飞机铝合金零件腐蚀机理与防护

据统计，铝和铝合金要占一架飞机总重量的70%，而飞机的结构件大部分是由铝合金材料构成。铝合金构件的损伤形式有多种，如疲劳断裂、裂纹、变形、磨损等，其中腐蚀是最常见的损伤形式之一。由于腐蚀造成的事故占飞机全部损伤事故的20%，这个问题在老龄飞机上变现的尤为突出。由于腐蚀问题的存在，往往缩短飞机结构件的使用寿命，甚至还危及飞行安全。如1988年Aloha航空公司的波音737飞机发生空中事故，经过事故调查后认为：由于机身增压舱纵向蒙皮搭接接头处一排铆钉孔，在服役的热带海洋环境和循环增压载荷作用下，引起了不可检测的多条腐蚀疲劳裂纹，从而引起事故。因此，腐蚀问题不容忽视，这就需要我们在航空维修过程中加强检查与控制。

飞机结构件的腐蚀是飞机在使用环境中随着时间推移而发生的化学累积性损伤。作为电化学反应，必须同时具备三个条件才能发生，即活性金属、腐蚀环境（介质）和导电通路。同时，它又作为与时间有关的损伤，需要一定时间的累积才能发生，并且要求在一定的损失范围之内就进行维护和修理。一般民航和军航的飞机维修规定：腐蚀损失深度不超过蒙皮厚度的10%。

腐蚀的种类很多，通过对飞机铝合金材料构件腐蚀情况的统计和分析得知，点蚀、剥蚀缝隙腐蚀这三类是腐蚀的主要表现形式。其中，点蚀改变飞机结构的应力分布，引起局部应力集中，从而形成腐蚀疲劳裂纹；剥蚀和缝隙腐蚀使蒙皮、桁条等构件的厚度减薄，大大降低材料的强度，增大应力，最终导致构件裂纹，甚至断裂。

在飞机结构修理中，构件中存在应力腐蚀裂纹是一个常遇到的实

际问题。例如，1L-18飞机上翼面处的大量B94铝合金铆钉产生了应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹通常都很小，宽度较窄，没有引起人们注意的特征，又因常被腐蚀产物覆盖，所以很难发现，有时需要采用无损探伤技术进行检查。构件发生应力腐蚀断裂时，常常是在事先没有明显预兆的情况下突然发生，因此对飞机的飞行安全危害较大。一般来说，腐蚀坑洞是应力腐蚀裂纹的主要萌生源。通常情况下，存在应力腐蚀裂纹构件的表面，常有不同程度的腐蚀痕迹。当然，由交变应力引起的疲劳裂纹以及焊接裂纹、热处理裂纹也可转化为应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹具有较多的二次裂纹，这种现象在铝合金、镁合金、高强度钢及钛合金中都可看到。主裂纹的扩展方向垂直于最大正应力的方向。从宏观看应力腐蚀断裂的断口一般有三个区：1.开裂源区。该区的断口腐蚀较为严重，开裂源的根部往往有蚀坑。2.应力腐蚀裂纹的扩展区。这是应力腐蚀裂纹缓慢扩展过程中所形成区域，；裂纹扩展过程是材料的组织与应力及介质相互作用的过程。从宏观上来看，这个过程的特性是呈脆性的，即使是具有高塑形的Cr-Ni奥氏体不锈钢也如此。由于裂纹是沿着材料的某一结晶学方向（如解理面），所以断口的粗糙不平的。而这种不平度是随着材料的组织与晶粒度而变化的。由于腐蚀产物的存在，在应力腐蚀断口上，可以明显看到，裂纹缓慢扩展区和因为构件的有效载面不能承受静应力而断裂的区域是截然不同的。3.最后一个区域就是快速拉断或撕裂区。从应力腐蚀开裂的方式来看，它的微观开裂途径通常有三种类型，即穿晶型、沿晶型和混合型。一般说来，应力腐蚀的微观开裂途径与材料的晶体结

构、合金成分、热处理状态以及构件所处的介质环境与应力状态有关。铝合金的应力腐蚀开裂途径几乎总是沿着晶界的。这是因为铝合金沿晶界沉淀物或紧靠晶界有一层薄层富合金元素或贫合金元素区，从而晶界与晶粒基体有很大的电位差，使晶界成为铝合金应力腐蚀敏感的区域。

腐蚀疲劳是指构件在交变应力和腐蚀介质联合作用下发生的疲劳破坏。交变应力和腐蚀介质联合作用要比期中一个单独作用更加有害。严格来说，除了在真空和惰性介质中工作的构件外，所有的疲劳破坏都是腐蚀疲劳破坏。特别是对于铝合金来说，潮湿空气就是一种严重的腐蚀环境。因此，飞机长期服役后，某些铝合金构件就可能发生腐蚀疲劳破坏，尤其是Al-Zn-Mg，铝合金对潮湿空气更加敏感，更容易发生腐蚀疲劳破坏。腐蚀疲劳的S-N曲线具有明显的特征。腐蚀环境与交变载荷同时作用，会使长寿命的疲劳强度降低很多，在干燥空气中可能出现比较平缓的长寿命S-N特性，但在腐蚀疲劳条件下就不会出现。这也是说腐蚀疲劳曲线没有水平段。由于潮湿空气就是铝合金的严重腐蚀环境，所以在一般湿度条件测得的铝合金S-N曲线，没有明显的水平段，即没有明显的疲劳极限。

通常，腐蚀疲劳裂纹往往萌生在腐蚀坑洞处，例如，An-24机机翼油箱上壁板的边缘裂纹就萌生在面板边缘表面的蚀坑处。构件在交变载荷作用下产生的表面滑移，会使金属表面膜发生反复破裂，从而在构件表面上出现许多活性区域，进而形成腐蚀坑洞。因此，在腐蚀环境下，构建表面可形成多个疲劳源。构件表面的腐蚀疲劳裂纹可多

条同时存。这也就是说，在一条腐蚀疲劳裂纹附近，有可能形成许多条表面次裂纹，并扩展到比较深的深度，这些次裂纹彼此大体上相互平行地向内扩展，在达到一定长度之后，便停止扩展，只有主裂纹继续扩展，并导致构件断裂。因此，主裂纹附近出现多条次裂纹的现象，是腐蚀疲劳断裂的表面特征之一。一般来说，腐蚀疲劳的表面裂纹比机械疲劳裂纹宽些。但是，在表面以下，逐渐变细，貌似常见的疲劳裂纹。这表明，当裂纹前缘远离表面时，腐蚀环境的影响会明显降低。应当指出，某些合金的应力腐蚀裂纹只能在特定腐蚀环境下才会发生，但是，腐蚀疲劳裂纹则可发生在差不多所有易于遭到一般性腐蚀介质的材料上。腐蚀疲劳裂纹多半是穿晶的，但也有沿晶的，这主要取决于材料的特性和工作条件。铝合金在低频和大应力幅下，其腐蚀疲劳裂纹可能是沿晶的，不过这种情况多发生在材料的短横向。在多数情况下，单纯的机械疲劳与腐蚀疲劳的鉴别可用断口是否有腐蚀产物覆盖作为鉴别依据。利用扫描电镜、电子控针以及其他化学分析方法，对断口表面的腐蚀产物进行成分分析，鉴别腐蚀介质的成分，这是腐蚀疲劳断裂分析工作的常用分析方法。但是，腐蚀疲劳断口上的腐蚀产物往往也给分析工作带来极大的不便。在一些情况下，由于断口腐蚀严重，以致使断口的宏观和微观形貌特征遭到破坏，给确定构件断裂性质带来一定困难。在腐蚀产物的下面仍然保留着疲劳特征的情况下，应采取适当的清洗剂仔细清洗断口，将覆盖于断口上面的腐蚀产物清洗干净之后，再观察断口的疲劳特征。

目前，应力腐蚀开裂机理还不完全明白。因此，其防止方法还只

是一般性的或经验性德。通常，可采用下列一种或几种方法来减轻或防止应力腐蚀开裂：1.铝锌合金（例如LC4），不锈钢（例如Cr-Ni 奥氏体不锈钢和高强度结构钢（例如30crMnSiA）对应力腐蚀具有较高的敏感性。因此，在飞机结构设计过程中，应成分考虑到这一点。

2.当某一种材料处在特定的腐蚀环境中时，应力腐蚀开裂速率是受应力强度因子控制的。对于某些合金材料，例如钛合金，当应力强度因子低于某特定值时，材料或构件就不会发生应力腐蚀破坏，这一特定值就是应力腐蚀临界应力强度因子，或称门槛应力强度因子。但是，对铝合金来说，它们没有确定的值，一般来说，采用过时效或分级时效的材料，尽管静强度稍有下降，但抗应力腐蚀性能显著提高。

3.在构件成型、冷加工、焊接等一系列公益过程中，若可能带来明显的残余盈利的话，则一般应加进消除残余拉应力的热处理工艺。

4.采用喷丸、滚压等表面强化处理措施或采用超声波、振动等方法，可降低残余拉应力或引入压应力，从而提高零构件的抗应力腐蚀性能。试验结果表明，喷丸能够相当显著地提高合金材料抗应力腐蚀破坏的能力。

5.采用表面渗碳、渗氮、氰化、渗金属或合金等工艺措施，也可提高合金材料抗应力腐蚀开裂的能力。这种方法不仅直接提高了表面层的强度，而且由于强化层的存在，也提高了合金的抗蚀性，改变了表面内应力分布，产生表面压应力，因此提高了抗应力腐蚀开裂的能力。

6.紧固件孔的过大径向干涉量不仅导致疲劳寿命降低，而且对于7075-T6这样的铝合金干涉量超过3.2%时，材料对应力腐蚀敏感性增加。考虑到国产铝合金材料的化学成分，热处理和加工规范等因素，

在铆接结构中干涉量可去3%。7.热处理至抗拉强度高于1370Mpa的钢对应力腐蚀的敏感性非常明显。因此，对构件热处理、表面处理的工艺过程应严格控制。对于高强度，不合理地提高材料的抗拉强度是非常危险的。在控制热处理温度时，应当控制使其抗拉强度达到技术条件的中、下限。由30CrMnSiA高强度钢制成的米格-15比斯飞机主起落架轮叉的应力腐蚀破坏，就是由于热处理不当，抗拉强度高于技术条件的上限所造成的。8.应力集中是产生应力腐蚀的主要原因。表面缺陷和亚表面缺陷，偶然的机械划伤，构件的几何形状改变等都会引起应力集中。因此，在飞机结构设计中，应采用避免或减缓应力集中的措施。

抗腐蚀疲劳的基本措施：1.能够减轻腐蚀疲劳的主要方法，是选择一种能在使用环境中显示低腐蚀性的材料来获得较好的抗腐蚀疲劳性能。因为铝铜合金耐应力腐蚀和腐蚀疲劳的性能优于铝锌合金，所以进行飞机结构设计时，尽可能选用铝铜合金设计结构件。2.金属构件表面的拉应力是腐蚀疲劳破坏的嘴主要因素。因此，讲金属构件表面置于压应力下，是延长金属构件疲劳寿命的嘴普遍采用的方法。显然，对金属构件表面采用喷丸、滚压、渗碳、渗氮等表面强化处理工艺，使表面产生残余压应力，就可明显地提高构件的腐蚀疲劳强度。

3.在腐蚀环境中工作的零构件，采用表面镀层的方法可隔开腐蚀环境，使它不与零构件表面直接接触。通常，阳极镀层是有利的；而阴极镀层是有害的。锌和镉的镀层对钢来说属于阳极镀层，因而能改善抗腐蚀疲劳性能。锌镀层的改善效果更好。铬和镍的镀层对钢来说属于阴

极镀层，用这些金属进行电镀后会产生有害的拉伸残余应力和表面毛细裂纹，还可能造成氢脆。4.氧化性涂层可隔开腐蚀介质，有利于提高抗腐蚀疲劳性能。例如，讲高强度铝合金包一层纯铝表层（包铝），能大大提高铝合金的抗腐蚀疲劳性能。如果喷丸处理与氧化性涂料结合使用，能更加提高抗腐蚀疲劳性能。5.应力集中也还是腐蚀疲劳破坏的主要原因。因此，在进行飞机结构设计时，应尽量避免和减少应力集中，；在生产和使用过程中，应避免发生机械损伤。6.疲劳试验和使用实践表明，构件的纵向抗腐蚀疲劳性能最好，而短横向抗腐蚀疲劳性能最差。所以，在进行飞机结构设计时，应充分考虑到沿材料的纵向和长横向方向受力，避免构件的短横向受较大的拉应力。