噴氣偏流板裝置腐蝕損傷特點(diǎn)及防護(hù)措施研究

楊茂勝，溫德宏，王海東，徐男，高飛

（1.海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041；2.海裝航技部，北京 100071；3.北航計(jì)量站，北京 100071）

噴氣偏流板裝置是保障艦載機(jī)在航母上安全連 續(xù)起飛所必備的一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)備，其作用是將艦載機(jī)準(zhǔn)備起飛時(shí)由噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)噴射出的高溫高速燃?xì)庀蛏虾拖蛲馄鳎员Ｗo(hù)艦載機(jī)后方飛行甲板上的人員、設(shè)備及其他飛機(jī)。

由于噴氣偏流板裝置安裝在飛行甲板上，長(zhǎng)期處于海洋大氣環(huán)境中，冷卻面板及噴涂在上面的防滑涂層、底板組件、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都很容易受到腐蝕損傷，使噴氣偏流板裝置的使用功能快速下降，嚴(yán)重影響了艦載機(jī)的起飛安全。為了有效提高噴氣偏流板裝置的完好性，保持艦載機(jī)起飛的安全性和可靠性，必須在深入分析噴氣偏流板裝置各組成結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷機(jī)理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地開展噴氣偏流板裝置腐蝕防護(hù)技術(shù)研究，為制定相應(yīng)的腐蝕防護(hù)措施提供良好的技術(shù)保障。

在裝備腐蝕損傷防護(hù)及控制研究方面，我國從20世紀(jì)80年代末才開始結(jié)合軍用飛機(jī)的腐蝕和壽命問題，開展探討研究我國飛機(jī)腐蝕問題的嚴(yán)重性和解決問題的途徑[1]。尤其“九五”以來，在航空重點(diǎn)預(yù)研課題和型號(hào)需求的推動(dòng)下，相關(guān)的科研單位和高校先后對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕設(shè)計(jì)技術(shù)、環(huán)境譜與載荷譜編制技術(shù)、加速試驗(yàn)技術(shù)和日歷壽命評(píng)定技術(shù)等方面開展了廣泛的研究，取得了一定進(jìn)展。如周希沅利用不同材料的使用環(huán)境當(dāng)量折算曲線和環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果反映日歷壽命[2]；穆志韜用腐蝕譜進(jìn)行構(gòu)件腐蝕試驗(yàn)來測(cè)定腐蝕速率，再根據(jù)腐蝕損傷容限來估算飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命的方案[3]；陳群志等研究了飛機(jī)結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度鋁合金材料腐蝕損傷分布規(guī)律[4—7]；劉祖銘等對(duì)暴露于腐蝕環(huán)境中的材料表面性能、表面蝕坑密度與尺寸、體積減少量等隨時(shí)間的統(tǒng)計(jì)及試驗(yàn)研究，采用了數(shù)理統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)工程、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法[8—9]；孫煥煥等探討了在自然環(huán)境條件下產(chǎn)生的剝蝕損傷對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)疲勞壽命、結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的影響[10—11]。

從上述研究可以看出，國內(nèi)外在航空航天、材料等方面對(duì)腐蝕的研究已比較深入，但具體針對(duì)噴氣偏流板裝置腐蝕防護(hù)的研究還少見有報(bào)道。

1 噴氣偏流板裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

美國MK7型噴氣偏流板裝置由噴氣偏流板組件、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、海水冷卻系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成，如圖1所示。本研究主要涉及到其中的噴氣偏流板組件和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分。

圖1 MK7型偏流板噴氣偏流板裝置結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structureof theMK7 Jetblastdeflector

1.1 噴氣偏流板組件

1.1.1 冷卻面板

冷卻面板是噴氣偏流板裝置的重要件，外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MK7型偏流板冷卻面板Fig.2 Flatsof theMK7 Jetblastdeflector

艦載機(jī)在起飛時(shí)，高溫高速尾噴氣流直接噴射到冷卻面板表面上，因此在冷卻面板內(nèi)部有多個(gè)并排的冷卻海水流道，通過流動(dòng)的海水將冷卻面板快速冷卻，使其表面溫度保持在允許的范圍之內(nèi)。

由于噴氣偏流板在水平位置作為甲板的一部分，冷卻面板的甲板表面一側(cè)需要具有與甲板相同的防滑性能。因此，在機(jī)械加工完成后對(duì)冷卻面板的表面（除安裝面外）噴涂防滑涂層，使其干態(tài)、濕態(tài)、油態(tài)的摩擦系數(shù)均滿足相關(guān)要求。

為了保障冷卻面板內(nèi)流道的清潔暢通，在加工及儲(chǔ)存過程中，冷卻面板的進(jìn)出口水管必須進(jìn)行密封，防止加工斷屑或其它雜質(zhì)進(jìn)入冷卻流道。

1.1.2 底板組件

噴氣偏流板底板為焊接式框架結(jié)構(gòu)，通過鋁合金板及鋁合金型材焊接而成。隨后加工出安裝位置的孔及槽等，用于安裝冷卻面板和冷卻水管。

偏流板組件有一塊安裝板，此板用于拆卸、安裝鉸接耳和日常檢修。在偏流板其它主要部件安裝完后，最后安裝此板。

1.2 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于升起或降下與其相連的兩塊噴氣偏流板組件并將噴氣偏流板組件最終固定于45°工作位置，圖3為一套運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)。

圖3 MK7型偏流板運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意Fig.3 Themotion actuatorsof theMK7 Jetblastdeflector

每套運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓缸、軸承座、心軸、曲柄等組成。液壓缸缸筒通過銷軸、耳座聯(lián)接到甲板安裝坑的底座上，活塞桿桿頭通過銷軸與曲柄相聯(lián)接。在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)有相對(duì)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的部件處，如偏流板組件鉸接處、心軸軸承座等都安裝了壓注油杯。在各油杯處需定期注入潤滑脂，以確保各運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作正常。

2 腐蝕的分類

按照腐蝕破壞的具體形式分為：均勻腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕、點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、磨蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞，以及兩種特殊的腐蝕形式——?dú)浯嗪玩k脆。

1）均勻腐蝕。均勻腐蝕的特點(diǎn)是，金屬在暴露的全部或大部分表面積上都發(fā)生腐蝕，且腐蝕程度在各處分布很均勻。譬如屋頂鐵皮外表面的銹蝕，又如浸在稀硫酸中的鋼或鋅表面上均勻的溶解。

2）電偶腐蝕。兩種或兩種以上具有不同電位的金屬接觸（形成電偶）并同處于一個(gè)電解質(zhì)溶液中，就會(huì)造成電位低的金屬發(fā)生腐蝕。這種腐蝕形式叫做電偶腐蝕，或雙金屬腐蝕。

3）縫隙腐蝕。結(jié)構(gòu)上的縫隙內(nèi)容易滯留液體，導(dǎo)致縫隙內(nèi)的金屬發(fā)生局部腐蝕。金屬表面之間、金屬和非金屬表面之間、金屬與附著的沉積物之間都可以形成縫隙。空氣中的氧向縫隙內(nèi)部擴(kuò)散困難，縫隙深處氧濃度低，而縫隙敞口處氧濃度高。內(nèi)外氧濃度差形成濃差電池，導(dǎo)致縫隙內(nèi)部氧濃度低的地方，金屬作為陽極被腐蝕。

4）點(diǎn)蝕（或孔蝕）。點(diǎn)蝕是在金屬上產(chǎn)生針狀、點(diǎn)狀、小孔狀的一種極為局部的腐蝕形態(tài)。雖然點(diǎn)蝕僅在金屬表面形成離散的、很小的點(diǎn)坑，材料損失很少甚至可以忽略，但點(diǎn)蝕卻是破壞性和隱患最大的腐蝕形態(tài)之一。因?yàn)檫@些小點(diǎn)坑并不引人注目，所以點(diǎn)蝕難以發(fā)現(xiàn)。但點(diǎn)蝕卻會(huì)悄悄地向材料深處發(fā)展，甚至使結(jié)構(gòu)穿孔。深入材料深處的點(diǎn)坑或穿孔形成了結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，引起應(yīng)力集中，在應(yīng)力的作用下，有可能發(fā)展成為應(yīng)力腐蝕斷裂或腐蝕疲勞，導(dǎo)致突然災(zāi)害。

5）晶間腐蝕。晶間腐蝕是沿材料的晶界發(fā)生的一種局部腐蝕。發(fā)生晶間腐蝕的原因是，晶界的成分或組織結(jié)構(gòu)不同，相對(duì)晶粒內(nèi)部電位低，在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生優(yōu)先溶解。剝蝕是一種特殊的晶間腐蝕。

6）磨蝕。磨蝕是磨損腐蝕的簡(jiǎn)稱。有兩種磨蝕：摩振磨蝕（又稱微動(dòng)腐蝕），是指相互結(jié)合的兩個(gè)零件在振動(dòng)、滑動(dòng)及環(huán)境介質(zhì)的共同作用下所產(chǎn)生的腐蝕；沖刷磨蝕，是指由于腐蝕性流體（液體、氣體）和金屬表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起涂層破壞和金屬的加速腐蝕。

7）應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞。這兩種腐蝕形式都屬于金屬在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的同時(shí)作用下導(dǎo)致腐蝕開裂以至破壞的現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力為平穩(wěn)拉應(yīng)力時(shí)，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂；當(dāng)應(yīng)力為交變應(yīng)力時(shí)，發(fā)生腐蝕疲勞。

8）氫脆和鎘脆。氫脆是金屬中由于氫的存在或氫與金屬交互作用，導(dǎo)致材料韌性降低，甚至發(fā)生開裂的破壞現(xiàn)象。造成氫脆的原因是，氫原子進(jìn)入金屬的晶格內(nèi)，造成晶格的歪扭，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使金屬的韌性下降，金屬材料就變脆了。酸洗除銹或者電鍍，都有可能使材料中滲進(jìn)原子態(tài)的氫。

鎘脆的機(jī)制與氫脆有相似之處。鎘的熔點(diǎn)較低，且鎘原子容易滲入高強(qiáng)度鋼、鈦合金的組織內(nèi)部，并在晶界處富集，導(dǎo)致晶界強(qiáng)度下降。在應(yīng)力，特別是高熱高應(yīng)力的共同作用下，晶間被鎘嚴(yán)重削弱的零件會(huì)發(fā)生突然的脆性破斷，即鎘脆。

3 噴氣偏流板裝置腐蝕損傷特點(diǎn)

3.1 冷卻面板腐蝕損傷特點(diǎn)

根據(jù)冷卻面板的組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，其主要的腐蝕損傷方式有以下幾種。

1）面板外部防滑涂層高溫腐蝕。冷卻面板上的防滑涂層在工作中要承受數(shù)百度甚至上千度的高溫，在高溫和海洋腐蝕環(huán)境下，其表面容易發(fā)生氧化和熱腐蝕。具體表現(xiàn)為以下幾種現(xiàn)象：

（1）涂層表面有銹斑出現(xiàn)，局部出現(xiàn)起皮，開裂現(xiàn)象；

（2）涂層出現(xiàn)連續(xù)的小局部突起和脫落，單個(gè)面積約3mm×3mm，連續(xù)二、三十個(gè)凸點(diǎn)，涂層輕微破損，貫穿整個(gè)板子表面；

（3）涂層表面顏色不一致，封閉層局部磨損狀態(tài)不同，整體發(fā)白。

2）冷卻面板與底板連接處的剝蝕。鋁合金型材在擠壓或模鍛加工時(shí)造成晶粒呈扁平細(xì)長(zhǎng)形排列，腐蝕沿平行于型材表面的晶間發(fā)展。腐蝕產(chǎn)物體積膨脹，形成晶界內(nèi)張力，使被破壞了結(jié)合力的晶界翹起。金屬表面呈現(xiàn)出層片狀的剝落和局部隆起外貌，出現(xiàn)剝蝕外貌。它是晶間腐蝕的一種特殊形式。剝蝕使材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，腐蝕損傷不僅表現(xiàn)在外表面還會(huì)深入基體材料內(nèi)部，大大降低材料的機(jī)械強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度，加速裂紋擴(kuò)展。

在面板與底板連接處外表面完好的情況下，連接處內(nèi)表面和螺釘附近通常發(fā)生剝蝕，使冷卻面板內(nèi)層逐漸鼓起，嚴(yán)重時(shí)鼓起的高度可達(dá)面板厚度的1/3，造成連接螺釘受到較大的剪應(yīng)力，從而導(dǎo)致連接不牢靠，冷卻面板從底板上脫落。

3）面板內(nèi)部海水流道處的點(diǎn)蝕。每塊冷卻面板內(nèi)部有九條海水流道，在噴氣偏流板裝置工作時(shí)，流道內(nèi)有海水流過，通過熱交換的形式將發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高溫?zé)崮芸焖傧Ｓ捎诤Ｋ疄殡娊赓|(zhì)溶液，其中有鹵素離子存在，如氯化物、溴化物和次氯酸鹽等。冷卻面板材料為鋁合金，因此容易發(fā)生點(diǎn)蝕。

3.2 底板組件腐蝕損傷特點(diǎn)

底板組件除了與冷卻面板連接處容易發(fā)生剝蝕外，在其余地方比較容易發(fā)生局部腐蝕。局部腐蝕部位（蝕孔）常被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，孔徑小，不易發(fā)現(xiàn)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在循環(huán)載荷和腐蝕環(huán)境作用下，蝕孔往往成為腐蝕疲勞的裂紋源，導(dǎo)致裂紋提前形成，大大減少了結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

3.3 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)腐蝕損傷特點(diǎn)

運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為噴氣偏流板裝置的主要承力件，其結(jié)構(gòu)完好性對(duì)整個(gè)裝置的使用起著關(guān)鍵作用。由于運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)各地運(yùn)動(dòng)副之間是以螺接方法連接，這樣在金屬與金屬之間存在縫隙，并使縫隙內(nèi)的腐蝕介質(zhì)處于滯流狀態(tài)，從而加劇了縫隙內(nèi)金屬的腐蝕，這種現(xiàn)象叫做縫隙腐蝕。處于腐蝕環(huán)境下的金屬結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)件之間存在縫隙，腐蝕介質(zhì)就會(huì)進(jìn)入并留在縫隙內(nèi)，從而加速縫隙內(nèi)部的腐蝕。

4 噴氣偏流板裝置腐蝕防護(hù)辦法

結(jié)合上面對(duì)噴氣偏流板裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和腐蝕損傷特點(diǎn)分析，參考海軍飛機(jī)腐蝕防護(hù)的一些具體做法，建議在生產(chǎn)加工和使用維護(hù)中注意以下幾個(gè)方面。

4.1 生產(chǎn)加工中防護(hù)措施

1）噴氣偏流板組件。對(duì)于噴氣偏流板組件中的冷卻面板和地板可以采用以下兩種表面處理方法：

（1）鉻酸陽極化，經(jīng)過鉻酸陽極化處理，可以得到良好的表面防腐性能和噴漆表面，在陽極化過程中，部件作為陽極，整個(gè)金屬的表面轉(zhuǎn)化為一種氧化層，形成一種疏松的結(jié)構(gòu)，然后按要求浸入熱水、熱的重鉻酸鹽溶液或熱的稀鉻酸鹽溶液中，這將能確保部件的防腐性能。

（2）鉻酸鹽轉(zhuǎn)化涂層，鋁合金的鉻酸鹽轉(zhuǎn)化漆層可以抑制和防止腐蝕，并作為噴漆底面，它可以在海上或潮濕環(huán)境中，提供良好的防護(hù)。

2）運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為結(jié)構(gòu)鋼，其化學(xué)處理包括鈍化和電解拋光。鈍化液可以溶解表面金屬雜質(zhì)，如鐵、鋅、鉛等，使表面清潔，提高防腐性能。電解拋光是一個(gè)選擇性去除金屬陽極化的過程，從而清潔表面，防止腐蝕。

4.2 使用中的防護(hù)措施

1）注意保護(hù)。冷卻面板涂層在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用過程中嚴(yán)禁腐蝕性溶劑等物質(zhì)與涂層接觸，防止涂層封閉層受損，同時(shí)要有專用箱、吊具、工裝保護(hù)，嚴(yán)格避免磕碰、撞擊。

2）及時(shí)修補(bǔ)（涂層）。熱流的沖刷會(huì)對(duì)冷卻面板涂層封閉層造成消耗，多次密集使用后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行封閉層的現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)涂。如涂層與基體均發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，且腐蝕面較大，應(yīng)將原有的涂層去除，重新進(jìn)行涂層體系的噴涂。

3）及時(shí)放水。噴氣偏流板裝置在每天使用后，應(yīng)及時(shí)放掉冷卻系統(tǒng)里的海水，防止海水在管路中長(zhǎng)期停留，增加海水對(duì)管道和冷卻面板內(nèi)部的腐蝕。

4）定時(shí)沖洗。航母長(zhǎng)期停留在海洋環(huán)境中，海水和空氣中鹽分大，對(duì)金屬材料的自然腐蝕非常嚴(yán)重。因此，在噴氣偏流板裝置的維護(hù)保養(yǎng)中，應(yīng)定時(shí)用淡水對(duì)冷卻面板表面進(jìn)行沖洗，去除殘留在上面的腐蝕性介質(zhì)。

5）經(jīng)常補(bǔ)漆。對(duì)于運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中容易磨損的關(guān)節(jié)部位，一旦有漆層脫落，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，防止腐蝕性介質(zhì)深入金屬材料內(nèi)部，對(duì)結(jié)構(gòu)造成更大面積的腐蝕損傷。

5 結(jié)論

通過分析噴氣偏流板裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了其腐蝕損傷特點(diǎn)及腐蝕防護(hù)辦法，經(jīng)分析得到如下結(jié)論。

1）腐蝕損傷特點(diǎn)是：冷卻面板主要存在三種腐蝕方式，即冷卻面板與底板連接處的剝蝕、面板內(nèi)部海水流道的點(diǎn)蝕和防滑涂層的高溫腐蝕；底板組件除了與冷卻面板連接處容易發(fā)生剝蝕外，在其余地方比較容易發(fā)生局部腐蝕；運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為噴氣偏流板裝置的主要承力件，在各連接處容易發(fā)生縫隙腐蝕。

2）腐蝕防護(hù)辦法有：在生產(chǎn)加工中通過防護(hù)性有機(jī)涂層的使用和表面處理技術(shù)（鉻酸陽極化、鈍化和電解拋光）的方法來提高噴氣偏流板裝置各結(jié)構(gòu)件的抗腐蝕能力；在使用維護(hù)中主要通過加強(qiáng)保護(hù)、及時(shí)修補(bǔ)（涂層）、及時(shí)放水、定時(shí)沖洗和經(jīng)常補(bǔ)漆來預(yù)防和減緩噴氣偏流板裝置的腐蝕損傷。

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