飛機(jī)常用鍍鎘鋼在機(jī)場道面除冰液中的腐蝕行為

張亞博，彭華喬，蘇正良，王強(qiáng)，林修洲，張帆

（1.中國民航局第二研究所，成都610041；2.四川理工學(xué)院，自貢643000）

試驗(yàn)研究

飛機(jī)常用鍍鎘鋼在機(jī)場道面除冰液中的腐蝕行為

張亞博1，彭華喬1，蘇正良1，王強(qiáng)1，林修洲2，張帆1

（1.中國民航局第二研究所，成都610041；2.四川理工學(xué)院，自貢643000）

采用全浸泡腐蝕試驗(yàn)方法和電化學(xué)測試研究了飛機(jī)常用鍍鎘鋼在機(jī)場道面除冰液中的腐蝕行為。采用能譜和紅外光譜分析了腐蝕產(chǎn)物的構(gòu)成。結(jié)果表明：在機(jī)場道面除冰液中，隨著溫度的升高，鍍鎘鋼試件的腐蝕速率逐漸增大，鍍鎘鋼的腐蝕不是純擴(kuò)散控制的電化學(xué)反應(yīng)，陽極的電化學(xué)反應(yīng)與鍍鎘層的腐蝕溶解有關(guān)；經(jīng)過鉻酸鹽鈍化后的鍍鎘鋼和鍍鎘鈦鋼在機(jī)場道面除冰液中的腐蝕可能存在多個氧化還原反應(yīng)，鉻酸鹽鈍化產(chǎn)物也參與了電化學(xué)反應(yīng)，腐蝕反應(yīng)比較復(fù)雜；腐蝕產(chǎn)物中含有碳酸鹽和磷酸鹽；鍍鎘鋼表面上的碳酸鹽可能來自機(jī)場道面除冰液有機(jī)鹽的分解，磷酸鹽可能來自機(jī)場道面除冰液中的緩蝕劑或p H緩沖劑。

機(jī)場道面除冰液；鍍鎘鋼；腐蝕行為；腐蝕機(jī)理；全浸泡腐蝕測試；循環(huán)腐蝕測試

表面鍍鎘是我國航空工業(yè)用高強(qiáng)度鋼的主要防腐蝕手段［1］。飛機(jī)起落架及連接件等高強(qiáng)度鋼部件的表面一般都會進(jìn)行鍍鎘處理，以防止飛機(jī)用高強(qiáng)度鋼產(chǎn)生氫脆腐蝕。飛機(jī)的某些零部件，在噴涂防護(hù)涂料前或維修時，也需要按照要求進(jìn)行鍍鎘或者鍍鎘-鈦保護(hù)處理，以降低飛機(jī)零部件發(fā)生腐蝕的可能性［2-3］。

在寒冷的地區(qū)，國內(nèi)外各機(jī)場為了確保飛機(jī)冬季起降飛行安全，使用大量機(jī)場道面除冰液，防止機(jī)場道面結(jié)冰和積雪。但是，國內(nèi)外機(jī)場和管理部門發(fā)現(xiàn)，大量飛機(jī)鍍鎘鋼零部件表面的腐蝕與機(jī)場道面除冰液的使用有關(guān)，機(jī)場道面除冰液對飛機(jī)鍍鎘鋼零部件的腐蝕不容忽視［4-5］。目前國內(nèi)外機(jī)場道面除冰液的主要成分為堿金屬有機(jī)酸鹽，如乙酸鈉、乙酸鉀等，這些成分極易腐蝕飛機(jī)鍍鎘鋼零部件表面［6-7］。

盡管國內(nèi)外機(jī)場道面除冰液的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了一些相關(guān)的測試方法來評估除冰液對鍍鎘鋼的影響，但缺乏對飛機(jī)常用的鎘鍍層在機(jī)場道面除冰液中的腐蝕行為和腐蝕機(jī)理的詳細(xì)研究。本工作采用掃描電鏡和電化學(xué)技術(shù)對飛機(jī)常用鍍鎘鋼在機(jī)場道面除冰液中的腐蝕行為進(jìn)行研究，以期明確飛機(jī)常用鍍鎘鋼在機(jī)場道面除冰液中的腐蝕機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)采用美國Blair Strip Steel Company公司生產(chǎn)的SAE AMS 6350鋼［8］，其化學(xué)成分為：wC0.30％，wMn0.44％，wP0.01％，wS0.004％，wSi0.17％，wCu0.03％，wNi0.02％，wMo0.16％，wAl0.05％，余量為Fe。試樣尺寸為25.4 mm× 50.8 mm×1.2 mm。用300號砂紙打磨試樣表面，去除表面氧化皮后，按照如下方法對試樣表面進(jìn)行鍍鎘。

按照MIL-STD-870方法在試樣表面鍍一層厚度為12.7～20.3μm的低氫脆鎘，記作試樣A。按照SAE AMS-QQ-P-416中I型1類方法在試片表面鍍一層厚度為12.7～20.3μm的低氫脆鎘，記作試樣B。按照SAE AMS-QQ-P-416中I型1類方法在試片表面鍍一層厚度為12.7～20.3μm的低氫脆鎘，然后進(jìn)行鉻酸鹽鈍化處理，記作試樣C。按照BAC5804標(biāo)準(zhǔn)在試片表面鍍一層鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％～0.7％的鍍鎘-鈦層，然后進(jìn)行鉻酸鹽鈍化處理，記作試樣D。

1.2 試驗(yàn)方法

將A、B、C、D 4種試樣分別浸泡在330 mL SAE AMS 1435機(jī)場道面除冰液中，在溫度為35℃下，浸泡1，2，4，8，24，48，72，168 h后，用蒸餾水沖洗、2-戊酮清洗、110℃烘干并稱量，計(jì)算浸泡前后試樣的質(zhì)量變化，然后將試片切割成15 mm× 15 mm，在掃描電鏡下觀察腐蝕后試片表面的微觀形貌。

電化學(xué)試驗(yàn)在CHI660D電化學(xué)工作站上完成。采用三電極體系，鍍鎘鋼試樣為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑電極為輔助電極，測試4種試樣在機(jī)場道面除冰液中的Tafel極化曲線。極化曲線掃描速率為1 mV／s，掃描范圍Ecorr± 300 mV。采用Thermo Fisher Nicolet 6700紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜測試，分析試樣B經(jīng)浸泡試驗(yàn)后表面腐蝕產(chǎn)物的成分和組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕質(zhì)量變化和微觀形貌

由圖1可見，與未經(jīng)鉻酸鹽鈍化處理的鍍鎘鋼試樣（試樣A、B）相比，鍍鎘之后經(jīng)過鉻酸鹽鈍化的鍍鎘鋼（試樣C）試樣和鍍鎘鈦鋼（試樣D）試樣的質(zhì)量變化較小，這可能因?yàn)殄冩k鋼的鉻酸鹽鈍化層具有較好的耐蝕性并且鉻酸鹽的鈍化膜具有自修復(fù)作用，可有效防止鍍鎘鋼在機(jī)場道面除冰液中發(fā)生腐蝕。試樣A和試樣B在機(jī)場道面除冰液中的質(zhì)量變化非常相近，試樣C和試樣D的質(zhì)量變化比較接近。

由圖2可見，腐蝕前，試樣B和試樣A具有相似的微觀結(jié)構(gòu)，鍍鎘層表面為顆粒狀，存在氣孔和縫隙；經(jīng)過機(jī)場道面除冰液腐蝕后，鍍鎘層表面呈現(xiàn)蜂窩狀和纖維狀，鍍鎘層腐蝕溶解明顯，部分區(qū)域已經(jīng)露出高強(qiáng)度鋼基材。腐蝕前，試樣C和試樣D的表面為鱗片狀，但是鱗片上存在較多裂紋。經(jīng)過機(jī)場道面除冰液腐蝕后，試樣C和試樣D的表面均附著了腐蝕產(chǎn)物，鱗片狀的結(jié)構(gòu)被掩蓋，鍍層上的裂紋和縫隙被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，阻止了機(jī)場道面除冰液腐蝕鍍鎘層，使鈍化后的鍍鎘層和鍍鎘鈦層腐蝕速率迅速下降。

2.2 溫度對鍍鎘鋼腐蝕行為的影響

由圖3可見，同一溫度下，隨著浸泡時間的延長，試樣B和試樣C在機(jī)場道面除冰液中的質(zhì)量變化逐漸增大；隨著浸泡溫度的升高，2種試樣的腐蝕速率逐漸增大，溫度對鍍鎘鋼在機(jī)場道面除冰液中的腐蝕影響顯著。

2.3 電化學(xué)試驗(yàn)

由圖4可見，SAE AMS 6350裸鋼在SAE AMS 1435機(jī)場道面除冰液的自腐蝕電位為－370 mV；4種鍍鎘層的自腐蝕電位為－900～－1 000 m V，經(jīng)過鉻酸鹽鈍化后的鍍鎘鋼和鍍鎘鈦鋼的腐蝕電位略高于未鉻酸鹽鈍化鍍鎘鋼的。由此可見，鍍鎘鋼是以犧牲陽極的形式保護(hù)SAE AMS 6350鋼不被機(jī)場道面除冰液腐蝕的。由圖4還可見，四種鍍鎘鋼在機(jī)場道面除冰液中的腐蝕不是純擴(kuò)散控制的電化學(xué)反應(yīng)，陽極的氧化化學(xué)反應(yīng)與鍍鎘層的腐蝕有關(guān)。鉻酸鹽鈍化后的鍍鎘鋼和鍍鎘鈦鋼在機(jī)場道面除冰液中的極化曲線存在多個極化過程，可能存在多個氧化還原反應(yīng)，腐蝕反應(yīng)比較復(fù)雜，鈍化膜中的鉻酸鹽可能參與了電化學(xué)反應(yīng)過程，極化曲線的中多個極化過程與鉻酸鹽鈍化膜的氧化還原過程有關(guān)。

2.4 腐蝕產(chǎn)物的能譜和紅外光譜

由圖5可見，試樣B的腐蝕產(chǎn)物主要含有C、O、P和Cd 4種元素，從腐蝕產(chǎn)物的紅外光譜分析可看出，腐蝕產(chǎn)物在波數(shù)為1 425 cm－1存在強(qiáng)吸收峰，在1 075，858，722 cm－1存在弱吸收峰，此為碳酸鹽中CO32－的特征吸收峰；腐蝕產(chǎn)物中含有碳酸鹽，碳酸鹽可能來自機(jī)場道面除冰液有機(jī)鹽的分解。腐蝕產(chǎn)物在波數(shù)1 075 cm－1存在寬吸收峰，在541 cm－1存在弱吸收峰，此為磷酸鹽PO43－的特征吸收峰，因此腐蝕產(chǎn)物含有磷酸鹽，磷酸鹽可能來自除冰液中的緩蝕劑或p H緩沖劑。

2.5 腐蝕機(jī)理分析

符合SAE AMS-QQ-P-416和符合MILSTD870的鍍鎘鋼在機(jī)場道面除冰液中的腐蝕過程如下：

首先機(jī)場道面除冰液中的甲酸鹽和乙酸鹽氧化分解產(chǎn)生成CO2，在堿性條件下，CO2與機(jī)場道面除冰液中OH－形成碳酸根。

其次是鍍鎘層發(fā)生腐蝕溶解形成Cd2+，Cd2+與CO32－形成CdCO3，碳酸鎘的溶解性較差，CdCO3在鍍鎘鍍層表面附著形成薄膜。

機(jī)場道面除冰液中通常會添加含有磷酸鹽的p H緩沖劑，磷酸根和Cd2+形成磷酸鎘。

經(jīng)過鉻酸鹽鈍化后的鍍鎘層和鍍鎘鈦層，在腐蝕過程中，鉻酸鹽鈍化產(chǎn)物也會參與電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，電化學(xué)腐蝕過程比較復(fù)雜，電化學(xué)腐蝕過程涉及多個氧化還原反應(yīng)，可能會形成鉻酸鎘、重鉻酸鎘等腐蝕產(chǎn)物［9］。

3 結(jié)論

（1）鍍鎘層和鍍鎘鈦層經(jīng)過鉻酸鹽鈍化后，能有效防止鍍鎘鋼在機(jī)場道面除冰液中發(fā)生腐蝕。

（2）鍍鎘鋼在機(jī)場道面除冰液中的腐蝕不是純擴(kuò)散控制的電化學(xué)反應(yīng)，陽極的氧化化學(xué)反應(yīng)與鍍鎘層的腐蝕有關(guān)，而經(jīng)過鉻酸鹽鈍化后的鍍鎘層和鍍鎘鈦層在腐蝕過程中可能存在多個氧化還原反應(yīng)。

（3）SAE AMS-QQ-P-416鍍鎘鋼在機(jī)場道面除冰液中的腐蝕產(chǎn)物中含有碳酸鹽和磷酸鹽，碳酸鹽可能來自機(jī)場道面除冰液有機(jī)酸鹽的分解，磷酸鹽可能來自除冰液中的緩蝕劑或p H緩沖劑。

（4）經(jīng)過鉻酸鹽鈍化后的鍍鎘層和鍍鎘鈦層，在機(jī)場道面除冰液中的電化學(xué)腐蝕過程比較復(fù)雜，鉻酸鹽鈍化產(chǎn)物也會參與電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，電化學(xué)腐蝕過程涉及多個氧化還原反應(yīng)。

［1］ 林修洲，李月，梅擁軍，等.機(jī)場道面除冰液對飛機(jī)鍍鎘層腐蝕的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.四川理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，27（4）：1-4.

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

［3］ BAKER A，DUTTON S，KELLY D.Composite materials for aircraft structures［M］.2nd ed.Boston：Reston American Institute of Aeronautics and Astronautics，2004.

［4］ KORPINIEMI H.The effect of runway de-icing chemicals on the corrosion of cadmium coatings［J］.Exogenous Demctology，2002，24（1）：79-84.

［5］ SAI X.Impact of airport pavement deicing products on aircraft and airfield infrastructure［J］.Phs One，2008，9（3）：923-930.

［6］ HU Y H.Advances in CO2conversion and utilization［M］.Washington：American Chemical Society，2010.

［7］ WALRE R R.Principles and prevention of corrosion［J］.Materials＆Design，1993（3）：207.

［8］ Gigest A R.Alternative aircraft and pavement deicers and anti-icing formulations with improved environmental characteristics［J］.Acrp Research Results Digest，2010（9）：209-219.

［9］ HUTTUNEN-SAARIVIRTA E，KORPINIEMI H，KUOKKALA V T.Paajanen corrosion of cadmium plating by runway de-icing chemicals：study of surface phenomena and comparison of corrosion tests［J］.Surface＆Coatings Technology，2013（232）：101-115.

Corrosion Behaviors of Cadmium Plated Steel Used for Aircraft Caused by Runway De-icing Fluids

ZHANG Ya-bo1，PENG Hua-qiao1，SU Zheng-liang1，WANG Qiang1，LIN Xiu-zhou2，ZHANG Fan1
（1.The Second Research Insistute of CAAC，Chengdu 610041，China；2.Sichuan University of Science＆Engineering，Zigong 643000，China）

Total immersion corrosion test and electrochemical test were used to study the corrosion behavior of cadmium plated steel in runway de-icing fluids.EDX and FTIR were used to characterize the composition of corrosion products.Results showed that the corrosion rate increased with theincrease of temperature，the cadmium plated steel corrosion in runway de-icing fluid was not pure diffusion-controlled electrochemical reactions and the electrochemical reactions of anode were related to the cadmium plating layer corrosion dissolution process.After chromate treatment of cadmium plated steel and cadmium titanium plated steel，their corrosion in runway de-icing fluid may include multiple REDOX reactions，the corrosion reaction was complex because chromate treatment products were also involved in the electrochemical reaction.The corrosion products consisted of carbonate and phosphate.The carbonate formation was related to decomposing of organic acid salts in runway de-icing chemicals and phosphate was related to p H buffer agent or corrosion inhibitor in runway de-icing chemicals.

runway de-icing fluid；cadmium plated steel；corrosion behavior；corrosion mechanism；total immersion corrosion test；cyclic corrosion test

TG174

：A

：1005-748X（2016）11-0865-04

10.11973／fsyfh-201611001

2015-07-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（U1333103）；中國民航局安全能力建設(shè)資助項(xiàng)目（AADSA0023）

張亞博（1981－），工程師，碩士，主要從事航空材料、航空維護(hù)化學(xué)品的理化性能、飛機(jī)相容性測試、飛機(jī)涂料性能測試等相關(guān)工作，028-64456030，Zhangyabo＠fccc.org.cn