無人機鋁合金材料抗鹽霧腐蝕研究

汪水翔，張有為，何生

1.中國人民解放軍31608部隊，福建省 廈門市 361025

2.江西火箭軍預(yù)備役特種裝備維修大隊，江西省 南昌市 333300

實驗采用 (純度≥95.5%)配置的5%中性溶液作為腐蝕加速溶液，選取無人機上應(yīng)用廣泛的鋁合金典型構(gòu)件進行中性鹽霧實驗。結(jié)果表明，部分表面經(jīng)過特殊處理的鋁合金材料構(gòu)件具有較強的耐鹽霧侵蝕能力，而部分鋁合金表面經(jīng)過實驗后受到了較嚴重的腐蝕。針對實驗結(jié)果，分析了鹽霧對無人機鋁合金材料構(gòu)件的侵蝕機理，總結(jié)出中性鹽霧環(huán)境下鋁合金材料的腐蝕規(guī)律，給出了提高無人機該類構(gòu)件抗鹽霧侵蝕能力的措施。

沿海地區(qū)，氣候環(huán)境對無人機裝備的侵蝕作用主要取決于鹽霧、濕度、霉菌和溫度各自的和綜合的作用，其中鹽霧的破壞作用最大，直接影響到裝備的使用壽命。檢驗無人機構(gòu)件耐蝕性的實驗方法一般有以下幾類：傳統(tǒng)的自然環(huán)境實驗、實驗室模擬環(huán)境實驗、人工加速和模擬腐蝕實驗。傳統(tǒng)的自然環(huán)境實驗具有真實、可靠的優(yōu)點，但本身存在實驗周期較長，難以滿足裝備研制、實驗和評價工作需要的缺點；實驗室模擬環(huán)境實驗具有實驗周期短，重現(xiàn)性好的優(yōu)點，但卻存在與實際失效模式和規(guī)律不太吻合，不能反映真實環(huán)境中的失效規(guī)律的缺點。

人工加速和模擬腐蝕實驗是在自然環(huán)境條件下，通過適當強化某些環(huán)境因子，從而加速裝備或材料性能劣化的實驗方法。它綜合了傳統(tǒng)的自然環(huán)境實驗和實驗室模擬環(huán)境實驗的優(yōu)點，具有真實、可靠和實驗周期短的特點。中性鹽霧實驗是人工加速和模擬腐蝕實驗方式之一，它以一定濃度的NaCl溶液在控制條件下加壓呈細霧態(tài)，使之均勻地散落在試樣表面，并在不斷更新液膜條件下模擬沿海大氣對無人機構(gòu)件的腐蝕。

鋁合金材料抗鹽霧腐蝕實驗

沿海地區(qū)，鹽霧是影響無人機裝備環(huán)境適應(yīng)性的主要因素，其對裝備的影響是長期緩慢的過程，本實驗通過室內(nèi)加速腐蝕環(huán)境下，對無人機的鋁合金構(gòu)件的鹽霧侵蝕結(jié)果觀察，根據(jù)實驗現(xiàn)象以及產(chǎn)物分析，確定其侵蝕機理，提出對裝備進行防鹽霧改進。

實驗之前，用純度≥95.5%的工業(yè)氯化鈉配置5%的NaCl中性溶液，用于做噴霧溶液。對試樣進行表面處理并歸類貼上標簽。本次實驗依據(jù)GB/T10125-1997《人造氣氛腐蝕實驗 鹽霧實驗》標準執(zhí)行。實驗的其它環(huán)境參數(shù)要求分別為：實驗箱溫度(35℃±2℃)，飽和器溫度(37℃±2℃)，采用不間斷噴霧方法，實驗時間三天(72h)，實驗檢查時間間隔為12h。

構(gòu)件材料分類及實驗件選取

無人機裝備是一個由各種各樣材料制成的構(gòu)件組成的龐大系統(tǒng)，其組成材料種類繁多，包括：有機、無機、高分子復(fù)合材料及塑料等，主要應(yīng)用于機身、機翼、平尾、垂尾、填充劑等，典型構(gòu)件是飛機機翼；不銹鋼材料和鐵合金材料，它們的使用貫穿于整個系統(tǒng)，小到螺釘連接件，大到發(fā)動機的支架及其它強力結(jié)構(gòu)件；鋁合金材料，由于鋁合金材料具有重量輕，強度高等優(yōu)點，一直以來是無人機機體及其設(shè)備材料的首選，在此選用航向傳感器、陀螺儀等構(gòu)件的鋁合金支架和板材來作為實驗樣品。

為使實驗更具代表性和針對性，選取以下含鋁合金材料的典型器件進行NaCl中性鹽霧實驗。

試件一：航向傳感器；試件二：陀螺儀；試件三：鋁結(jié)構(gòu)件及連接件；試件四：動壓傳感器。由于實驗件表面難免粘有油污和其它可能引起實驗誤差的雜質(zhì)，所以在實驗之前有必要對試件進行處理。表面處理方法：用去污劑或肥皂水擦洗試件表面污物→用自來水沖洗后接著用蒸餾水擦洗→將試件用吹風(fēng)機吹干→對試件進行外觀觀測，照相記錄初始狀態(tài)。

實驗設(shè)備

此次實驗采用無錫蘇南實驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YWX/Q-250鹽霧腐蝕實驗箱，如圖1所示。

圖1 YWX/Q-250鹽霧腐蝕實驗箱

圖2 加速腐蝕環(huán)境譜

技術(shù)參數(shù)及噴霧特點：工作室溫度范圍：35℃～50℃，飽和桶溫度范圍：37℃～55℃，溫度均勻度：≤±2℃，溫度波動度：≤±0.5℃，噴霧方式：氣流擋板式，噴霧特點：連續(xù)、周期任選，電源電壓：50Hz、220V/380V、三相四線。環(huán)境溫度：15℃～30℃，相對濕度：≥85%R·H。

加速腐蝕環(huán)境譜

為了模擬沿海環(huán)境條件下，鋁合金等金屬材料及其他結(jié)構(gòu)件的局部環(huán)境的腐蝕歷程，根據(jù)其環(huán)境特點及腐蝕特征，并參照國內(nèi)外同類實驗方法，選取在鹽霧實驗中采用中性鹽霧實驗來作為此次實驗的腐蝕環(huán)境譜。

實驗溶液使用工業(yè)NaCl配置的中性液體。其加速腐蝕環(huán)境譜如圖2所示。

此次實驗按照GB/T10125-1997《人造氣氛腐蝕實驗鹽霧實驗》標準執(zhí)行，實驗結(jié)果評定參照GB/T6461-2002《金屬基體上金屬和其他無機覆蓋層經(jīng)腐蝕實驗后的試樣和試件的評級》執(zhí)行。

實驗結(jié)果及分析

本次實驗的樣品可以分為以下四個：航向傳感器、陀螺儀、鋁結(jié)構(gòu)件及連接件、動壓傳感器。

實驗結(jié)果

實驗結(jié)束，觀察此次參與實驗的構(gòu)件發(fā)現(xiàn)，航向傳感器、陀螺儀上的鋁合金框架、鋁結(jié)構(gòu)件等表面沒有產(chǎn)生異常現(xiàn)象，而陀螺儀上的其它鋁合金構(gòu)件以及動壓傳感器上的鋁合金板材產(chǎn)生點蝕，有的表面都產(chǎn)生了大量白色物質(zhì)。

數(shù)據(jù)分析

由于所選用的實驗件包含其它類型材料，一并記錄實驗數(shù)據(jù)，實驗結(jié)束，分析腐蝕產(chǎn)物，測量得到構(gòu)件表面腐蝕面積與其總面積之比值，表1列出了具有典型腐蝕特性的構(gòu)件的腐蝕面積比值。

由表可知，不銹鋼材料組成的其他構(gòu)件都有不同程度的損傷。其中舵機滑桿和螺釘連接件腐蝕嚴重。分析實驗數(shù)據(jù)，可以看出，材料中腐蝕嚴重的主要集中在金屬材料上，它們又以未經(jīng)處理的鐵質(zhì)板材腐蝕最嚴重。經(jīng)過表面處理后的金屬材料構(gòu)件腐蝕速度遠遠小于沒有經(jīng)過處理的構(gòu)件。鋁及其合金材料在無人機上有大量運用，大量的研究表明，高強鋁合金在大氣環(huán)境下以產(chǎn)生沿晶剝蝕現(xiàn)象為主，其腐蝕失效模式為：先在缺陷處產(chǎn)生點蝕，然后是晶間腐蝕、剝蝕，最后因腐蝕損傷超過腐蝕容限而失效。個別鋁合金構(gòu)件腐蝕較嚴重。在遭受腐蝕的構(gòu)件中，腐蝕程度隨著時間的延長而加深。

表1 構(gòu)件表面腐蝕產(chǎn)物占總面積的百分比(%)

機理分析

在沿海地區(qū)，鹽霧是無人機裝備發(fā)生腐蝕的主要的環(huán)境因素之一。鹽霧中的主要成分為NaCl，而NaCl的溶液中是以Na+和Cl—的形態(tài)存在的，而鹽霧的沉積率與Cl—的濃度成正比關(guān)系：

式中，Sd是鹽霧沉積率；[Cl]—是氯離子濃度。

所以在含鹽濃度高的海邊，其沉積率也很大，高濃度的鹽霧自然成為NaCl溶液的載體。當大氣中的鹽霧沉降在無人機裝備構(gòu)件表面上形成一層液膜，就構(gòu)成了鹽霧對無人機構(gòu)件腐蝕的環(huán)境介質(zhì)。懸浮著的鹽霧顆粒，實際上跟金屬并不發(fā)生作用，只有沉降在金屬表面上，形成電解液膜時才對金屬材料產(chǎn)生腐蝕。

鋁合金材料因其結(jié)構(gòu)強、重量輕，在無人機上運用得非常廣泛。在大氣和中性溶液中，由于鋁表面上能生成一層致密的、牢固附著的氧化物保護膜而使鋁鈍化，其鈍態(tài)穩(wěn)定性僅次于鈦，該膜主要由Al2O3·nH2O組成。

由于鋁在pH＝4～8的介質(zhì)中能夠鈍化，所以鋁在中性和近中性的水中以及大氣中是非常耐腐蝕的，但在鹽霧環(huán)境下，由于沉降到裝備構(gòu)件表面的鹽霧內(nèi)含有氯離子(Cl—)，而且霧滴中的氯離子(Cl—)有較小的離子半徑(1.82×10-4μm)，穿透力很強，能使鋁表面產(chǎn)生的鈍化膜遭到破壞，從而使其失去保護作用。由于鹽霧中的氯化物是一種強電解質(zhì)，大大增強金屬表面液膜的導(dǎo)電性，促進其電化學(xué)反應(yīng)，從而加重金屬的腐蝕。

鋁在中性溶液中的腐蝕基本上屬于氧去極化的陰極過程。鹽霧沉積在構(gòu)件表面，其中包含的Cl—等破壞鈍態(tài)的離子局部進入鈍化膜，使膜局部變質(zhì)，生成Al3+離子，其氧化過程為：

電子從陽極流到陰極；

在中性電解質(zhì)溶液中，陰極一般為氧原子或氧分子還原：

在溶液中，氯化鈉溶液離解，同時有生成的腐蝕物。

Al(OH)3在有氧情況下，容易生成疏松的Al2O3，此過程不可逆，所以該過程不斷向右進行，金屬被逐漸腐蝕。

改進措施

在裝備構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計時要盡量避免小的縫隙或凹坑，以防止鹽霧沉積，造成對構(gòu)件的腐蝕。對于集成電路等的封閉外殼，其密封性要保證能抵御潮氣、鹽霧等的侵入。對需向外部通風(fēng)散熱的設(shè)備，應(yīng)增加除濕功能，以避免鹽霧、潮氣附著或沉積在元器件和電路上，造成腐蝕。

由于普通的鋁表面氧化層因存在微孔而不能抵抗鹽霧的腐蝕，必須對其采取特殊的表面處理工藝，如用注入離子硅法得到高耐腐蝕性的表面改性層，硅與鋁的電位雖相差甚遠，但在復(fù)相合金中抗蝕性能仍很好，這是由于有氧存在或者在氧化介質(zhì)中，在合金表面生成有保護性的氧化物膜Al2O3+SiO2之故。

選用裝飾性化學(xué)砂面處理、陽極化鍍覆體系，提高其抗鹽霧腐蝕性能。此法既有較高的耐腐蝕性，又有較好的裝飾效果，且加工成本低，經(jīng)濟效果好。如果處理后再進行表面防鹽霧腐蝕涂覆，效果會更好。

另外采用純鋁或耐點蝕性能較好的Al—Mn和Al—Mg合金；對Al—Cu等耐蝕性能不好的合金，可采用包覆純鋁或Al—Mg合金層；增加構(gòu)件的通風(fēng)效果，防止鹽霧的沉降等措施都可以有效防止鋁合金產(chǎn)生點蝕。

結(jié)論

此次實驗周期為72h。實驗表明：鋁合金材料分為兩類，通過72h的中性鹽霧腐蝕實驗后，取出觀察，部分鋁合金材料沒有發(fā)生變化，典型的事例就是陀螺儀的支架，為鋁合金材料制作，經(jīng)過表面處理加入防護涂層后，其防鹽霧侵蝕能力大大提高。另一部分鋁合金材料經(jīng)過實驗后，在其表面布滿疏松的白色物，由于這部分小構(gòu)件表面沒有進行特殊化處理，其普通的鋁表面氧化層因其表面存在微孔而不能抵抗鹽霧的腐蝕，所以針對這種情況，應(yīng)在無人機系統(tǒng)上盡量使用經(jīng)過處理后的鋁合金材料。 ■