水上飞机典型连接结构户外加速环境试验腐蚀特性研究

蔡舒阳

中国特种飞行器研究所 湖北荆门 448000

摘要

由于恶劣的运营环境，水上飞机典型连接结构的耐腐蚀性能对飞机的安全性和使用寿命有着至关重要的影响，因而此备受人们的关注，国内外水上飞机制造商都在努力提高这些部件的耐腐蚀性能。本文对几种典型的带涂层和不带涂层的连接结构进行了户外加速暴露试验。试验选取了三亚市近海处的室外大气环境作为此次试验的环境谱，研究了与连接结构腐蚀特性相关的参数，如连接类型、表面处理、密封形式和搭接面积比对耐腐蚀性能的影响。通过试验结果对比，分别验证了一种连接方式和一种特殊的涂层组合对基材、螺栓、铆钉具有良好保护效果。

关键词: 水上飞机; 连接结构; 暴露试验; 涂层组合.

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概述

腐蚀通常被认为是导致飞机部件或结构失效的第二大重要的因素，疲劳是第一重要。腐蚀的发生无所不在，同时也不可避免地威胁着飞机的适航性和安全性。由于多种原因，所遇到的腐蚀问题往往是复杂的和相互作用的，并且威胁到飞机^[2]的结构完整性。它们一般通过减小结构的横截面面积来影响飞机结构的承载能力，同时也增加裂缝形成的概率[2]。

在现代水上飞机结构中，由于其高比强度性能，钛合金和合金钢在关键连接件中大量使用。两种最常见的搭配类型就是钛-铝接头和钢-铝接头。由于两种材料之间的电位差，在连接处必然会发生^[3]电化学腐蚀。另一种最广泛使用的接头是铝-铝接头，虽然没有电化学腐蚀，但它们直接与海水或水蒸汽和辐射物接触，直接造成化学腐蚀。由于这些原因，必须在这些区域采取防腐蚀措施。其中，涂层和缓蚀剂被认为是防止金属及其合金在湿热环境下发生腐蚀的有效方法。

本文选取三亚市恶劣的户外大气环境为加速试验环境谱，对水上飞机典型连接结构的腐蚀行为进行研究，以便更好地了解腐蚀机理，寻找更好的抗腐蚀设计方法。本文的研究成果将对水上飞机结构防腐蚀设计和维修工作有一定的指导意义。

试验程序

试验件设计

本项试验包括两种典型连接试验件：金属裸材铆接件和涂层试验件。金属裸材铆接件见图1，根据不同的材料组合和阴阳材料面积比不同共6组，每组6件。试样阳极板为铝合金薄板，阴极板分别为：结构钢、钛合金；采用铆接连接阳极板与阴极板，其中阴极板尺寸固定（60mm*60mm），通过改变阳极板（铝合金薄板）试验件长度，实现阴阳板面积比的调控；紧固件湿装配、铝合金平板件对接部位贴合面密封，铝合金与钢、钛接触面的边缘部位填角的密封；具体试样清单（材料、编号等）见表1。

图1 金属裸材铆接件（钛-铝或钢-铝）

表1 金属裸材铆接件清单

试验组别	板材及紧固件	阴阳面积比	件数
A1	板材：2024-T3+30CrMnSiA 紧固件：HB6231-4X10	1:2	6
A2		1:3	6
A3		1:4	6
B1	板材：2024-T3+TC4 紧固件：HB6231-4X10	1:2	6
B2		1:3	6
B3		1:4	6

涂层结构件见图2，按照水上飞机具体的部位的连接形式设计试验件；具体试样清单（材料、编号等）见表2

图2 涂层试验件（铝-铝）

采用的表面防护措施：

钉头侧：零件状态铬酸阳极化+1层10P20-44底漆；装配完成后喷涂一层10P20-44底漆+1层ECLG-1622面漆；

镦头（螺母）侧：零件状态铬酸阳极化+2层10P4-2NF底漆；装配完成后喷涂一层10P4-2NF底漆。其中C2、C3组试验件装配后整体喷涂一层TFHS-15缓蚀剂。

表1 涂层试验件清单

试验组别	板材及紧固件	是否使用缓蚀剂	件数	模拟部位
C1	板材：2024-T3 紧固件： HB1-201M4X12 HB1-401M4 HB1-521-4X8X1.5CdD	否	3	机身上部
C2	板材：2024-T3； 紧固件： HB1-201M4X12 HB1-401M4 HB1-521-4X8X1.5CdD	是	3	起落架舱
C3	板材：2024-T3； 紧固件： HB6239-4X10	是	3	船底
C4	板材：2024-T3； 紧固件： HB1-201M4X12 HB1-401M4 HB1-521-4X8X1.5CdD	否	3	水箱

试验环境

本次试验选择三亚市的一个户外测试站。三亚地处中国最南方，大气环境具有高温高湿、高盐、高辐射的严酷特征。它典型地代表了中国的热带海洋气候。按年测量的主要环境参数见表3。

表3. 三亚市主要环境参数

平均温度 ℃	平均湿度 %	日照时长 h
25.7	79	2534
辐射总量 MJ/m2	降雨总量 mm	雨水酸碱度 pH
5944.51	1347.5	5.96

试验程序

所有试验件投试前采用无水乙醇清洗，经自然干燥后备用。涂层试样按GB/T 9276-1996《涂层自然气候暴露试验方法》[4]执行。涂层试样在中心预制一个纵向20mm，横向10mm长“十字交叉”划痕，划痕穿透涂层体系至金属基体。准备完毕后，所有试样主受试面朝上，朝南45°安装于暴露试验架上。

试验件投试三个月以内，每1个月检测一次；投试三个月后至一年，每3个月检测一次。每类试样固定3件用于外观跟踪检测，试件正面检测并记录。检测项目主要有：

1. 外观检查按照GB/T1766-2008《涂层老化的评级方法》执行，对于变色、粉化、气泡等现象进行目视观察及测量，拍照并用文字描述。

2. 对金属裸材铆接件，暴露1年后每系列中抽取1件试样，根据标准GB/T 18590-2001《金属和合金的腐蚀 点蚀评定方法》，相关要求对金属件点蚀深度做腐蚀深度测量，并记录；抽取2件试样使用酸洗法，铝合金参照HB 5257-1983执行，钢参照GB 16545-1996执行做腐蚀失重测量，记录，并计算出腐蚀速率。

3. 对金属裸材铆接件，暴露1年后每个系列抽取1件用三维体视镜拍摄金属腐蚀微观形貌照片1次。

4. 对涂层件，暴露每6个月用三维体视镜拍摄划痕处腐蚀微观形貌照片1次。

5. 对涂层件，按照GB/T9754-1988《色漆和清漆不含金属颜料的色漆漆膜之20°、60°和85°镜面光泽的测定》执行，采用BYK-6834分光色彩精灵积分球（带光泽）对涂层试样进行60°漆膜镜面光泽检测，并按下式计算60°失光率，失光等级。

6. 对涂层件，按照GB/T11186-1989《漆膜颜色的测量方法》执行，采用BYK-6834分光色彩精灵积分球（带光泽）进行色差检测，记录△E值，变色评级。

试验结果

金属裸材铆接件

A1组试验件暴露1年后钢板表面出现严重的红色腐蚀，锈层致密、牢固、分布均匀。铝板表面出现斑点锈蚀，有明显的锈色。铆钉表面失光，但未发生明显腐蚀现象。观察整个试验过程，A1-A3组试件的腐蚀形貌基本一致。可见，在严酷的自然环境暴露下，搭接面内部电偶腐蚀的发生并不直接影响其搭接面外部表面腐蚀形貌的形成，阴阳搭接面比积与外观腐蚀形貌的形成并无直接关联 钛板的表面未出现明显的腐蚀现象，但略有生锈。铝板表面出现斑点锈蚀，有明显的锈色。铆钉表面失光，但没有发生明显的腐蚀。B组标本状态明显好于A组标本。

用三维立体镜对钢板和钛板进行了三维微观测量。A组试验件的平均点蚀深度为0.105mm，可证明基体结构已被腐蚀，呈现明显的黑色。B组试验件的平均点蚀深度为0.027mm，说明试样表面腐蚀较严重，但未触及基体部位，测试结果见表4。

表4 点蚀深度测量数据

A组	点蚀深度 （mm）	B组	点蚀深度 （mm）
A1	0.121	B1	0.021
A2	0.106	B2	0.022
A3	0.088	B3	0.037
平均值	0.105	平均值	0.027

重量损失量结果如图3所示；基于测试结果，A组试验件的腐蚀平均速率为36 g/ (m²•a)。然而，B组试验件几乎无重量损失。

图3 重量损失量对比图

涂层试验件

经过一年的暴晒试验，涂层试验件在“十”字划痕处金属基体未发生明显腐蚀，但其周围的涂料严重粉化，颜色完全改变。紧固件表面涂层均有钝化现象，但未严重粉化。紧固件本体未发生明显腐蚀。与常规间隔测量的结果进行比较，试样在腐蚀过程中呈现出几乎相同的腐蚀形态变化。

依据国标GB/T9754-1988[5]规定, 用光泽仪测量涂层表面的光泽度，测试结果如图4所示。通过标准中规定的等级评定，所有试件均达到5级(严重变色)。

图4 钝度随时间变化曲线

依据国标GB/T 11186.3-1989[6] , 分别对各组涂层试验件进行色差测试，色差值dE如图5所示.

图5 色差值随时间的变化曲线

结论

a ) 对于金属裸材试验件，阴极与阳极的面积比对腐蚀特性没有明显影响。

b ) 2024-T3+TC4 连接形式的抗腐蚀能力明显强于2024-T3+30CrMnSiA 连接形式。

c) 经过一段时间的暴露后，涂层很快就会失去光泽，并严重褪色。试验中使用的缓蚀剂能加速涂料的变色

d)试验结果表明该种缓蚀剂的使用能够提高涂层的耐腐蚀性能。

参考文献

[1] S. J. Findlay and N. D. Harrison, “Why aircrafts fail”, Materials Today, vol 5, no 11, pp18-25, 2002

[2] S. Benavides, Corrosion Control in the Aerospace Industry, CRC Press, USA, pp 1-66, 2009.

[3] AC_43-4B Corrosion control for aircraft [AC]

[4] GB/T 9276-1996 涂层自然气候曝露试验方法 [S]

[5] GB/T9754-1988 色漆和清漆不含金属颜料的色漆漆膜之20°、60°和85°镜面光泽的测定[S]

[6] GB/T 11186.3-1989 漆膜颜色的测量方法 第三部分色差计算[S]