飛機材料一旦出現(xiàn)腐蝕問題，不僅會對飛機本身性能的發(fā)揮造成阻礙，嚴(yán)重時甚至?xí)θ嗣竦纳约柏敭a(chǎn)安全造成巨大的損失。腐蝕問題是材料與環(huán)境發(fā)生作用的表面現(xiàn)象，電化學(xué)腐蝕發(fā)生在固體材料與電解質(zhì)溶液中的固液界面，化學(xué)腐蝕發(fā)生在固體材料與周圍氣體環(huán)境的固氣界面。因此系統(tǒng)全面地分析一個腐蝕問題，一方面要具體分析材料的本身特性，即內(nèi)在各個因素；另一方面要全面分析周圍的環(huán)境，以及環(huán)境中的介質(zhì)及其存在的狀態(tài)，即腐蝕的外在因素。

 

 

鋁合金的耐蝕性能

 

純鋁的化學(xué)性質(zhì)雖然很活潑，但由于它在空氣中易與氧結(jié)合，在表面形成一層致密、穩(wěn)定的氧化鋁薄膜（鈍化膜），可保護內(nèi)層金屬不再繼續(xù)氧化，因此純鋁在大氣中具有很好的耐蝕性能。但退火態(tài)純鋁的抗拉強度相當(dāng)?shù)停挥?5 MPa，因此其使用范圍僅局限于飛機結(jié)構(gòu)中受力不大的非結(jié)構(gòu)件。飛機結(jié)構(gòu)上使用的鋁合金大致可以分為兩種，即可熱處理強化的鋁合金和不可熱處理強化的鋁合金。

 

1不可熱處理強化的鋁合金

 

（1）Al-Mn系合金（3000系列）

 

常用合金為3A21鋁合金，合金中錳為主要合金元素，它具有較高的強度、良好的塑性和工藝性能。3A21合金在室溫下的組織為a固溶體和在晶界上形成的(α+Al6Mn)共晶體。由于α固溶體與Al, Mn相的電極電位幾乎相等，因此合金的耐蝕性較好。該類合金的缺點是在冷變形硬化狀態(tài)下不能用在溫度高于100℃的場合，原因是在該條件下，其對應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)的敏感性較高。

 

（2）Al-Mg系合金（5000系列）

 

由于主要合金元素鎂的密度比鋁還小，加上其良好的焊接性能和抗震性能，所以這類合金在航空工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，常用的有5A02、5A03、5A06等鋁合金。該類合金的強度一般高于3A21鋁錳合金的強度。在實際使用中，該材料呈單相固溶體組織，因此具有良好的耐蝕性能。其在大氣、海水中的耐蝕性能優(yōu)于3A21合金，與純鋁相當(dāng)；在酸性和堿性介質(zhì)中，其耐蝕性稍遜于3A21合金。

 

該系合金的含鎂量愈高，強度也愈高。但其含鎂量不宜過高，應(yīng)控制在8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以內(nèi)。原因是當(dāng)含鎂量高于8%以后，如果對其進行退火處理，會在晶界上連續(xù)析出Mg5Al8相，導(dǎo)致其耐蝕（晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕）性能下降。

 

2可熱處理強化的鋁合金

 

這類鋁合金可以通過熱處理來產(chǎn)生沉淀強化的效果，其強度較高，又稱為硬鋁合金，是航空上最為重要的結(jié)構(gòu)件材料之一。

 

總體上看，鋁合金的強度隨溫度升高而降低，當(dāng)飛機速度較高時，氣動加熱會影響鋁合金強度。鋁合金化后，其耐腐蝕性能減弱，常見的腐蝕形態(tài)有點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、剝蝕和應(yīng)力腐蝕等。

 

點蝕是鋁合金最常見的腐蝕形態(tài)之一，硬鋁合金等耐點蝕能力較差。鋁合金易產(chǎn)生縫隙腐蝕，因為縫隙內(nèi)易積存水分和污物，使涂層和包鋁層發(fā)生水化作用，降低其保護作用。

 

Al-Cu、Al-Cu-Mg、Al-Zn-Mg等合金產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向較大。晶間腐蝕與 熱 處理工藝有關(guān)，采用自然時效腐蝕傾向較低，人工時效腐蝕傾向則較高，而過時效腐蝕傾向又降低。Al-Cu-Mg系硬鋁合金中的T6熱處理狀態(tài)比T3熱處理狀態(tài)具有更大的晶間腐蝕敏感性，因此除在高溫下工作的構(gòu)件以外，這類合金一般均采用自然時效處理。

 

在飛機結(jié)構(gòu)中，Al-Cu-Mg合金產(chǎn)生剝蝕的情況最多，Al-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg合金也有發(fā)生，但在形變Al-Si系中未見發(fā)生。

 

Al-Cu、Al-Cu-Mg硬鋁合金，特別是Al-Zn-Mg、Al-Zn-Mg-Cu等超硬鋁合金容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

 

（1）Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mn系合金（2000系列）

 

Al-Cu-Mg系合金是可熱處理強化鋁合金中最重要的合金系列之一，飛機結(jié)構(gòu)中使用最為廣泛的該類合金為2024鋁合金，這類合金的主要強化相為S相(CuMgAl2)，其次為θ相(CuAl2)，通常在T3狀態(tài)下使用，具有斷裂韌性高、抗疲勞裂紋擴展能力強的特點。不過此狀態(tài)下的抗蝕（晶間腐蝕）性能不夠好，薄板一般包鋁后使用，也可配合陽極化處理、阿洛丁化學(xué)處理進一步提高其耐蝕性能。2000系列中目前最新、性能最好的合金是2524鋁合金，其韌性和抗疲勞性能均較2024鋁合金有重大改進，已成功應(yīng)用于B777客機。

 

（2）Al-Zn-Mg-Cu系合金（7000系列）

 

Al-Zn-Mg-Cu系合金中最重要的是7075鋁合金，在T6狀態(tài)下其強度最高，但斷裂韌性最低，耐蝕性能（尤其是抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能）較差。為了增強其耐蝕性能，需對其進行過時效處理，常見的有T73處理，即首先對鋁合金進行固溶處理，然后進行雙級時效處理（在較低溫度下加熱保溫一段時間后，再在較高溫度下加熱和保溫一段時間）。經(jīng)此處理以后，雖然材料的抗拉強度下降大約15%，但是材料的耐應(yīng)力腐蝕性能和晶間腐蝕抗力卻大大提高。7055是目前該系合金中合金化程度最高、強度也最高的鋁合金，近期研究成功的T77處理工藝，使該合金在高強度下仍能保持較高的斷裂韌性和良好的抗應(yīng)力腐蝕性能，該種合金已成功應(yīng)用于B777客機的主體結(jié)構(gòu)。需要說明的是，在進行雙級時效處理之前，首先應(yīng)對固溶處理（淬火）的工藝進行嚴(yán)格控制，否則將嚴(yán)重影響材料的抗晶間腐蝕性能。

 

現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)極大地依賴于鋁合金，它們還用于飛機骨架、蒙皮及受力件。在現(xiàn)代亞聲速民用客機上，鋁合金材料仍然是飛機構(gòu)件的支柱材料，并且在不斷推出更新的航空鋁鋰合金等。因此，鋁合金在航空領(lǐng)域的重要作用仍會持續(xù)很多年。

 

空客公司在A380客機大部分結(jié)構(gòu)零件采用了新型且先進的金屬材料，鋁合金占的比例最大（占機體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的61%），尤其是在A380機翼部位（機翼的80％以上是鋁合金材料）。為了實現(xiàn)性能改進，以提高強度和損傷容限，增強穩(wěn)定性并提高抗腐蝕能力，開發(fā)出了創(chuàng)新性的鋁合金材料和工藝技術(shù)。A380-800飛機在鋁合金結(jié)構(gòu)上取得的主要成就包括：

 

①在機身壁板上引用了很寬的鈑金材料，減少了連接件，從而減輕了質(zhì)量；

 

②在主地板橫梁上采用了先進的鋁鋰合金擠壓件，其在這一部位的應(yīng)用可與碳纖維增強塑料相媲美。

 

2014年投入使用的A350客機也采用了最新的鋁鋰合金，不僅由于材料密度降低而減輕了機體質(zhì)量，同時還可以采用與現(xiàn)有的鋁合金零件相同的技術(shù)和方法對新材料的零部件進行修理。

 

鈦合金的耐蝕性能

 

鈦不但資源豐富，而且具有密度小、比強度高、耐熱性高及優(yōu)異的耐蝕性，此外，鈦還具有很高的塑性和優(yōu)良的冷熱加工性能，從而使其在現(xiàn)代工業(yè)中占有極其重要的地位，在航空、化工、導(dǎo)彈、航天及艦船等方面，鈦及其合金得到廣泛的應(yīng)用。

 

鈦合金在飛機結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用廣泛（見表1）,鈦合金在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用主要基于以下一個或幾個理由：

 

(1)優(yōu)秀的抗腐蝕性，在腐蝕過程中不會產(chǎn)生點蝕。

 

(2)高的比強度。

 

(3)高的使用溫度。

 

(4)減輕質(zhì)量，密度大約比鋼小40%。

 

(5)減輕空間約束問題。

 

(6)和其他材料的兼容性。

 

表1 各種鈦合金在飛機上的應(yīng)用

 

 

1純鈦

 

鈦有較高的強度（退火后，工業(yè)純鈦的抗拉強度σb=550~700MPa），約為鋁的6倍，鈦同時兼有鋼（強度高）和鋁（質(zhì)輕）的優(yōu)點，因此鈦的比強度在結(jié)構(gòu)材料中是很高的。鈦的線膨脹系數(shù)較小，在高溫條件下或熱加工過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力小；導(dǎo)熱性差，只有鐵的1/5；摩擦因數(shù)大(μ=0.42)，因此切削、磨削加工困難；鈦的彈性模量較低，屈服強度高，因此鈦及其合金冷變形加工時的回彈性大，不易成形和校直；純凈的鈦有良好的可塑性，它的韌性超過純鐵的2倍。

 

工業(yè)純鈦按其雜質(zhì)含量不同，可分為TA1,TA2,TA3三個牌號。牌號順序數(shù)字增大，雜質(zhì)含量增加，鈦的強度增加，塑性下降。

 

2鈦合金

 

為了提高強度，可在鈦中加入合金元素。合金元素融入α-Ti中形成α固溶體，融入β-Ti中形成β固溶體。鋁、碳、氮、氧和硼等元素使α與β同素異晶轉(zhuǎn)變溫度升高，稱為α穩(wěn)定化元素；而鐵、鉬、鎂、鉻、錳和釩等元素使同素異晶轉(zhuǎn)變溫度降低，稱為β穩(wěn)定化元素；錫和鋯等元素對轉(zhuǎn)變溫度影響不明顯，稱為中性元素。

 

根據(jù)使用狀態(tài)的組織，鈦合金可分為α鈦合金、β鈦合金和(α+β)鈦合金三類。(α+β)鈦合金兼有α和β鈦合金兩者的優(yōu)點，耐熱性和塑性都較好，并且可進行熱處理強化，這類合金的生產(chǎn)工藝也比較簡單。因此，(α+β)鈦合金的應(yīng)用比較廣泛，其中以TC4(Ti-6Al-4V)應(yīng)用最為廣泛。

 

鈦合金氧化膜的穩(wěn)定性遠高于鋁和不銹鋼氧化膜的穩(wěn)定性。保護膜因機械操作遭到破壞時，能很快恢復(fù)。所以，鈦及鈦合金在很多高活性介質(zhì)中都具有較高的耐腐蝕能力。

 

合金鋼的耐蝕性能分析

 

一般來說，約有12%~16%的飛機基本結(jié)構(gòu)是用合金鋼（包括不銹鋼）制作的。其最大的優(yōu)點是具有高強度（見表2）和高彈性模量，其應(yīng)用見表3。

 

表2 飛機常用合金鋼的強度范圍

 

合金鋼	強度范圍/KSI
	125~145	145~160	160~180	180~200	＞220	275~300
4340	√	√	√	√
4330M		√	√	√	√
9-Ni-4Co-0.3C					√
4340M						√

 

強度低于200KSI認(rèn)為是低強度，強度高于200KSI認(rèn)為是高強度

 

表3 飛機常用的合金鋼

 

 

高強度優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼在潮濕工業(yè)大氣、海洋大氣等環(huán)境中，抗腐蝕性能比碳鋼有所提高。但是，在沒有保護措施的情況下，它們?nèi)跃哂刑间摰母鞣N腐蝕傾向。

 

一般把在空氣和中性介質(zhì)中能夠耐腐蝕的鋼稱為不銹鋼，而把能在各種侵蝕性較強的介質(zhì)中工作的耐蝕鋼稱為耐酸鋼。通常把不銹鋼和耐酸鋼統(tǒng)稱為不銹耐酸鋼，簡稱為不銹鋼。

 

不銹鋼的“不銹”只是相對的，在一定的條件下不銹鋼也會腐蝕，因此沒有絕對“不銹”的不銹鋼。按照內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的不同，可以把不銹鋼分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼四種。

 

1馬氏體不銹鋼

 

馬氏體不銹鋼是一類含碳量較高的鉻不銹鋼，其含碳量在0.1%~0.9%范圍，含鉻量在12%~18%范圍。這類鋼的特點是含碳量比其他種類不銹鋼要高，除添加合金元素鉻外，有時還添加少量的鉬或鎳，如1Cr17Ni2，9Cr18MoV等。馬氏體不銹鋼比鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的耐蝕性都差，而且含碳量越高，其耐蝕性越差。

 

馬氏體不銹鋼在大氣、海水和氧化性介質(zhì)中耐蝕性較好，但在如硫酸、鹽酸等非氧化性酸中不耐蝕。

 

馬氏體不銹鋼抗局部腐蝕能力較低，如對點蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕較敏感，對氫脆敏感性大，因此在有可能產(chǎn)生局部腐蝕的環(huán)境中，應(yīng)盡量避免使用。

 

2鐵素體不銹鋼

 

鐵素體不銹鋼是以鉻為主要合金元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%~18％范圍），具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)的鐵基合金，如Cr13型，Cr17型和Cr25~28型等類型，常加入Ni、Mo、Cu、Ti、Nb等合金元素來提高其耐蝕性。

 

鐵素體不銹鋼最突出的特點是在含有Cl-離子的水溶液中具有優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕能力，這比鎳鉻奧氏體不銹鋼要好得多。普通鐵素體不銹鋼抗點蝕、縫隙腐蝕的能力較差，可通過提高鉻含量來改善其性能，比如當(dāng)Cr含量達25%或以上時，其抗點蝕、縫隙腐蝕的性能會得到改善。另外，也可通過在普通鐵素體不銹鋼中加入合金元素Mo來提高其抗點蝕、縫隙腐蝕的性能。

 

3奧氏體不銹鋼

 

奧氏體不銹鋼的含鉻量一般在18%以上，含鎳量一般在8%以上，且室溫具有單相奧氏體組織。奧氏體不銹鋼不僅具有優(yōu)良的耐蝕性能，而且也具有良好的綜合力學(xué)性能、工藝性能和焊接性能，是不銹鋼中最重要、用途最廣泛的一類不銹鋼。18-8類型不銹鋼（即含鉻17％~19%，含鎳7%~9%）為常見的奧氏體不銹鋼。

 

點蝕和縫隙腐蝕是奧氏體不銹鋼在氯化物環(huán)境中常見的局部腐蝕形態(tài)，可通過添加合金元素Cr，Mo來提高其耐蝕性能。隨著含Cr量的不斷提高，材料表面鈍化膜的穩(wěn)定性也不斷增強。Mo的作用有多種解釋，通常認(rèn)為加入Mo后便于形成可溶性鉬酸鹽，吸附在金屬表面的活性位置上，從而抑制了金屬的溶解。奧氏體不銹鋼對應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)非常敏感，可通過添加合金元素Ni來降低其敏感性。

 

4奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼

 

奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的室溫組織中同時含有奧氏體相與鐵素體相。它既有奧氏體不銹鋼所具備的優(yōu)良的韌性與焊接性能，同時也具有鐵素體不銹鋼的高強度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的性能。與純奧氏體不銹鋼相比，奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的晶間腐蝕敏感性也較小，即具有很好的抗晶間腐蝕性能。在較低的應(yīng)力水平下，奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼顯示出比奧氏體不銹鋼更為優(yōu)異的耐SCC性能，但是隨著應(yīng)力的不斷提高，其耐SCC性能逐漸下降，甚至都不如奧氏體不銹鋼。奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼具有較高的抗點蝕性能。

 

總的來說，不銹鋼耐蝕性能較高。但是不銹鋼在含有氯化物的介質(zhì)中，由于氯離子的作用，可在不銹鋼鈍化膜的薄弱區(qū)、有缺陷的部位以及有硫化物夾雜或晶界碳化物的地方產(chǎn)生點蝕。在不銹鋼構(gòu)件與其他構(gòu)件相連的微小縫隙處，易產(chǎn)生縫隙腐蝕。

 

復(fù)合材料的耐蝕性能

 

復(fù)合材料腐蝕主要包括樹脂基體腐蝕、增強材料腐蝕、界面腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。非金屬材料，如塑料、橡膠等，不能導(dǎo)電，一般來說耐蝕性能都高于金屬材料，所以非金屬也被廣泛地用作保護層，以提高金屬材料的耐蝕性。在飛機材料方面，隨著民用飛機的安全性、經(jīng)濟性、舒適性和環(huán)保性不斷提高，復(fù)合材料被大量、廣泛使用。如波音B737、空客A320等機型已經(jīng)使用了以環(huán)氧樹脂為基體，碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維為增強材料的復(fù)合材料。

 

飛機復(fù)合材料采用的主要纖維品種有碳纖維、硼纖維等，主要基體材料是環(huán)氧樹脂。飛機中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的形式大致有以下幾種：附加于金屬結(jié)構(gòu)上的增強鋪層，纏繞管件組成的框架，復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，加強或不加強的蒙皮結(jié)構(gòu)，纏繞旋轉(zhuǎn)殼體或壓力容器。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)須滿足飛行溫度、濕度、紫外線等介質(zhì)的大氣腐蝕環(huán)境的要求。

 

對于復(fù)合材料的構(gòu)件及機翼前緣、雷達罩等易受雨蝕的部位，飛機在雨中飛行時其迎面受到雨滴的直接撞擊，使復(fù)合材料構(gòu)件表面脫黏、破裂且受雨水浸蝕，形成蝕坑甚至使復(fù)合材料產(chǎn)生剝離。對于這些部位應(yīng)采用有效的防雨蝕涂料進行表面防護。

 

對有導(dǎo)電要求（如防雷擊）的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)采用搭接線，不可通過復(fù)合材料與金屬材料（如鋁合金）的直接接觸或通過緊固件傳導(dǎo)電流。

 

飛機復(fù)合材料的防護要求如下：

 

(1)材料應(yīng)滿足飛機結(jié)構(gòu)溫度，濕度，紫外線和大氣等腐蝕環(huán)境要求；

 

(2)應(yīng)優(yōu)先選與之電位相當(dāng)?shù)拟伜辖鸬龋?/span>

 

(3)匹配時，應(yīng)在結(jié)合界面設(shè)置不吸濕、不腐蝕和不導(dǎo)電的隔離層；

 

(4)在易受雨蝕的部位，應(yīng)采用有效的防雨蝕涂料進行表面防護。