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飞机结构腐蚀防护和控制飞机工程2006年第1期飞机结构腐蚀防护和控制王哲田亮韩力全(中航一飞院,西安) ResearchofCorrosionPreventionandControlforAircraftStructureW ANGZheTIANIiangHANIiquan摘要:按飞机腐蚀情况,防腐蚀原则,防排水和通风,合理的结构设计,制造过程和使用维护中的腐蚀控制与修复等项内容,对飞机结构腐蚀防护和控制进行了分析研究,保证飞机在寿命期内飞行安全.关键词:飞机结构;腐蚀防护;控制飞机结构腐蚀防护和控制是保证飞机结构完整性的重要措施,是结构耐久性设计的重要内容,是实现飞机结构长寿命,高可靠性,低维修成本的重要保证.腐蚀防护和控制技术是防止和延缓飞机结构腐蚀,以保证结构完整性的工程科学技术,它涉及到结构构型,材料,工艺,表面处理和防护技术以及应力和变形的控制等,是一门多专业,跨学科的综合技术,也是一项从设计开始,贯穿于方案论证,结构设计,生产制造和使用维护等各个阶段的系统工程.在这项系统工程中,设计是关键,它决定了飞机结构固有抗腐蚀特性;生产制造是实现飞机腐蚀控制技术的根本保证;使用维护是保持和恢复飞机固有抗腐蚀特性的重要措施.设计人员不仅应了解和掌握腐蚀控制技术并在设计阶段予以实现,而且还应了解和熟悉在制造和使用维护中由于处理不当可能引起的各种腐蚀问题.由于现代飞机使用寿命长,维修性要求越来越高,因此采用合理的腐蚀防护设计和有效的腐蚀控制措施对保证飞机在使用寿命期内的飞行安全显得尤为重要,而如何防止外界水介质浸入,以及机体内冷凝液排出,进行合理结构设计,选择耐腐蚀的材料和表面防护等都成为这一领域需要研究的课题.1飞机腐蚀情况1.1飞机腐蚀的一般规律收稿日期:2005-09—20;修改日期:2005—12—28 沿海比内地严重,大气污染严重的地区比其它地区严重,南方沿海比其它沿海地区严重,水上飞机比陆上飞机腐蚀严重.机翼腐蚀比机身,尾翼严重,机翼的腐蚀主要集中在主要受力构件上, 梁缘条,梁腹板,长桁,对接型材和上,下翼面蒙皮,安装搭铁的固定支座等,尾翼的腐蚀主要集中在蒙皮及配重安装部位,安装搭铁的舵面固定支座上,机身的腐蚀主要集中在蒙皮,减速板舱,厨房,卫生间,货舱门下部,地板梁,货舱支撑件,龙骨梁,机腹天线与机腹的搭接处等,以及起落架舱,油箱舱内的结构件等.1.2易发生腐蚀的部位和结构形式异种金属接触部位,因缺少必要的防护措施或防护不当而导致腐蚀;搭铁安装部位,因铝合金构件和铜搭铁接头连接的外部未密封保护好或搭铁磨损构件保护层而导致腐蚀;紧固件及紧固孑L 周围;装配加工部位(如装配钻孑L,锪窝,切割边缘,对接和搭接接缝处的加工端面等);存在结构缝隙的部位;易积水积盐,受潮以及水上飞机易受海水,盐雾袭击的部位;起落架舱和减速板舱内,包括舱门周围的结构件及成品件;制造死角和表面防护层受到损伤的部位(如El盖连接紧固件);不密封或密封质量差的连接结构.夕部与海水,雨水接触的活动连接结构;应力集中的部位;各活动部位的注油嘴和注油孑L因维护中缺少注油而引起腐蚀,甚至导致断裂;机翼千斤顶座处表面蒙皮;施工质量差的部位(如漏涂密封剂的地方,装配加2006年第1期王哲田亮韩力全:飞机结构腐蚀防护和控制工多余物残留于结构内部,排水孔堵塞地方等).2飞机结构防腐蚀原则对暴露在腐蚀环境中的机体结构,应采取腐蚀防护措施,以保证飞机结构满足耐久性要求,使腐蚀,脱层,磨损及由腐蚀导致的其它损伤减至最低限度.结合制造和使用维护中的腐蚀控制措施,保证飞机在使用环境下,不出现危及飞行安全的腐蚀损伤,并无需在规定的期限内进行与腐蚀直接有关的修理.在制定腐蚀控制方案时必须遵循以下一般原则:a.正确处理产品的使用功能,使用寿命与腐蚀控制投资费用之间的关系.结构设计前,首先应全面了解产品的预期使用环境,使用功能和使用寿命,以便考虑采用相应的腐蚀控制措施;对于使用寿命长,使用中又不允许更换的零,部件,应从选材及各种防护层的选用方面精心考虑;对难以检查,修理,或更换属不经济的结构,采用的腐蚀防护措施应在机体设计使用寿命期内有效;对可修理,可更换的结构,应在一个大于预定检查周期的规定时间内有效.b.全面了解飞机结构的使用环境以及各个部位的使用环境,作为采取腐蚀控制措施的基本依据.不同类型的飞机会遇到各种不同的飞行环境,遇到的腐蚀介质也各不相同.例如,飞机在爬高,降落时受到温度,湿度的急剧变化;当飞机飞过城市,工矿和沿海地区时,会遇到大量腐蚀性气体如S02,HzS,NHs,HC1及尘土,矿灰,盐粒等固体颗粒的侵害,当它们出现在潮湿空气中时,其腐蚀作用将会更加强烈;同一架飞机,各零,部件所处的环境亦有差异.如厨房,厕所及地板下的受力结构就可能经常处于含有水分或潮湿空气的工作介质.c.仔细分析结构所受的各种外载荷,包括所承受的静载,动载以及交变载荷.分析产生的静拉伸应力时,需要考虑各种冷,热加工及装配过程中产生的残余拉应力,还要分析结构受力分布的不均匀程度.d.综合考虑材料的性能,包括力学性能,耐蚀性能,经济性以及施加覆盖保护层的可能性具体地说:应根据周围介质的情况来合理地选择耐蚀材料和相应的热处理方式;对整架飞机各零,构件的材料应通盘考虑,不应每项分开孤立选材,对/ 一些关键部件而修理成本又昂货者,应选择高耐蚀材料;在有应力腐蚀或疲劳腐蚀的场合,应尽量满足耐蚀性要求,应特别注意高强度铝合金对腐蚀疲劳的敏感性.3飞机腐蚀防护设计和控制3.1防水和排水设计(1)结构防水设计机体外蒙皮(尤其是机体上表面蒙皮)上的紧固件,应尽可能采用湿装配或干涉配合连接.所有门,窗和舱口边缘都应设计有水密装置;外表面各对缝及间隙,应恰当地选取缝内或缝外密封,或两者结合进行.位于机身,机翼上表面和机身侧表面的口盖应有效密封,位于上表面和侧表面上的所有门,窗和口盖的密封都应按有关标准进行淋雨试验验证.所采用的密封胶或密封垫应与机体胶接牢固,并具有较好的耐水,耐油,耐老化等性能.(2)结构排水设计结构总体布置时,应设置排水通道;排水渠道应保证停机状态时积水能自然通畅地流出,排水渠道应使用可靠,且有较好的维修性.排水孔应布置在机体各积水部位的最低处,对低于排水口的局部结构沟槽和凹坑,应使用密封剂填平,或在排水口下方设置挡水堤埂.排水孔直径一般应不小于8mm.机体内若采用结构间隙排水,间隙面积一般不小于70mm.,窄边尺寸不小于4mm.机身长桁和纵梁应尽量布置成不易积水的形式,否则应开排水孑L,或在可能积水区加装排水管.3.2结构通风与可达性设计(1)结构通风设计应根据结构使用环境条件和内部设备的具体要求,设计通风结构形式.固定式通风口位置应选择在不易进水部位.活动式通风门应开关灵活,风路通畅,不留死角.(2)可达性设计在整架飞机上必须有足够的检查口盖和可卸盖板,以便维修和检查;对可达性稍差的结构部位,应从经济性出发,权衡防腐投资费用和更换, 修理费用,采取合适的腐蚀防护措施,保证结构在修理间隔内或使用寿命期内不会发生必须修理的2006年第1期腐蚀;应尽可能地减少封闭而不可达的结构部位. 否则,应采取可靠的腐蚀防护措施,以保证结构在使用寿命期内不出现因腐蚀而造成的失效.3.3合理的结构设计(1)零件构型设计飞机上表面等易进水的部位应采取密封措施,如湿铆接等.零件形状应便于表面防护,尽量避免凹槽和缝隙,消除存留腐蚀介质的间隙.若出现沟槽或缝隙,应采用相应的密封措施,阻止腐蚀介质进入.内部零件的形状应尽可能设计成平直的或向上凸的,避免使用向下凹形零件,以免腐蚀介质集聚.如不可避免,应在适当位置开排水孔,并安排在便于检查,观察的地方.尽量避免选用闭剖面零件,若采用闭剖面零件时,两端应可靠地封闭,并在封闭前进行内表面防腐处理.如不能封闭,应制成便于检查,排水,清洗的零件.应尽可能防止水渗入或漏入结构内部.所有的设备舱,口盖,座舱盖,窗户和门应密封,尽可能采用整体件,如整体壁板,整体框段,以减少连接对表面防护层的破坏和造成渗漏腐蚀介质的机会.蜂窝结构应使用无孔蜂窝芯,并采取防止水汽浸入和水液积聚的措施;焊接件的焊缝布置应开敞,焊缝应采用连续封闭焊缝,避免间断焊缝.焊接件的缝隙中不允许进入和存储水液或其它腐蚀介质, 因此点焊件周边应采用堵焊封闭.铸件一般为多孔表面,在孔穴中易积聚潮气,灰尘和其它腐蚀杂物,为此,应尽量选用精密铸造或压力铸造,以获得致密的表面.机加零件在死角区应开排水孔及采用光滑圆角过渡,避免因积水引起腐蚀.结构设计中必要的设计补偿可减少装配应力,进而减少结构的应力腐蚀.(2)结构装配设计零件的配合面应形状简单,平直,便于良好贴合,避免强迫装配.在结构件装配中,一般不应锉修,以免破坏零件表面防护层.否则应在锉修部位补涂底漆或润滑脂后装配(铝合金零件锉修后必须先进行阿罗丁处理).选用紧固件要注意与被连接材料电化学性相容,不同材料组合成的结构安装,按异电位材料防护处理.衬套,轴承与壳体的配合应正确,以免微动腐蚀及产生不可接受的装配应力.铝合金结构中使用镀镉的凸头螺栓或螺母时,在螺栓头和螺母下面应加隔离垫片. 结构中受力比较大,夹层厚度也比较厚(4mm以上)的地方,连接应尽量采用干涉铆接或干涉螺接.对机内多孔松软衬垫零件应有良好的密封措施.在使用毡层类多孔材料的衬垫时,应先使用密封剂封闭表面孔隙,穿过机体的外露件装配部位应密封连接,如天线座等.与绝热,隔声材料相接触的零件,除了电镀层或阳极化膜层外,还应涂底漆保护.(3)不同材料连接结构设计尽量选用同种金属或电位差小的不同金属(包括镀层)相互连接,不同金属之间采用绝缘措施,如涂漆,涂胶等;采用阳极保护或阴极保护和隔离;对于不同金属组成的结构应尽量避免大阴极小阳极的危险连接,通常应使阳极面积大于阴极面积.当两种金属不允许直接接触,而结构上又必须选用时,可以选用两者都允许接触的金属或镀层进行调整过渡,如滑动部位涂润滑油,不活动部位涂漆,用不吸水的惰性材料绝缘,不常拆卸的用密封胶密封,经常拆卸的用不干性腻子密封等.不允许接触而又必须电联接的部位,对于不常拆卸的,联接后要密封;经常拆卸的,联接后可用不干性腻子密封或选用与两种金属都允许接触的金属垫片或镀层进行调整过渡,或将易腐蚀的材料或镀层适当加厚.3.4制造过程腐蚀控制制造过程中应采取适当措施以维持腐蚀预防的完整性并防止引进腐蚀或腐蚀因素;进厂原材料应为腐蚀性能合格的材料;所有加工工艺应对材料的耐蚀性无不良影响;加工过程中零件不应有划伤,腐蚀损伤和有残留的腐蚀介质;经加工全过程处理后的零件材质的综合性能应有提高,至少不应损伤材料固有的耐腐蚀性能.高强度材料零(部)件在加工,组装和装配时,应使其残余拉伸应力减至最小,以防止应力腐蚀开裂;重要结构装配时可采用工艺垫片减少装配应力,防止应力腐蚀;安装静配合过盈螺栓时,不能硬用锤敲击;不可拆卸安装的紧固件,应用缓蚀密封剂或用底漆进行湿装配.制造过程中损伤的防护层应按下列方法修补:铝合金零件刷涂化学氧化液后再涂漆保护;钢铁零件可涂漆或防锈油保护,也可刷镀镉后再涂漆.所有组装后的整体件都应进行清理以去除残留物,如金属屑,破碎紧固件和灰尘,应特别注意排水孑L不被堵塞.2006年第1期王哲田亮韩力全:飞机结构腐蚀防护和控制3.5使用维护中的腐蚀控制与修复飞机使用和维护过程中的腐蚀控制与修复可提高飞行可靠性,延长飞机使用寿命.腐蚀控制与修复主要有:飞机清洗技术,腐蚀产物去除技术,腐蚀受损部位临时防护技术和修复技术.清洗飞机是飞机使用过程中最基本的腐蚀预防方法,采用飞机专用清洗剂及清洗技术保持飞机干净,无碎片和液体泼溅.飞机表面清洗剂,应对飞机表面的油污具有较好的去除能力,能有效地抑制飞机表面多种金属材料的腐蚀,不会引起高强度钢氢脆,符合环保要求,并应在飞机维护修理手册中进行规定(包括冲洗周期).脱水防锈剂也作为飞机外场临时维护和修补技术.软膜型的脱水防锈剂适用于外场短期防护,将其喷在那些难于检查及容易积水的区域(起落架舱,减速板舱,舱底部位等),常在飞机清洗之后使用;硬膜型的脱水防锈剂适用于飞机上不要求润滑的非运动部位和大表面上(如紧固件,接缝,调整片,焊缝,未涂覆的金属表面),并且可以涂覆在涂层开裂和损坏部位,作为涂层破坏后的临时修补手段之一.腐蚀修复工作通常在检测出腐蚀部位后,需判断金属的类型,针对不同金属采用不同的去除腐蚀产物的方法,然后进行表面防护处理并喷上底漆.铝合金结构表面处理可采用Aloding,Irid—ite,Turcoat,Almuigold等化学氧化,冲洗干燥后喷涂底漆;镁合金采用铬酐一硫酸钙或重铬酸钠一硝酸化学氧化;铜及铜合金采用铬酸化学氧化;碳钢采取将磷酸盐转化或其它保护涂层的方法, 如ParcoLubrizing法和磷酸锌处理法,合金钢一般采用低氢脆刷镀镉并涂底漆.飞机腐蚀修理程序,包括对腐蚀的发现,记录,评估,报告,批准,修复与统计分析等.首先对飞机进行腐蚀全面检查,填写腐蚀检查单(卡),建立腐蚀修理方案,腐蚀等级的评估,腐蚀状况的记录,腐蚀方案的修改,工程和检验人员的培训,按相关手册和批准进行修理,同时要对机队的腐蚀情况进行统计和分析,发现腐蚀严重的地方,要缩短腐蚀检查周期,并进行专题研究,将飞机在使用过程中的腐蚀问题应迅速反馈设汁和制造部门, 设计和制造部门应根据腐蚀损伤程度以及零件本身的功能,受力情况,确定维修范围和修理极限, 不断完善防腐体系.4结束语飞机结构腐蚀防护设计和控制技术发展很快,选用耐腐蚀的材料,注重防排水,腐蚀疲劳,湿装配,无余量装配,结构密封,复合材料的防腐蚀及缓蚀剂等设计,采用先进的表面处理技术,如达克罗技术,钛合金表面处理技术,低氢脆电镀技术,高速火焰喷涂技术和离子镀铝技术等.同时在制造和使用维护过程中重视腐蚀控制.参考文献Eli飞机结构腐蚀实例分析.航空工业出版社,2001[2]民用飞机结构腐蚀控制设计手册.中国航空总公司民用飞机系统工程部,1989[3]王哲.飞机结构防水和排水设计.飞机工程,2005(2)作者简介:王哲(1963一)男,陕西周至人,一飞院机身结构室研究员. 西北工业大学毕业(go士),主要从事飞机结构设计与研究.地址:西安72信箱305分箱邮编:710089电话*************田亮(1963一)男,陕西渭南人,一飞院科技处高级工程师. 西北工业大学毕业(学士),主要从事飞机结构设计与科研管理.地址;西安72信箱103分箱邮编:710089电话*************韩力全(1970一)男,陕西蓝田人,一飞院机身结构室工程师. 西北工业大学毕业(学士),主要从事飞机结构设计与研究.地址:西安72信箱305分箱邮编:710089电话:029—86832605。
