海洋環境下飛機典型接地柱防腐蝕設計研究

張辰玉，袁猛，劉元海

（中國特種飛行器研究所 結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035）

在海洋環境下服役的機載電子設備，長期處于海水、鹽霧、高濕度的環境中。雖然機載電子設備及其附件一般處于飛機機體內部，但這些部位通常并非完全密封，機身內不可避免地會有潮氣或電解液的存在[1-3]。這些介質不會立即從附近的排水孔排出，相反，會順著線束、液壓管道或結構件流動，除重力作用會使水流動之外，飛行時的機動動作會使液體順著各種管道運動/流動。在某些特殊條件下，液體甚至可以因為毛細作用往上走。因此，機載電子設備在海上服役期間面臨的腐蝕環境更為嚴峻。據初步統計，2010—2015 年，駐海南服役飛機電子設備的故障率是駐山東服役飛機的1.9 倍[4]。

接地連接和電搭接區域通常涉及兩種或多種不同電位的金屬的連接，在濕氣或液體介質存在的條件下，極易發生電偶腐蝕。若不采取適當的防護措施，該類型的腐蝕極易破壞傳導電流的低電阻路徑[5-12]。未經防護處理的電搭接區域出現的腐蝕情況如圖1所示。

圖1 接地柱連接區域腐蝕Fig.1 Corrosion of ground column connecting area

文中以×型飛機某半封閉關鍵部位安裝的接地柱為研究對象，設計了三種防腐蝕安裝方案[3-20]，并在實驗室環境譜下開展加速腐蝕試驗，研究海洋環境對典型接地柱防腐蝕安裝設計的影響。這一研究成果對于海洋平臺的飛機接地柱的設計、安裝具有十分重要的參考意義。

1 接地柱防腐蝕安裝模式設計

接地柱安裝在海洋環境下的飛機平臺上，不同結構、不同位置的接地柱受到的平臺誘發環境不同。根據施工工藝的復雜性及防護程度的輕重，設計了三種安裝防護模式。

1.1 模式1

模式1：采用直接安裝法。這是施工工藝最簡單的安裝模式，也是目前飛機型號中普遍使用的安裝方法。其工藝可概括為“打磨接觸面+安裝接地+補漆”，試件形貌如圖2 所示。

典型腐蝕防護安裝模式1 采取以下步驟進行防護：打磨掉安裝板上與接地柱底面接觸部分的涂鍍層，打磨面積略大于接地柱底座；用乙醇清洗接地柱與安裝材接觸表面，6 h 內使用鉚釘連接，鉚釘采用密封劑濕裝配，端頭封包；對接地柱與安裝板接觸邊緣多打磨的區域進行補漆處理。

圖2 接地柱安裝模式1Fig.2 Installation mode 1 of ground column

1.2 模式2

模式2 采用縫隙填角法，施工工藝復雜程度中等。其工藝可概括為“打磨接觸面+導電氧化+安裝接地+補漆+填角密封”，試件形貌如圖3 所示。

圖3 接地柱安裝模式2Fig.3 Installation mode 2 of ground column

典型腐蝕防護安裝模式2 采取以下步驟進行防護：打磨掉安裝基材上與接地柱底面接觸部分的涂鍍層，打磨面積略大于接地柱底座；安裝基材打磨區域進行局部導電氧化處理；乙醇清洗接地柱與安裝基材接觸表面，6 h 內使用鉚釘連接，鉚釘采用密封劑濕裝配，端頭封包；接地柱與安裝板接觸邊緣打磨多余部分補漆處理。接地柱與安裝基材接觸邊緣縫外使用密封劑填角密封。

1.3 模式3

模式3 采用端頭封包法，施工工藝最為復雜。其工藝可概括為“打磨接觸面+導電氧化+安裝接地+補漆+填角密封+端頭封包”，試件形貌如圖4 所示。

圖4 接地柱安裝模式3Fig.4 Installation mode 3 of ground column

典型腐蝕防護安裝模式3 采取以下步驟進行防護：打磨掉安裝基材上與接地柱底面接觸部分的涂鍍層，打磨面積略大于接地柱底座；安裝基材打磨區域進行局部導電氧化處理；乙醇清洗接地柱與安裝基材接觸表面，6 h 內使用鉚釘連接，鉚釘采用密封劑濕裝配，端頭封包；接地柱與安裝板接觸邊緣打磨多余部分補漆處理；接地柱與安裝基材接觸邊緣縫外使用密封劑填角密封；墊片、彈墊、電線大接頭、螺母與接地柱連接位置外表面使用密封劑封包。

2 試驗

2.1 加速腐蝕試驗

按照圖5 所示環境譜完成2 個循環的加速腐蝕試驗。

圖5 加速試驗環境譜Fig.5 Accelerated test environment spectrum

2.2 試驗結果

2.2.1 模式1

2 個周期結束后，明顯可見試件在安裝板與接地柱接觸面發生縫隙腐蝕，接地柱底座周圍積聚鹽粒及灰白色腐蝕產物（見圖6a）。將接地柱底座從安裝板拆卸下后，觀察其安裝板接觸面。宏觀明顯可見安裝板發生腐蝕（見圖6b），接觸面失去鋁合金金屬光澤，被灰白色腐蝕產物覆蓋。采用KH-7700 三維體視顯微鏡放大50 倍后，視野內超過70%區域發生腐蝕，間或可見鋁合金金屬光澤（見圖6c）。接地柱底座失去金屬光澤，輕微發黑，表面零星可見輕度腐蝕痕跡（見圖6d、e）。

圖6 直接安裝件試驗結束后形貌Fig.6 Morphology of directly installed piece after test: a)overall corrosion morphology; b) macro morphology of mounting plate corrosion; c) micro morphology of mounting plate corrosion; d) macro morphology of ground column base corrosion; e) micro morphology of ground column base corrosion

2.2.2 模式2

2 個周期結束后，明顯可見試件在安裝板-接地柱接觸面發生縫隙腐蝕（見圖7），接地柱底座周圍積聚鹽粒及灰白色腐蝕產物。填角處密封膠完好，僅密封膠上表面有少量鹽粒積聚。拆卸試件后，觀察安裝板表面，可見裸露鋁合金有金屬光澤。鉚釘孔側壁發生輕度腐蝕，但由于采用了濕裝配工藝，孔側壁的腐蝕未能延伸發展至接觸面其他位置（見圖8）。安裝板與接地柱接觸面間縫隙采用填角工藝，安裝板及接地柱底座防護良好，未見明顯腐蝕現象（見圖9）。

圖7 填角件試驗結束后安裝板-接地柱間隙形貌Fig.7 Morphology of gap between mounting plate and ground column after the corner filler test

圖8 填角件拆卸后安裝板宏觀及微觀形貌Fig.8 Macro-and micro-morphology of mounting plate after dismantling of the corner filler

圖9 填角件拆卸后接地柱宏觀及微觀形貌Fig.9 Macro-and micro-morphology of ground column after dismantling of the corner filler

2.2.3 模式3

2 個周期結束后，明顯可見接地柱底座周圍積聚鹽粒（見圖10）。拆卸試件后觀察安裝板與接地柱底座，均未見明顯腐蝕，接地柱底座可見黃色銅金屬光澤，密封防護性能良好（見圖11）。

2.2.4 接觸電阻測試結果分析

在試驗前和每個周期試驗后，根據“接觸電阻小于100 μΩ 為合格樣品”的標準分別檢測試件法蘭盤與安裝板間的接觸電阻。初始檢測（0 周期）樣本12個，合格12 個，合格率100%，檢測結果見表1。

1 個周期結束后，檢測樣本12 個，合格7 個，合格率58.3%，不合格樣本5 個。不合格試件接觸電阻范圍在280～460 μΩ，表面鍍鎘接地柱鍍層失效，接地柱腐蝕產物覆蓋接地柱底座，無法檢測接觸電阻。檢測結果見表2。

圖10 封包件試驗結束后接地柱形貌Fig.10 Morphology of ground column after test of package

圖11 封包件拆卸后接地柱形貌Fig.11 Morphology of ground column after disassembly

表1 接地柱0 周期接觸電阻檢測結果Tab.1 Testing results of cycle 0 contact resistance of ground column

表2 接地柱1 周期接觸電阻檢測結果Tab.2 Testing results of cycle 1 contact resistance of ground column

2 個周期結束后，檢測樣本12 個，合格3 個，合格率25%，不合格樣本9 個。采用直接安裝模式和填角安裝模式的接地柱，其底座被腐蝕產物及鹽粒覆蓋，無法檢測接觸電阻。檢測結果見表3。

表3 接地柱2 周期接觸電阻檢測結果Tab.3 Testing results of cycle 2 contact resistance of grounding column

根據接地柱的接觸電阻檢測結果，從一定程度上反映了防腐蝕安裝方式的有效性及試驗對比結果的準確性。2 個周期結束后，采用直接安裝模式的接地柱因接地柱底座腐蝕而無法檢測接觸電阻；采用填角安裝模式的接地柱外觀腐蝕嚴重，但其內部仍為電接觸，若不及時處置，隨著腐蝕的發展，腐蝕產物終會阻斷電接觸。采用封包安裝模式的接地柱耐蝕性最好，內部被密封劑保護完好。

3 結論

1）模式1 為直接安裝工藝，此工藝安裝最為簡單。目前的飛機型號上也多采用這種安裝方式，但這種安裝方式耐蝕性最差，甚至會危及安裝結構基材。

2）模式2 為填角安裝工藝，其安裝復雜度和防腐蝕效果皆為中等，推薦用于環境較溫和區域，在型號使用中應做好定檢，及時維護或更換。

3）模式3 為封包安裝工藝，該方法的優點是耐蝕性最佳，缺點是施工工藝較為復雜，質量增加較多，適用于環境較惡劣或維修不可達區域。

4）不同的環境條件，應該采用不同的防腐處理方式，可根據結構的局部環境特點、施工的便捷性、經濟型視情選擇安裝方法。