直升機蒸發循環核心部件耐腐蝕技術研究

仇振安，包 睿，毛 陽，楊國茹

(1.陸軍航空兵軍代局駐洛陽地區軍事代表室， 河南 洛陽 471000；2.新鄉航空工業(集團)有限公司，河南 新鄉 453049 )

直升機蒸發循環核心部件耐腐蝕技術研究

仇振安1，包 睿1，毛 陽1，楊國茹2

(1.陸軍航空兵軍代局駐洛陽地區軍事代表室， 河南 洛陽 471000；2.新鄉航空工業(集團)有限公司，河南 新鄉 453049 )

對直升機蒸發循環蒸發器、冷凝器腐蝕機理及常用耐腐蝕技術進行了介紹，分析了我國直升機蒸發循環核心部件耐腐蝕技術研究的迫切性。分析了國內外軍民用換熱器防腐蝕評價方法，提出采用SWAAT試驗方法代替GJB150A作為直升機蒸發循環蒸發器、冷凝器耐腐蝕評價準則。通過對不同的扁管材料、不同的扁管噴鋅量及不同材料翅片進行SWAAT耐腐蝕試驗及試驗結果分析，得到直升機蒸發循環用蒸發器、冷凝器的防腐設計基本準則，為國內直升機蒸發循環系統研制提供參考。

直升機；蒸發循環；耐腐蝕

0 引言

由于直升機經常在高溫、高濕環境中工作，為降低駕駛員的體能消耗，改善機載電子設備的工作環境，提高電子設備的工作可靠性，需采用高效的蒸發循環系統對直升機艙內進行降溫、除濕。蒸發循環制冷方式在直升機環控系統中較為普及。

眾所周知，海洋環境對直升機上各種金屬構件特別是鋁制產品具有很強的腐蝕作用。在蒸發循環系統中，為降低蒸發器、冷凝器的產品重量，提高換熱效率，通常采用的是全鋁薄壁件，制冷劑的流道壁厚通常只有0.3～0.5mm，這就使得在海洋環境中使用時，若不進行有效的防腐處理，極易發生腐蝕泄漏，喪失制冷功能。可以預測，隨著直升機裝備數量和使用時間的增加，特別是執行遠洋任務次數的增多，該問題將逐步凸顯，影響直升機在沿海地區任務的正常進行。目前，直升機蒸發循環在國內尚未形成統一的防腐試驗和技術標準，因此需要對直升機蒸發循環耐腐蝕技術進行研究，找到符合我國海洋環境下直升機使用需求的技術解決途徑和評價準則。

1 現狀

蒸發循環系統受海洋環境腐蝕，易發生泄漏故障。常斌、于領軍、繆萬波等人，均撰文對直升機在海洋環境下使用所面臨的鹽霧環境進行了分析，提出了機載設備的耐腐蝕問題[1-3]。船載設備中與蒸發循環相近的產品有各種風冷換熱器和空調，從收集到的故障案例可以看出，船上使用的風冷換熱器和空調冷凝器，由于受海水環境的腐蝕，使用1～3年會很快發生腐蝕泄漏。因此，蒸發循環系統有很高的腐蝕失效風險。

2 現有產品防腐方案

2.1蒸發循環用換熱器腐蝕機理分析

蒸發循環用換熱器包括艙內的蒸發器和艙外的冷凝器，蒸發器常用結構形式為層疊式和平行流式，冷凝器常用結構形式為平行流式，制冷劑在換熱器流道內蒸發或冷凝，外界空氣流過焊接在流道外的翅片，與翅片進行熱交換，將艙內的熱量釋放到艙外空氣中。蒸發器、冷凝器雖然結構形式有差異，但工作方式與材料相同，因此在發生腐蝕時具有相同的腐蝕機理。

為降低產品重量，機載蒸發循環換熱器全部采用鋁合金制造，鋁合金在含氯離子的溶液中，易發生電化學反應，產生電化學腐蝕。而蒸發循環換熱器內部為R134a制冷劑與冷凍油的混合物，對產品的腐蝕作用較小，可以忽略不計。產品外部由于經常接觸腐蝕性海洋氣體，是發生腐蝕的主要區域。

蒸發循環換熱器由扁管和翅片在焊接爐中一次焊接而成，焊接后扁管、翅片及焊接釬料具有不同的電位。在腐蝕介質中，不同電位差的材料形成局部微電池，進而發生電化學腐蝕，電流將從高電位金屬流向低電位金屬，電位低的金屬失去電子，形成金屬離子，造成材料的損失，產生腐蝕。腐蝕過程的化學方程式為：

Al→Al3++3e
Al3++3Cl-→AlCl3
AlCl3+3OH-→Al(OH)3+3Cl-

圖1給出了鋁合金冷凝器NOCOLOK釬焊后各構件間的電位差關系。

2.2蒸發循環用換熱器防腐蝕方案

1)在產品表面涂覆防腐層，隔離腐蝕環境

通常采用鉻酸鹽鈍化或表面噴漆的方法。兩種方法可單獨使用或結合使用，但這兩種方法的防腐效果有限。因為鉻酸鹽鈍化膜的完整性對耐腐蝕性影響很大，當膜層存在缺陷時，會促進局部腐蝕，加快穿孔的速度，而現有的噴漆工藝無法做到在產品的中心部位和小縫隙處均能獲得均勻的漆膜，故無法對產品起到全面的保護。

2)在制冷劑扁管表面形成Zn擴散層，避免產生孔蝕

通過電噴鋅等方式，在扁管的加工過程中在表面增加一層鋅層，在釬焊后形成含鋅量1%～1.5%的鋁鋅合金層，使扁管表面電極電位降低形成陽極，在腐蝕環境下優先形成全面型的均勻腐蝕，防止孔蝕的發生。

但是由于扁管噴鋅工藝的限制，噴鋅層的均勻性不易保證，噴鋅量過高或過低均會降低產品的耐腐蝕性。同時，在扁管生產過程中對表面噴鋅層的保護是否可靠對產品的耐腐蝕性也有較大的影響。

3)采用高含鋅量的富鋅翅片，犧牲翅片保護扁管

采用含鋅量高的鋁箔加工成翅片，在腐蝕環境下，利用扁管和翅片材料之間的電位差，使翅片作為陽極優先腐蝕，從而保護扁管，避免制冷劑的泄漏。

圖2為噴鋅扁管和富鋅翅片焊接后電位差示意圖。

犧牲翅片保護扁管的方法，在使用中應注意，如果翅片腐蝕嚴重，雖然產品未發生泄漏，但換熱性能大幅下降,產品功能將部分喪失。

從圖2可以明顯看出，相比1050A合金，扁管表面噴Zn處理后的冷凝器在NOCOLOK釬焊后，在扁管和翅片之間形成Zn擴散層，該層具有一定的電位(-800 mv)，在嚴酷苛刻的環境中，多加一層保護，能有效地防止或減輕冷凝器的腐蝕，達到延長其壽命的目的。

3 耐腐蝕性評價準則的確定

3.1現有耐腐蝕性評價方法

由于無專用的直升機蒸發循環耐腐蝕性評價方法，前期開發產品均使用GJB150.11A標準(見表1)進行評價。

該鹽霧試驗標準并不能準確評價直升機蒸發循環的耐腐蝕性，原因如下：

1)目的不同

GJB150.11A中試驗目的為“a)確定材料保護層和裝飾層的有效性；b)確定鹽的沉積物對裝備物理性能和電器性能的影響”。而蒸發循環腐蝕失效的模式是泄漏和性能下降，試驗目的不同，無法進行準確判定。

表1 GJB150A鹽霧試驗方法

2)鹽霧溶液的化學組成和濃度不同

GJB150.11A中第3.3條明確說明“本試驗不重現海洋大氣環境的影響，因為海洋和其他腐蝕環境的化學組成和濃度與本試驗不同”。

事實上，海水中除了含有大量的Na+和Cl-外，主要成分還包括K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、SO42-、Br-、HCO3-、F-等各種離子及氧、氮氣體、有機物質等，這些成分均會不同程度地增加溶液的腐蝕性，因此，采用 GJB150.11A不能有效判定蒸發循環耐海水環境腐蝕的能力。

3.2國內外耐腐蝕性評價方法介紹

國內外蒸發循環系統常用加速腐蝕試驗方法見表2。

3.3滿足需求的評價準則

上述三種試驗方法被廣泛應用于評價家用空調室外機和汽車空調冷凝器的耐腐蝕性，經對市場上產品使用情況的統計，表2中的試驗時間對應產品使用壽命均不低于10年。與GJB150.11A相比，民用蒸發循環耐腐蝕試驗方法具有以下優點：

1)試驗用溶液的腐蝕性得到了加強；

2)試驗箱環境更加惡劣，在酸性、高溫環境下，耐腐蝕性的驗證更加充分；

3)試驗時間與產品壽命需求相吻合。

經分析，酸性合成海水鹽霧試驗(SWAAT)更適用于海洋環境下直升機蒸發循環系統，原因如下：

1)SWAAT試驗溶液成分[5]與海洋環境(見表3、表4)更加接近兩表對比可知，SWAAT試驗用溶液與海水成分基本相當，因此SWAAT試驗可以較準確地驗證產品在海洋環境下的耐腐蝕性。

表2 國內外蒸發循環系統常用加速腐蝕試驗方法匯總表[4]

表3 海水主要成分表

表4 SWAAT 試驗用合成海鹽成分表(ASTM D1141替代海水標準規范)

2)嚴酷的試驗條件使試驗驗證更加充分

SWAAT試驗使產品處于酸性、高溫試驗環境中，可以增加腐蝕的速度，相比GJB150.11A中性、常溫的試驗環境，試驗驗證更加充分。

3)試驗時間更接近海洋環境下直升機對蒸發循環的要求

海洋環境下直升機蒸發循環系統常年處于海洋氣候中，海水蒸發后形成高濕度的空氣，含有各種腐蝕性離子，在蒸發循環工作中，隨空氣流經蒸發循環蒸發器和冷凝器，對產品產生腐蝕。即使系統不工作，產品仍處于腐蝕環境中，因此GJB150.11A中96小時試驗時間遠遠無法滿足直升機翻修間隔期(TBO)10年的壽命要求。

4)SWAAT試驗的權威性

SWAAT試驗方法來自美國材料與試驗協會標準ASTM G85 ，ASTM是美國最老、最大的非盈利性的標準學術團體之一，主要任務是制定材料、產品、系統和服務等領域的特性和性能標準、試驗方法和程序標準。 “ASTM G85改性鹽霧試驗方法” 為特殊用途的五種改性鹽霧試驗提出了環境條件，其中第三種即為酸性合成海水鹽霧試驗(SWAAT),該標準已被美國國防部的機構所采用。

經了解，滿足600小時SWAAT試驗的汽車空調冷凝器，可以在沿海地區使用超過10年不發生泄漏。由于海洋環境下直升機在艦上不可避免地要直接接觸海水，使用環境更加惡劣，因此為保證翻修間隔期(TBO)10年的要求，應將試驗時間進一步延長至800小時以上。

此外，GJB150.11A中對試驗后產品的合格判據要求較含糊，原有產品鑒定試驗大綱通常以產品腐蝕泄漏作為合格判據，但直升機蒸發循環產品換熱性能與翅片狀態緊密相關，翅片的腐蝕雖不會使產品功能喪失，但會使性能大幅下降，影響系統任務的完成，因此應將產品換熱性能下降與腐蝕泄漏共同作為產品耐腐蝕性能的評判標準。

4 耐腐蝕試驗研究

4.1鋁合金冷凝器扁管噴鋅和不噴鋅的耐腐蝕試驗

1) 鹽霧試驗方法及結果

采用SWAAT鹽霧腐蝕試驗方法，對產品的釬焊側抗腐蝕性能進行測試。試驗結果見表5。

2)試驗結果分析

無噴鋅扁管腐蝕現象為外表面侵入，腐蝕嚴重，在SWAAT試驗486～502小時，扁管已經腐蝕穿孔。

噴鋅扁管在SWAAT試驗760～794小時時間內，腐蝕也為外表面侵入，但較于1050A扁管+含Zn翅片組成的芯體，抗腐蝕時間增加一半，抗腐蝕能力大大增強。

表5 噴鋅扁管試驗記錄表

1050A和1050A表面噴鋅扁管均發生縱向深度點蝕，但1050A表面噴鋅扁管最大點蝕厚度較淺。這是因為表面噴鋅處理的扁管在釬焊時，扁管與翅片之間形成的擴散Zn層起到良好的犧牲保護作用。

4.2冷凝器扁管噴鋅量不同對產品耐腐蝕性的影響試驗

1)試驗樣件材料選擇

扁管采用A3102-H112，翅片采用4343/3003Zn/4343，扁管試驗件1、2、3的噴鋅量分別為6～7 g/m2、9～11 g/m2、13～16 g/m2。試驗結果見表6。

2)試驗結果分析

隨著噴鋅量的增加，翅片先脫離扁管，噴鋅量13～16 g/m2時翅片優先脫落于扁管，且試驗后脫落嚴重。

表6 扁管噴鋅量試驗過程記錄表

噴鋅量6～7g/m2與9～11 g/m2對腐蝕的影響相差不大，但噴鋅量少容易造成噴鋅的均勻性差，會先導致泄漏。

4.3不同翅片材料與相同扁管材料間配合耐腐蝕試驗

1)鹽霧試驗樣件材料選擇

目前冷凝器常用的鋁箔牌號為FE13和8X16，試驗件1采用FE13，試驗件2采用8X16，試驗結果見表7。

2)試驗結果分析

試驗結果顯示，采用FE13材料的翅片較早出現脆化，喪失了保護陰極(扁管)作用，扁管優先泄漏。同時，由于翅片在芯體中的作用是與環境換熱，翅片的脆化會導致換熱性能下降。SAPA 8X16比鎂鋁 FE13具有更好的抗腐蝕性。

表7 不同翅片材料試驗過程記錄表

5 產品防腐技術的發展

蒸發循環換熱器耐腐蝕研究表明，采用噴鋅扁管和富鋅翅片組合可以顯著提高產品的耐腐蝕性，理論上可以達到1000小時以上SWAAT試驗不泄漏。但是在實際生產中，由于噴鋅工藝的限制，扁管表面含鋅量不均勻，含鋅量較少的部位較早發生腐蝕。如果增加扁管的噴鋅量，焊接后翅片與扁管連接處含鋅量較高，優先發生腐蝕，試驗過程中翅片很快與扁管分離，使產品換熱性能快速下降。

為了進一步提高蒸發循環換熱器的耐腐蝕性，近幾年國內外主要從降低扁管表層含鋅量和提高富鋅層的含鋅均勻性兩個方面進行研究。現在國內已經引進了Si-flus扁管技術和折疊管技術。其中Si-flus扁管技術是在生產過程中直接在扁管表面形成鋁硅釬料層，焊接過程中鋁硅發生互溶，形成硅晶顆粒，使表面鋅層含鋅量控制到2g/m2，最大限度地減少翅片與扁管連接處的鋅含量，降低翅片與扁管連接處的腐蝕速度。

折疊管技術如圖3所示，采用包覆釬料和鋅合金的鋁箔折疊成制冷劑流道，在焊接爐中與翅片一次焊接完成。由于鋁箔生產過程中表面含鋅量易于控制，提高了焊后制冷劑流道外表面含鋅量的均勻程度，達到控制制冷劑流道外表面含鋅量的目的。

上述兩種技術從理論上均可以大幅提升產品的耐腐蝕性能。國內已有廠家進行Si-flus扁管和折疊管的生產，但是在生產過程中，還存在與現有裝配、焊接工藝的磨合問題，暫不具備正式生產的條件。

6 結論

1)由于直升機蒸發循環產品結構的特殊性，GJB 150A不能正確評價產品在海洋環境下使用是否能夠滿足翻修間隔期的要求；

2)來自美國材料與試驗協會標準ASTM G85的SWAAT(酸性合成海水鹽霧試驗)試驗方法應作為我國直升機蒸發循環產品耐腐蝕性的評價準則；

3)采用噴鋅扁管和富鋅翅片，通過改變材料的電位差進行電化學防腐，可以有效提高產品的耐腐蝕性，為直升機蒸發循環蒸發器、冷凝器的主要防腐手段；

4)扁管噴鋅量過低，會影響扁管的防腐性，過高會使翅片早期脫落，產品性能下降；

5)不同的翅片材料，因成分的微小差異，會對產品的防腐性能產生影響。

[1] 常 斌，徐 明，王 海，等. 艦載直升機的發展[C] . 中國航空學會直升機年會論文集，2015.

[2] 于領軍，余建航，牛貴嶺，等.軍用直升機結構腐蝕及檢測方法研究[C] . 中國航空學會直升機年會論文集，2015.

[3] 繆萬波，王 斌，尹 樂.東南沿海地區直升機使用環境適應性評估研究[C] . 中國航空學會直升機年會論文集，2016.

[4] ASTM G 85 Standard Practice for Modified Salt Spray (FOG) Testing[Z].

[5] ASTM D 1141 Standard Specification for Substitute Ocean Water[Z].

StudyontheCorrosionResistantTechnologyoftheCoreComponentsofHelicopterEvaporationCycle

QIU Zhenan1, BAO Rui1, MAO Yang1, YANG Guoru2

(1.The Military Representative Office In Luoyang , Luoyang 471000, China;2.AVIC Xinxiang Aviation Industry (Group) Co., Ltd. , Xinxiang 453049, China)

In this paper, the corrosion mechanism of evaporator and condenser for the helicopter evaporation cycle system and the common anticorrosion technology were introduced, and the urgency of the research on the corrosion resistant technology of the core components of helicopter evaporation cycle was put forward. Through the analysis of domestic and foreign military and civilian heat exchanger corrosion evaluation method, the SWAAT test method instead of GJB 150A was used as the evaluation criteria of the evaporator and condenser was given. The SWAAT corrosion resistance test and the test results was analyzed for different flat tube materials, different zinc content of flat tubes and different fin materials, the basic principles of anti corrosion design for evaporator and condenser used in helicopter evaporation cycle was given, the reference was provided for the development of domestic helicopter evaporation cycle system.

helicopter; evaporation cycle; corrosion resistant

2017-01-11

仇振安(1981- )，男，青海同仁人，碩士，主要研究方向：機械工程及自動化，直升機、發動機質量監督與質量管理研究。

1673-1220(2017)04-063-06

V250.4; V250.2

A