談海洋環境下飛機標準件的腐蝕及其控制技術

岳珊 劉元海 李新衛

摘 要：調研、梳理了現役海軍飛機標準件腐蝕現狀，從設計選材不當、表面處理初始缺陷、防腐蝕措施不利、裝配操作過程中造成的表面缺陷四個方面深入分析了典型標準件發生腐蝕的原因。從標準件的質量管控、先進材料及表處方法的應用、合理的密封防護措施和安裝工藝質量控制四個方面提出了一些不成熟的見解和改進建議。

關鍵詞：標準件;腐蝕防護;海洋環境;密封劑

1.海洋環境下飛機標準件腐蝕現狀

航空專業常見標準件包括螺栓、螺釘、螺母;墊圈、檔圈;銷、軸、鉚釘;機體構件、鎖;彈簧、卡箍、襯套、支架;以及管路系統構件等等。單單緊固類標準件單機用量占飛機標準件數量的85%，主要用于飛機機體結構，其品質和可靠性對飛機結構的安全性起重要作用。在海洋和潮濕環境中，緊固件材料均存在不可預見的腐蝕性和由此帶來風險故障，一些重要的連接，可能因為這種標準件失效而釀成重大事故。

通過對國內海軍機型的腐蝕情況檢查來看，陸基海軍飛機和艦載海軍飛機，尤其的服役時間較長的機型，標準件普遍存在嚴重的腐蝕問題。其腐蝕情況是：飛機下表面比上表面腐蝕嚴重;外部比內部腐蝕嚴重;鋼制標準件比鋁、銅等其它材質標準件嚴重。

2.標準件腐蝕原因分析

（1）選材不當

通常情況下，飛機標準件選材設計時，主要考慮的是材料的力學性能。使用實踐證明，材料的耐蝕性能也是飛機標準件選材的重要依據。

30CrMnSiA是飛機制造業使用最廣的一種調質鋼，淬火高溫回火狀態下有較高的強度和足夠的韌性，因此，除大量應用于航空螺紋緊固件外，還用來加工管路系統的管接頭和外套螺母，但使用實踐證明，這種材料與飛機鋁合金材料接觸時，容易引起嚴重的電偶腐蝕。

飛機電氣成品安裝固定的螺釘或螺栓一般選用1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，該不銹鋼是落后的不銹鋼生產工藝的產品代表，雖其熱塑性較好，但除抗晶間腐蝕外，其耐均勻腐蝕能力較差，無法滿足海洋環境使用要求。

快卸卡箍部分材料2Cr13Ni4Mn9奧氏體不銹鋼制造，該不銹鋼雖然具有較高的力學性能，耐大氣腐蝕性能也較好，但易受晶間腐蝕。有關資料介紹，合金中錳元素的含量對鋼的抗腐蝕能力具有較大影響，2Cr13Ni4Mn9奧氏體不銹鋼在海水、海洋大氣、潮濕空氣、鹽霧介質中的易產生應力腐蝕。中國科學院金屬研究所對快卸卡箍的分析報告中指出，沿海大氣環境中的硫化物、氮氧化物、氯化物是導致快卸卡箍斷裂的主要因素。硫和氮這兩中元素是不銹鋼材料最為有害的腐蝕介質元素。

（2）表面處理初始缺陷

傳統的飛機標準件一般采用化學氧化層和金屬鍍覆層進行表面防護處理，其耐蝕性很大程度上取決于表面處理層使用條件和表面處理層的厚度。一般情況下，使用環境越惡劣，需要的表面處理層越厚。如國標將使用條件分為0～4級，依據使用條件級別推薦了鋅鍍層的厚度，見表1;GJB/Z594A-2000將使用環境條件分為L（良好）、Y（一般）、E（惡劣）、H（海上）四個等級，給出了不同環境條件下鎘鍍層的推薦厚度，見表2。

標準中對惡劣的使用環境條件推薦的鍍鋅層厚度為25μm，鍍鎘層為25-30μm。若按標準推薦的鍍層厚度，就無法滿足螺紋旋合性方面的要求，飛機螺紋緊固件和管路螺紋緊固件均采用普通螺紋，普通螺紋可允許的鍍層厚度取決于螺距和螺紋公差帶的位置，電鍍后零件的實際輪廓上的任何點均不應超越按H？h確定的最大實體牙型（H、h分別為螺紋標準件內、外螺紋公差帶位置），否則螺紋連接件無法旋合。為滿足螺紋旋合性方面的要求，飛機螺紋連接件執行航空標準規定的鍍層厚度，在惡劣的海洋環境下表面處理層本身起不到期望的抗腐蝕能力。

同時，飛機制造過程中，國內制造商往往對于外購標準件在入廠復驗時僅對強度、拉力、尺寸、外觀等有明確要求，但對標準件耐腐蝕性能相關的鍍覆層厚度和鹽霧性能沒有做具體說明或硬性規定，導致不同廠家生產的標準件表面防護質量、初始損傷缺陷參差不齊，嚴重影響標準件自身的環境適應性;自制標準件在交付使用前也缺乏相應的程序和手段對表面鍍層厚度、完整性、耐鹽霧性能等處理情況作出評價。

（3）腐蝕防護措施不得力

飛機上大多數緊固件，如30CrMnSiA鋼質螺栓、1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼螺釘、2Cr13Ni4Mn9奧氏體不銹鋼卡箍、鈹青銅襯套等，安裝固定過程中不可避免與其它存在電位差的鋁合金、碳纖維復合材料等接觸，缺乏合適的密封、緩蝕、或潤滑措施，或者部分出于功能性、維修性等考慮（如需便于拆卸、要求電搭接），而無法實施腐蝕防護措施或使用腐蝕防護產品，在此情況下，海洋環境下自身抗腐蝕性能不佳的標準件，將出現嚴重的電偶腐蝕現象。

（4）加工/裝配操作過程中造成的表面缺陷

飛機結構上螺釘、托板螺母使用較多，飛機使用過程中，往往需要經常拆卸和安裝循環操作，操作過程中使用的工具（螺絲刀）存在磨損現象，因此會在螺栓安裝過程中，螺釘/螺栓槽口易起毛，且常出現釘頭表面防護層破損現象。槽口位置防護層的破壞會最先導致螺栓基體的暴露，失去鍍層的防護作用下與外界腐蝕介質直接接觸，加上螺釘/螺栓通常為鋼制，腐蝕電位較其他鋁合金材料較負，易形成電偶腐蝕，從而引起涂層起泡、粉化、脫落等失效現象。

機體快卸口蓋上的快卸鎖、口蓋鎖，采用工具拆裝過程中，不可避免造成鎖頭鍍層破損而失去保護作用。游動托板螺母標準件組件為了避免裝配后陽極氧化處理槽液清理等問題，目前只能采取“托板預成型后先氧-再裝配成形”的工序順序，導致裝配成型過程會造成氧化膜脫落，且脫落后無法修復。

以上主要針對腐蝕較嚴重的標準件的腐蝕原因進行分析，引起標準件腐蝕可能的還包含其他因素，如：裝配過程中產生的裝配應力或不規則裝配;標準件加工過程中產生的殘余應力等。

3.飛機標準件的腐蝕控制

海洋環境下飛機標準件普遍存在著腐蝕問題，不可能全面解決。因此，在做好標準件的質量管控、安裝工藝質量控制的同時，應重點解決影響飛機使用壽命或危及飛機飛行安全的標準件腐蝕問題，要充分借鑒國內外先進的材料及表面處理技術，利用國內現有的材料、工藝資源，進行必要而充分的驗證試驗。

3.1? 標準件的質量管控

為避免外購標準件存貯過程中產生的腐蝕，采購部門應要求供應商提供標準件產品的封存條件和存儲條件等詳細信息。飛機制造廠商內部應建立關于標準件產品包裝、貯存的規范文件;對確實不具備換封條件的外購標準件應簡化外購程序，盡快交付使用。

同時，國內各飛機制造廠商應進一步完善細化對于自制標準件的規范文件，包括對包裝材料、包裝方式具體明確為中性石蠟紙或聚乙烯薄膜;周轉過程中應嚴格規范“不能戴手套”操作的規定;每個批次的標準件產品建立相應的電子檔案卡，從原材料到加工、產品驗收合格到最終產品交付使用，每個階段時間點的封存狀態和存放環境條件嚴格按照相關文件規定，并定期進行涂抹防銹油后補充封存處理。

3.2? 先進材料及表處方法的應用

國內現役飛機結構上經常拆卸的口蓋、蒙皮連接用的螺栓、螺釘、托板自鎖螺母等標準件，主要為30CrMnSiA鋼或1Cr18Ni9Ti不銹鋼制造，腐蝕現象嚴重。歐美國家的飛機上大量采用A286高溫不銹鋼、Incone1718材料制造螺紋緊固件，俄羅斯飛機上用鈦合金制造的螺栓、螺釘和環槽鉚釘共計5萬余件。另外，還采用了07X16H6、12X18H10T、13X11H2B2Mφ和08X17H5M3等不銹鋼材料制造標準件。我國694廠、3117廠和天津航天精工，參照美軍標也采用耐蝕鋼GH2132（相當于美國A286）研制了一些標準件，并在國內某型運輸機上應用，性能穩定，為海洋環境下飛機新型標準件的創造了有力條件。

標準件表面處理技術方面，30CrMnSiA等鋼制緊固件通常以鍍鎘為主。從沿海飛機使用情況來看，由于鍍鎘層為一種軟質鍍覆層，一定的載荷作用下，尤其在海洋環境下或者在接觸海水的情況下容易發生鍍層脫落而導致緊固件腐蝕。為提升海洋環境下鋼制緊固件、鈦合金緊固件自身的耐蝕性或降低緊固件安裝時的電偶腐蝕敏感性，國外引入了先進的離子鍍鋁、涂鋁、涂覆二硫化鉬干膜潤滑劑等工藝，如波音飛機與鋁合金結合的碳纖維增強塑料，緊固件采用鈦合金、耐蝕鋼和蒙耐爾合金，為了與鋁合金相匹配，采用BMS10-85鋁涂層進行涂覆。熱滲鋅工藝處理溫度低，可避免回火脆性，處理過程不產生氫脆，滲鋅層與Fe形成固溶體，結合力較普通的鍍鎘、鍍鋅工藝大大提高，耐蝕性能優異，國外廣泛用于各種尺寸鋼制緊固件的表面處理，代替傳統的鍍鎘、鍍鋅工藝。

我國在20世紀80年代即開始進行高強度鋼離子鍍鋁工藝的研究，并編制了針對鈦合金緊固件的離子鍍鋁工藝和質量檢驗等標準。近年來，以北京航空材料研究院為代表，部分科研院所針對結構鋼、鈦合金螺紋緊固件表面鋁涂層、離子鍍鋁、冷噴涂鋁技術進行了工藝的對比及優化研究。新型標準件研制方面，以694廠、3117廠和天津航天精工為代表，借鑒國外標準件相關表面處理經驗，引入了A286鋁涂層+十六醇潤滑、A286鈍化+二硫化鉬干膜潤滑劑、鈦合金鋁涂層十六醇潤滑、鈦合金離子鍍鋁+十六醇潤滑等多種先進標準件表面處理方法。航空工業特種飛行器研究所針對性開展了部分新型國產標準件的環境適應性研究，提出了可接受的標準件材料及表面處理方法。

3.3? 合理的密封防護措施

海洋環境下飛機上大量使用的螺栓、高鎖螺栓、拖板螺母、螺釘等緊固件裝配除不宜采用濕裝配的部位外，原則上應采用濕裝配，濕裝配材料根據具體需要可選用底漆、密封劑、潤滑脂或緩蝕劑;不宜濕裝配的緊固件可進行必要的端頭封包處理。如，對于埋頭干涉配合的緊固件，裝配之前在連接孔兩端或緊固件頭部下涂密封劑，或用密封劑覆蓋整個埋頭窩;對于間隙配合的緊固件，先在連接孔內或緊固件桿部（不包括螺紋區域）涂密封劑，再將緊固件插入緊固件孔，如果需要使用墊片，在墊片兩面再涂一層密封劑;可卸的緊固件安裝時，可采用膩子、緩蝕劑、或潤滑脂代替密封劑，涂于連接孔內或螺栓、螺釘桿部然后擰入孔內;托板螺母緊固件安裝時，托板螺母采用密封劑進行密封安裝，然后用不干膩子、或CorBan 27 L糊狀緩蝕劑、3#復合磺酸鈣基潤滑脂涂敷緊固件的整個螺桿部及螺紋再進行安裝。

3.4? 安裝工藝質量控制

借鑒外包波音、法航等先進的安裝工藝質量管理經驗，不同型號標準件采用單獨對應型號帶有力矩設定的專用扳手、螺絲刀，減小配合間隙。并對每個工具建立獨立編號和使用檔案，在磨損到一定程度后進行更換，同時采用帶有力矩設定功能的工具，也能防止因用力過大產生槽口起毛現象。此外對某些外露、非拆裝部位，建議盡量安裝后在螺釘槽口涂抹密封膠、CorBan 27 L糊狀緩蝕劑或3#復合磺酸鈣基潤滑脂，保護槽口鍍層破壞的部位不與腐蝕介質直接接觸。

4.結束語

海洋環境下現役飛機某些標準件出現嚴重腐蝕現象，降低了飛機的使用壽命，并危及到飛機的飛行安全。本文在初步分析現役海軍飛機標準件腐蝕原因的基礎上，從標準件的質量管控、先進材料及表處方法的應用、合理的密封防護措施和安裝工藝質量控制四個方面提出了一些不成熟的見解和改進建議，希望能夠引起飛機設計人員、制造人員和使用人員的重視，為延長海洋環境下飛機的使用壽命，提升裝備“適海性”共同努力。

參考文獻：

[1] 民用飛機結構腐蝕控制設計手冊? 中國航空行業總公司民用飛機系統工程部，1994.

[2] 張占元. 淺談飛機種類與標準件[J]. 航空標準化與質量，2001（4）：10-12.

[3] 張占元. 談殲八系列飛機標準件的應用[J]. 飛機設計，1996（4）：49-55.