機場道面除冰液對飛機鍍鎘層腐蝕的研究現(xiàn)狀與進展

林修洲，李月，梅擁軍，楊麗，韋勇強，崔學(xué)軍

（1.材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川自貢643000；2.中國民航局第二研究所，成都610041）

機場道面除冰液對飛機鍍鎘層腐蝕的研究現(xiàn)狀與進展

林修洲1，李月1，梅擁軍2，楊麗1，韋勇強2，崔學(xué)軍1

（1.材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川自貢643000；2.中國民航局第二研究所，成都610041）

在冬季冰雪氣象條件下，機場道面的積雪及結(jié)冰嚴重威脅著飛機的正常滑行和起降。化學(xué)除冰劑的使用能有效防止道面冰雪的形成，從而保證飛行安全。但化學(xué)除冰液的使用，難免會造成飛機零部件的腐蝕，尤其是飛機鍍鎘層零部件的腐蝕，這對飛機的運行帶來嚴重的安全隱患。文章概述了機場道面除冰液的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了機場道面除冰液對飛機鍍鎘層零部件的腐蝕行為的研究現(xiàn)狀與最新進展，討論了多種先進的大氣腐蝕研究方法和技術(shù)，探討了這些先進技術(shù)用于機場道面除冰液對飛機鍍鎘層零部件的腐蝕機理研究的可能性。

飛機；鍍鎘層；除冰液；腐蝕

在冬季冰雪天氣時，因為積雪、結(jié)冰，機場的跑道、滑行道和停機坪的摩擦系數(shù)會顯著降低，這嚴重威脅著飛機的飛行安全，而且道面路標、起降標記等還有可能被積雪遮擋，影響飛機正常滑行、起降。即使道面只是有少量冰雪，也會導(dǎo)致摩擦系數(shù)大幅下降，對飛機的起降構(gòu)成嚴重威脅。因此，機場道面除冰防冰是航空行業(yè)保持冬季運行安全必不可少的重要工作之一。如今，確保飛機冬季飛行安全行之有效的方法是根據(jù)民用機場飛行區(qū)場地維護手冊使用化學(xué)除冰劑防止道面冰和雪的形成。然而，在飛機冬季運行過程中，航空公司已發(fā)現(xiàn)大量飛機零部件表面鍍鎘層的腐蝕與接觸跑道除冰液有關(guān)，盡管現(xiàn)有的機場道面除冰液標準中有相關(guān)測試方法評估除冰液對鍍鎘層的影響，但由于沒有掌握道面除冰液對鍍鎘層的腐蝕機理，實驗室測試方法還不能很好評估實際情況下跑道除冰液對飛機金屬材料的腐蝕。

1 除冰液應(yīng)用研究現(xiàn)狀及其腐蝕性

化學(xué)除冰劑應(yīng)無腐蝕、無毒性、不易燃并符合環(huán)保規(guī)定，也不應(yīng)對道面材料有害，或者對道面表面的摩擦性能有不利的影響。機場道面除冰劑有兩種類型，即固體除冰劑和液體除冰劑。

固體除冰劑主要是CaCl2、NaCl2以及尿素等。鹵鹽類除冰劑價格便宜、除冰效果較好，但對飛機結(jié)構(gòu)材料和機場道面都有嚴重腐蝕，不滿足適航要求，已禁止在機場道面使用［1］；尿素的腐蝕性小但存在環(huán)保問題［2］；固體除冰劑用于防冰時噴灑于道面極易被大風吹走，起不到防冰作用。

早期的液體除冰劑以乙二醇／丙二醇為主，這類除冰劑的水溶液凝固點很低，使用方便，但它使道面變得濕滑，降低道面摩擦系數(shù)，影響飛機起降安全。八十年代后期，堿金屬和堿土金屬有機酸鹽，如CH3COOK、CH3COONa、CHOOK等的水溶液開始作為除冰液使用，這類除冰劑具有凝固點低，對機體材料和道面腐蝕性小，易降解，對環(huán)境污染小的優(yōu)點［3］。因此到了90年代中后期逐漸替代乙二醇和鹵素，成為目前機場道面除冰液最好的除冰成分。

飛機起落架、連接件等部位和部件表面一般都做了鍍鎘處理，以保護鍍鎘層下面的鋼材。但在噴灑道面除冰液的時候，常常會將除冰液噴灑到這些鍍鎘部件上。近年來航空公司發(fā)現(xiàn)大量飛機零部件表面鍍鎘層的腐蝕與接觸跑道除冰液有關(guān)。

2 除冰液腐蝕性的傳統(tǒng)研究方法

作為重要的航空化學(xué)產(chǎn)品，取得民航局頒發(fā)的民用航空產(chǎn)品設(shè)計／生產(chǎn)批準函后道面除冰液才可以投入市場生產(chǎn)使用。這要求生產(chǎn)廠家擁有優(yōu)質(zhì)的質(zhì)量控制體系，產(chǎn)品符合相應(yīng)的技術(shù)要求［4］。目前，道面除冰液的技術(shù)要求主要是美國機動車工程師學(xué)會（SAE）發(fā)布的SAE AMS 1435《跑道、滑行道通用型除冰防冰液標準》［5］，該標準規(guī)定道面除冰液需做20余項試驗；滿足AMS 1435［6］和GB／T25356－2010［7］《機場道面除冰防冰液》或AMS 1431［8］和MH／T 6069－2010［9］《機場道面固體除冰防冰劑》規(guī)定的適航要求，并按照ASTM F1111［10］和MHT 6088－2012［11］《飛機維護用化學(xué)品對低氫脆鍍鎘鋼板腐蝕的試驗方法》標準進行低脆鎘腐蝕試驗。另外，波音公司還要求按照SAE AIR 6130《鎘板循環(huán)腐蝕試驗標準》進行腐蝕性試驗［12］。

2.1 低脆鎘腐蝕試驗

ASTM F1111《飛機維護用化學(xué)品對低氫脆鍍鎘鋼板腐蝕的試驗方法》［13］是關(guān)于低脆鎘腐蝕試驗的標準方法，規(guī)定在35±1℃的溫度下，將鍍鎘試件浸入道面除冰液中24 h，試驗結(jié)束后計算試件的平均質(zhì)量損失，并觀察試件外觀是否有變色、斑點等現(xiàn)象。

但是一些機場道面除冰劑即使通過ASTM F1111測試，在實際使用過程中，同樣導(dǎo)致了飛機起落架、連接件等鍍鎘零部件的腐蝕［14］。對此，美國聯(lián)邦航空局（FAA）于2005年10月19日發(fā)布了一項適航指令，即AD 2005－18－23，要求對接觸過道面除冰液的飛機，詳細檢查主起落架輪艙內(nèi)的電氣元件，以防止這些元件被腐蝕，從而排除由于腐蝕引發(fā)短路等造成飛機飛行和起降的危險［15］。究其原因，主要還是因為ASTM F1111規(guī)定的試驗方法是一種典型的全浸腐蝕試驗，存在一定的局限性，不能反映可能被腐蝕的飛機零部件在使用過程中的真實情況。

2.2 鎘板循環(huán)腐蝕試驗

波音公司材料與工藝技術(shù)中心（M＆PT）提出并不斷改進一種循環(huán)腐蝕試驗以模擬道面除冰液對飛機鍍鎘零部件的腐蝕，于2011年通過SAE AIR 6130《鎘板循環(huán)腐蝕試驗標準》［12］，2012年開始要求除冰液在原有試驗項目的基礎(chǔ)上，增加按照SAE AIR 6130進行鎘板循環(huán)腐蝕試驗，并要求鍍鎘試件的質(zhì)量變化不應(yīng)超過0.3 mg／cm2。

SAE AIR 6130規(guī)定，在14天的腐蝕試驗周期內(nèi)，通過干燥器、溫濕度箱、玻璃瓶的等裝置使鍍鎘板試樣循環(huán)處于浸泡／干燥的環(huán)境條件下，稱量試驗前后試樣的重量變化來評價除冰液對鍍鎘板的腐蝕性［12，16］。

3 機場道面除冰液對飛機鍍鎘層的腐蝕行為

飛機上的鍍鎘零部件在起降時會接觸道面除冰液，起飛后又會慢慢風干，而且這種現(xiàn)象反復(fù)發(fā)生，造成鍍鎘零部件在道面除冰液中干濕交替的周期性腐蝕；同時，在此過程中還會形成薄液膜（甚至是動態(tài)薄液膜），發(fā)生動態(tài)薄液膜腐蝕。由此可見，機場道面除冰液對飛機鍍鎘零部件的腐蝕是發(fā)生在干濕交替變化條件下，鍍鎘層在除冰液溶液中的電化學(xué)腐蝕、動態(tài)薄液膜腐蝕以及有殘留除冰劑成分的大氣腐蝕等多種條件反復(fù)耦合作用下的復(fù)雜腐蝕過程。

4 機場道面除冰液對飛機鍍鎘層腐蝕機理的研究方法及研究現(xiàn)狀

機場道面除冰液對飛機鍍鎘層的腐蝕首先是一種特殊的大氣腐蝕。目前研究者們作了大量工作，比如許多用于研究大氣腐蝕的加速模擬試驗方法，并且研制出多因素加速腐蝕試驗機使加速試驗更接近真實自然環(huán)境。測試金屬在薄液膜下腐蝕機理的電化學(xué)技術(shù)（如大氣腐蝕監(jiān)測儀和Kelvin探頭參比電極）以及大氣腐蝕原位動態(tài)監(jiān)測方法的快速發(fā)展為深入研究大氣腐蝕機理奠定了基礎(chǔ)［17］。但這些方法大多還未用來研究機場道面除冰液對飛機鍍鎘層腐蝕機理。

4.1 大氣環(huán)境暴露實驗

大氣環(huán)境暴露試驗為合理選材、有效設(shè)計以及制定產(chǎn)品防護標準提供依據(jù)，因為它反映真實環(huán)境可以根據(jù)得到的可靠數(shù)據(jù)來總結(jié)金屬的腐蝕規(guī)律和特征，其結(jié)果是多種因素共同作用的反映，還可以據(jù)此估算金屬的使用壽命。大氣環(huán)境暴露試驗分為戶外暴露試驗和室內(nèi)暴露試驗。

4.2 室內(nèi)加速腐蝕實驗

室內(nèi)加速腐蝕試驗包括鹽霧試驗、膏泥腐蝕試驗（Corrodkote試驗）、電解腐蝕試驗（EC法）、SO2氣體腐蝕試驗和干／濕交替復(fù)合循環(huán)試驗等。鹽霧試驗?zāi)M海洋大氣對不同金屬（無論有無涂層）的腐蝕被認為是最有用的實驗室加速腐蝕試驗方法；膏泥腐蝕試驗主要適用于鉻、鎳－鉻以及銅－鎳－鉻鍍層的加速腐蝕試驗；SO2氣體腐蝕試驗是主要用于工業(yè)性氣體腐蝕的試驗；大氣腐蝕是一種干／濕交替循環(huán)的過程，所以干／濕交替復(fù)合循環(huán)試驗也是室內(nèi)加速腐蝕試驗常用的方法之一［18］。

4.3 大氣腐蝕電化學(xué)研究方法

金屬的大氣腐蝕是特殊條件下的電化學(xué)腐蝕，是在薄層電解質(zhì)液膜下金屬表面發(fā)生的電化學(xué)腐蝕過程。因此其過程既遵循電化學(xué)腐蝕的一般規(guī)律，又具有大氣腐蝕的特點，可采用一些特殊的電化學(xué)方法進行研究。4.3.1大氣腐蝕監(jiān)測電池（ACM）

大氣腐蝕監(jiān)測電池根據(jù)薄液膜電化學(xué)電池的電流訊號反映大氣環(huán)境腐蝕性的強弱，可以對戶外大氣腐蝕進行長期的電化學(xué)監(jiān)測，也可以對室內(nèi)加速大氣腐蝕進行實時監(jiān)測［17］。

4.3.2電化學(xué)曲線分析方法

極化曲線法是最常用的研究金屬腐蝕速率的電化學(xué)方法，但是由于腐蝕環(huán)境以及腐蝕發(fā)展的復(fù)雜性，很難根據(jù)最基本的求解方法對極化曲線進行分析［19］。在現(xiàn)有的電化學(xué)實驗研究中，電化學(xué)工作站能很容易地得到腐蝕體系的極化曲線，使用專門的軟件對不同區(qū)域的極化曲線采用不同的方法進行分析。

4.3.3電化學(xué)阻抗譜分析方法

交流阻抗技術(shù)（AC Impedance）又稱為電化學(xué)阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy，簡稱EIS），是一種以小振幅的正弦電位（或電流）為擾動信號的電化學(xué)測量方法［20］。EIS技術(shù)是通過給體系（介質(zhì)／涂膜／金屬）以小振幅的擾動信號，觀察體系在穩(wěn)態(tài)時對擾動的跟隨情況，測試響應(yīng)電流，通過計算機處理數(shù)據(jù)得到體系的導(dǎo)納譜或頻率相依阻抗變化圖譜，分析圖譜信息，并利用等效電路模型分析計算電極的電化學(xué)參數(shù)，從而獲得系統(tǒng)內(nèi)部的電化學(xué)信息［21］。目前交流阻抗在腐蝕科學(xué)中的應(yīng)用主要是研究金屬的腐蝕行為和腐蝕機理，研究和評定緩蝕劑，研究涂層防護機理以及研究金屬的陽極鈍化與孔蝕行為等方面［20］。

4.3.4電化學(xué)噪聲

電化學(xué)噪聲（Electrochemical noise，簡稱EN）是指電化學(xué)動力系統(tǒng)演化過程中，其電學(xué)狀態(tài)參量（如：電極電位、外測電流密度等）的隨機非平衡波動現(xiàn)象［22－23］。電化學(xué)噪聲技術(shù)是一種原位無損無干擾的檢測方法，它能夠在線監(jiān)檢測材料的均勻腐蝕和局部腐蝕，在大氣腐蝕、薄液膜腐蝕、局部腐蝕研究中具有極大的優(yōu)勢［24］。

4.3.5薄層液膜下腐蝕電化學(xué)研究方法

金屬在薄層液膜下的腐蝕電化學(xué)研究早已受到國內(nèi)外的重視。常用的研究手段包括：雙電極或三電極ACM測量技術(shù)、微參比電極前置法或后置法測量技術(shù)、Kelvin探頭測量技術(shù)等［25］。

由于傳質(zhì)過程的差異，薄液膜條件下的電化學(xué)行為（特別是陰極還原行為）與本體溶液中存在明顯的區(qū)別［26］。曹楚南院士、張鑒清教授團隊以及Stratmann、Micka、Szunerits等人搭建了薄液膜大氣腐蝕試驗裝置［25］。利用這些裝置，張鑒清教授團隊［27］、郭興鵬教授團隊［28］等對鋁合金、鎂合金、純銅和青銅合金等在薄液膜下的腐蝕電化學(xué)行為進行了系統(tǒng)研究。王佳教授團隊［29］在研究干濕交替循環(huán)大氣環(huán)境中電位分布變化時，發(fā)現(xiàn)腐蝕原電池電動勢隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而線性增加的現(xiàn)象，證實了薄液膜厚度變化會加速腐蝕電化學(xué)過程。

5 結(jié)束語

機場道面除冰液容易對飛機零部件，特別是起落架、連接件等鍍鎘部件造成腐蝕，產(chǎn)生安全隱患，現(xiàn)有傳統(tǒng)檢查程序和測試標準不能準確及時地排除隱患。采用先進的腐蝕研究方法，系統(tǒng)研究機場道面除冰液對飛機鍍鎘層的腐蝕機理，對于建立與實際情況更加吻合的跑道除冰液對飛機鍍鎘層腐蝕的標準測試評估方法具有重要的理論指導(dǎo)價值；對于豐富和發(fā)展腐蝕電化學(xué)理論（尤其是電化學(xué)噪聲技術(shù)和薄液膜腐蝕電化學(xué)）具有重要的理論意義；對于研發(fā)具有更好綜合性能的新型機場道面除冰劑和更好地控制跑道除冰液對飛機鍍鎘層腐蝕，更好地保障飛行安全，具有重要的理論指導(dǎo)價值和現(xiàn)實意義。

［1］夏祖西,彭華喬,蘇正良,等.機場除冰液對環(huán)境的影響［J］.中國民用航空,2008,93（9）：51-52.

［2］EPA 821-R-09-004,Technical development document for proposed effluent limitation guidelines and standards for the airport deicing category［S］.

［3］Harrigan E T.A lternative aircraft and pavement deicers and anti-icing formulations w ith improved environmental characteristics［R］.Research Results Digest9,2010.

［4］Peng Huaqiao,Xia Zuxi,Su Zhengliang.Airworthiness certification of civil aero-chemicals in China［J］.Procedia Engineering,2011,17（5）：633-637.

［5］SAE AMS 1435 C,Fluid,generic,deicing/anti-icing runways and taxiways［S］.

［6］SAE AMS 1435Compound,fluid,generic,deicing/anti-icing runways and taxiways［S］.

［7］GBT 25356-2010,機場道面除冰防冰液［S］.

［8］SAE AMS 1431,compound,solid runway and taxiway deicing/anti-icing［S］.

［9］MH/T 6069-2010,機場道面固體除冰防冰劑［S］.

［10］ASTM F 1111-2008b,Standard testmethod for corrosion of low-embrittling cadmium plate by aircraftmaintenance chemicals［S］.

［11］MHT 6088-2012,飛機維護用化學(xué)品對低氫脆鍍鎘鋼板腐蝕的試驗方法［S］.

［12］SAE AIR 6130,Cadmium plate cyclic corrosion test［S］.

［13］ASTM F1111-2008b,Standard testmethod for corrosion of low-embrittling cadmium plate by aircraftmaintenance chemicals［S］.

［14］SAE G12,LIS,Cd corrosion&carbon brake oxidation WGs RDF problems observed at airlines［S］.

［15］AD 2005-18-23,Boeing model 737-600,-700,-700C, -800,and-900 series airplanes［S］.

［16］彭華喬,夏祖西.機場道面除冰液鎘板循環(huán)腐蝕試驗研究［J］.航空維修與工程,2012（6）：89-90.

［17］林翠,王風平,李曉剛.大氣腐蝕研究方法進展［J］.中國腐蝕與防護學(xué)報,2004,24（4）：249-255.

［18］王風平,張學(xué)元,杜元龍,大氣腐蝕研究動態(tài)與進展［J］.腐蝕科學(xué)與防護技術(shù),2000,12（2）：104-108.

［19］孫明.電化學(xué)實驗中金屬材料腐蝕速率的確定方法研究［J］.化學(xué)工程與裝備,2012,10（4）：1-4.

［20］余強,司云森,曾初升.交流阻抗技術(shù)及其在腐蝕科學(xué)中的應(yīng)用［J］.化學(xué)工程師,2005,9（3）：35-37.

［21］曹楚南,張鑒清.電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論［M］.北京：科學(xué)出版社,2002.

［22］Bertocci U,Huet F.Noise analysis applied to electrochemical systems［J］.Corrosion,1995,51（2）：131-144.

［23］張鑒清,張昭,王建明,等.電化學(xué)噪聲的分析與應(yīng)用-Ⅰ：電化學(xué)噪聲的分析原理［J］.中國腐蝕與防護學(xué)報,2001,21（5）：310-320.

［24］張鑒清,張昭,王建明,等.電化學(xué)噪聲的分析與應(yīng)用-Ⅱ：電化學(xué)噪聲的應(yīng)用［J］.中國腐蝕與防護學(xué)報,2002,22（4）：241-248.

［25］中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會,中國腐蝕與防護學(xué)會.材料腐蝕學(xué)科發(fā)展報告［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2012.

［26］Reminta E,Sutter E,Tribollet B,et al.A thin layer cell adapted for corrosion studies in confined aqueous environments［J］.Electrochimica Acta,2007,52：715-723.

［27］Liao Xiaoning,Cao Fahe,Zheng Liyun,et al.Corrosion behaviour of copper under chloride-containing thin electrolyte layer［J］.Corrosion Science,2011,53（10）：3289-3298.

［28］Huang Hualiang,Guo Xingpeng,Zhang Guoan,et al.The effects of temperature and electric field on atmospheric corrosion behaviour of PCB-Cu under absorbed thin electrolyte layer［J］.Corrosion Science,2011,53（5）：1700-1707.

［29］Jiang Jing,Wang Jia,Wang Weiwei,etal.Modeling influence of gas/liquid/solid three-phase boundary zone on cathodic process of soil corrosion［J］.Electrochimica Acta,2009,54（13）：3623-3629.

Research Progress of Corrosion of Cadm ium Plated Layer on Aircraft Caused by Airfield Pavement Deicing Fluid

LIN Xiuzhou1，LIYue1，MEIYongjun2，YANG Li1，WEIYongqiang2，CUIXuejun1
（1.Material Corrosion and Protection Key Laboratory of Sichuan Province，Zigong 643000，China；2.The Second Research Institue of CAAC，Chengdu 610041，China）

The snows and freezing on airport pavement are a severe threat to the normal taxiing and taking off of planes in the ice and snow meteorological condition in winter.The usage of chemical deicing agents can effectively prevent the formation of ice and snow which will guarantee the air safety.However，the use of deicing fluidswill cause the corrosion of aircraft parts，especially the erosion of some parts that have been treated by cadmium plating，which will bring serious potential safety hazard to operation of aircrafts.The study and application status on deicing fluids and the corrosion behavior of parts caused by fluids had been summarized in this paper，multiple advanced research methods and techniques applied to study atmospheric corrosion had been analyzed，and the possibilities of whether those methods and techniques could be used to explore the corrosion of cadmium-plated parts caused by fluids or not had been discussed.

aircraft；cadmium plating layer；deicing fluid；corrosion

TB304

A

1673-1549（2014）04-0001-04

10.11863／j.suse.2014.04.01

2014-04-21

國家自然科學(xué)基金項目（U1333103）；材料腐蝕與防護四川省重點實驗室開放基金重點項目（2011CL01）；四川理工學(xué)院培育項目（2011PY03）；四川理工學(xué)院人才引進項目（2012RC06）

林修洲（1974-），男，四川成都人，教授，博士，主要從事材料失效與保護、材料表面工程方面的研究，（E-mail）linxiuzhou＠163.com