在機場道面除冰液中的腐蝕不是純擴散控制的電化學反應，陽極的氧化化學反應與鍍鎘層的腐蝕有關，而經過鉻酸鹽鈍化后的鍍鎘層和鍍鎘鈦層在腐蝕過程中可能存在多個氧化還原反應。

（3）SAE AMS-QQ-P-416鍍鎘鋼在機場道面除冰液中的腐蝕產物中含有碳酸鹽和磷酸鹽，碳酸鹽可能來自機場道面除冰液有機酸鹽的分解，磷酸鹽可能來自除冰液中的緩蝕劑或p H緩沖劑。

（4）經過鉻酸鹽鈍化后的鍍鎘層和鍍鎘鈦層，在機場道面除冰液中的電化學腐蝕過程比較復雜，鉻酸鹽鈍化產物也會參與電化學腐蝕反應，電化學腐蝕過程涉及多個氧化還原反應。

［1］ 林修洲，李月，梅擁軍，等.機場道面除冰液對飛機鍍鎘層腐蝕的研究現狀與進展［J］.四川理工學院學報（自然科學版），2014，27（4）：1-4.

［2］ 彭華喬，夏祖西.機場道面除冰液鎘板循環腐蝕試驗研究［J］.航空維修與工程，2012（6）：89-90.

［3］ BAKER A，DUTTON S，KELLY D.Composite materials for aircraft structures［M］.2nd ed.Boston：Reston American Institute of Aeronautics and Astronautics，2004.

［4］ KORPINIEMI H.The effect of runway de-icing chemicals on the corrosion of cadmium coatings［J］.Exogenous Demctology，2002，24（1）：79-84.

［5］ SAI X.Impact of airport pavement deicing products on aircraft and airfield infrastructure［J］.Phs One，2008，9（3）：923-930.

［6］ HU Y H.Advances in CO2conversion and utilization［M］.Washington：American Chemical Society，2010.

［7］ WALRE R R.Principles and prevention of corrosion［J］.Materials＆Design，1993（3）：207.

［8］ Gigest A R.Alternative aircraft and pavement deicers and anti-icing formulations with improved environmental characteristics［J］.Acrp Research Results Digest，2010（9）：209-219.

［9］ HUTTUNEN-SAARIVIRTA E，KORPINIEMI H，KUOKKALA V T.Paajanen corrosion of cadmium plating by runway de-icing chemicals：study of surface phenomena and comparison of corrosion tests［J］.Surface＆Coatings Technology，2013（232）：101-115.

Corrosion Behaviors of Cadmium Plated Steel Used for Aircraft Caused by Runway De-icing Fluids

ZHANG Ya-bo1，PENG Hua-qiao1，SU Zheng-liang1，WANG Qiang1，LIN Xiu-zhou2，ZHANG Fan1
（1.The Second Research Insistute of CAAC，Chengdu 610041，China；2.Sichuan University of Science＆Engineering，Zigong 643000，China）

Total immersion corrosion test and electrochemical test were used to study the corrosion behavior of cadmium plated steel in runway de-icing fluids.EDX and FTIR were used to characterize the composition of corrosion products.Results showed that the corrosion rate increased with theincrease of temperature，the cadmium plated steel corrosion in runway de-icing fluid was not pure diffusion-controlled electrochemical reactions and the electrochemical reactions of anode were related to the cadmium plating layer corrosion dissolution process.After chromate treatment of cadmium plated steel and cadmium titanium plated steel，their corrosion in runway de-icing fluid may include multiple REDOX reactions，the corrosion reaction was complex because chromate treatment products were also involved in the electrochemical reaction.The corrosion products consisted of carbonate and phosphate.The carbonate formation was related to decomposing of organic acid salts in runway de-icing chemicals and phosphate was related to p H buffer agent or corrosion inhibitor in runway de-icing chemicals.

runway de-icing fluid；cadmium plated steel；corrosion behavior；corrosion mechanism；total immersion corrosion test；cyclic corrosion test

TG174

：A

：1005-748X（2016）11-0865-04

10.11973／fsyfh-201611001

2015-07-08

國家自然科學基金資助項目（U1333103）；中國民航局安全能力建設資助項目（AADSA0023）

張亞博（1981－），工程師，碩士，主要從事航空材料、航空維護化學品的理化性能、飛機相容性測試、飛機涂料性能測試等相關工作，028-64456030，Zhangyabo＠fccc.org.cn