某型機襟翼艙下壁板蒙皮腐蝕原因分析與修理措施研究

陳勇，陸斌榮，黎澤金

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某型機襟翼艙下壁板蒙皮腐蝕原因分析與修理措施研究

陳勇，陸斌榮，黎澤金

（成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，成都 610092）

研究某型機襟翼艙下壁板蒙皮產(chǎn)生腐蝕損傷的原因，分析腐蝕危害性，制定腐蝕修補方案，提出后續(xù)腐蝕防護與控制的建議措施。首先現(xiàn)場仔細(xì)檢查結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況，然后分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計與選材、服役環(huán)境分析、腐蝕產(chǎn)物分析3個方面研究結(jié)構(gòu)腐蝕產(chǎn)生的成因，并且針對性地制定腐蝕部位的補強修理方案。在襟翼艙局部高溫濕熱環(huán)境下形成的內(nèi)部冷凝水，夾雜大氣環(huán)境中的Cl－污染侵襲，導(dǎo)致壁板蒙皮材料LY12鋁合金產(chǎn)生了晶間剝落腐蝕。老齡飛機機體結(jié)構(gòu)腐蝕成因復(fù)雜多樣，準(zhǔn)確界定腐蝕原因是制定腐蝕防護與控制措施的關(guān)鍵。

襟翼艙結(jié)構(gòu)；腐蝕；服役環(huán)境；補強修理

飛機結(jié)構(gòu)腐蝕，尤其是老齡飛機的結(jié)構(gòu)腐蝕已成為影響和制約飛機安全飛行、使用維護與經(jīng)濟修理的共性問題，是導(dǎo)致飛機緊急停飛、提前大修乃至報廢使用的重要原因[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，結(jié)構(gòu)腐蝕已成為機體結(jié)構(gòu)損傷失效的主要故障形式。在飛機維修過程中，約有80%的結(jié)構(gòu)修理工作是專門針對機體結(jié)構(gòu)腐蝕進行的，而且用于腐蝕檢查和修理的費用也已占到了飛機總維護與修理費用的1/4[3-4]。同時，結(jié)構(gòu)腐蝕研究表明，腐蝕破壞了結(jié)構(gòu)的整體性[5]，導(dǎo)致飛機結(jié)構(gòu)靜強度和疲勞壽命的大幅降低，縮短了飛機服役周期，影響部隊正常的戰(zhàn)備訓(xùn)練與戰(zhàn)力保持[6]。因此，做好飛機結(jié)構(gòu)的防腐控制和腐蝕修理工作，對于降低飛機服役期內(nèi)的維護費用以及支援國防建設(shè)具有重要意義。

某型飛機交付部隊后服役時間已長達(dá)20多年，機群老齡化暴露出的結(jié)構(gòu)腐蝕問題已普遍存在。文中對該型飛機襟翼艙下壁板蒙皮產(chǎn)生腐蝕的成因作了系統(tǒng)的深入分析，根據(jù)不同的腐蝕程度制定補強修理方案，并提出后續(xù)的防護措施與建議，為今后類似的老齡飛機機體結(jié)構(gòu)腐蝕修理與防腐控制提供了一定的參考借鑒價值。

1 腐蝕情況簡介

據(jù)外場反映，其在使用維護過程中發(fā)現(xiàn)多架次某型飛機機翼后緣襟翼艙底部存在蒙皮腐蝕問題?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)腐蝕點主要集中在襟翼艙2肋至4肋間的機翼下壁板蒙皮上，對應(yīng)位置的上部分布有電纜液壓導(dǎo)管和安裝口蓋。腐蝕部位的蒙皮內(nèi)表面出現(xiàn)鼓包、剝離、金屬纖維分層脫落等現(xiàn)象，腐蝕產(chǎn)物呈灰白色條狀粉末塊，如圖1所示。

圖1 襟翼艙下壁板蒙皮腐蝕剝落、粉化

2 腐蝕成因分析

飛機在服役使用過程中，由于受到各種環(huán)境狀況和外力載荷的作用，其結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生各種形式的損傷與破壞，其中最為常見的飛機結(jié)構(gòu)損傷包括靜強度破壞、疲勞斷裂以及結(jié)構(gòu)腐蝕等[7-9]。金屬結(jié)構(gòu)特別是鋁合金結(jié)構(gòu)在鹽霧、水汽、霉菌以及工業(yè)廢氣等不利的大氣環(huán)境侵襲下，極易發(fā)生結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷[10-12]。研究表明，金屬結(jié)構(gòu)件的腐蝕大多數(shù)屬于電化學(xué)腐蝕[8]。電化學(xué)腐蝕指的是構(gòu)件在不利的使用環(huán)境下，結(jié)構(gòu)發(fā)生了隨時間延伸而逐步累積的化學(xué)或電化學(xué)損傷[13]。對于用作蒙皮壁板的鋁合金結(jié)構(gòu)，其腐蝕特征一般表現(xiàn)為點蝕和漆層脫落[14]。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕時，若不及時清除處理，在飛行載荷與腐蝕環(huán)境的耦合作用下，結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷會迅速擴展，給飛行帶來嚴(yán)重的安全隱患。

針對襟翼艙下壁板蒙皮結(jié)構(gòu)的腐蝕成因，文中從結(jié)構(gòu)設(shè)計與選材、服役環(huán)境分析、腐蝕產(chǎn)物分析等方面展開了深入分析。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與選材

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，襟翼艙發(fā)生腐蝕損傷的部位主要集中在2肋至4肋下壁板內(nèi)表面，見圖 1。進一步觀察，發(fā)現(xiàn)這個區(qū)域內(nèi)部設(shè)計有較多的液壓導(dǎo)管（見圖 2），液壓導(dǎo)管集中工作時會造成該局部區(qū)域溫度較高。當(dāng)存在內(nèi)外溫差時，很容易凝集水汽，從而導(dǎo)致襟翼艙內(nèi)底部聚積冷凝水。另外在查詢飛機相關(guān)工藝文件時，發(fā)現(xiàn)襟翼艙在制造以及大修時，上、下壁板表面均進行了鉻酸陽極化氧化處理，但內(nèi)表面并未噴涂任何防腐底漆。如果該表面積水，則有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)腐蝕問題。

另一方面，該機屬于二代機，在設(shè)計結(jié)構(gòu)選材時大量采用鋁合金。LY12鋁合金由于具有較高的強度和塑性、良好的工藝性、較好的疲勞性能和較低的裂紋擴展速率，在飛機結(jié)構(gòu)上得到了大量應(yīng)用，襟翼艙蒙皮壁板即為其中之一。LY12鋁合金也有明顯的缺陷性，其耐腐蝕性能較差，且具有剝落腐蝕傾向，對Cl－有較強的吸附作用，遇水分解極易產(chǎn)生剝落腐蝕。在襟翼艙內(nèi)部極易聚集冷凝水的情況下，此處成為了結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕損傷的薄弱部位。

圖2 襟翼艙2肋—4肋口蓋

2.2 服役環(huán)境分析

飛機服役環(huán)境，特別是機場附近的氣候條件，對飛機機體結(jié)構(gòu)的腐蝕具有重要的影響[15]。根據(jù)調(diào)查，該部隊駐地屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均濕度為80%，夏季平均氣溫在20 ℃以上，年平均霧天（酸霧）長達(dá)104 d，而且飛機長期露天停放，極易在機體內(nèi)高溫小環(huán)境下凝集水汽形成冷凝水，從而造成艙內(nèi)底部積水。同時，該地也是我國酸雨發(fā)生、污染最嚴(yán)重的地區(qū)之一。酸雨中存在氯離子污染，表 1的能譜分析結(jié)果也證實了腐蝕產(chǎn)物中存在Cl－。這進一步加劇了襟翼艙內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)腐蝕的傾向。

表1 腐蝕產(chǎn)物中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.3 腐蝕產(chǎn)物分析

從腐蝕故障飛機的襟翼艙壁板上提取了一段試樣，觀察腐蝕產(chǎn)物為灰色，并均勻分布有白色物質(zhì)，將其放在掃描電鏡下觀察，腐蝕形貌為泥紋狀花樣，如圖3所示。對腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，其成分主要為氧化物和氯化物，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

沿試樣截面制備金相試樣，在拋光狀態(tài)下可見試樣表面的陽極化層和腐蝕形貌，腐蝕部位呈現(xiàn)為層狀剝落，如圖4所示。用混合酸腐蝕，試樣腐蝕后的金相組織（如圖5所示）正常，無過燒現(xiàn)象，其腐蝕形貌為沿拉長晶粒邊界的擇優(yōu)腐蝕，具有明顯的方向性，屬于典型的剝落腐蝕形貌。

由上述理化分析可知，腐蝕試樣金相組織正常，無過燒現(xiàn)象。由于LY12鋁合金材料本身具有比較明顯的剝落腐蝕傾向，加之該合金具有層狀晶粒結(jié)構(gòu)，且晶界取向與表面趨向平行，在Cl－腐蝕介質(zhì)下，滿足剝落腐蝕條件。至此可以確認(rèn)，襟翼艙壁板蒙皮是在內(nèi)部高溫濕熱小環(huán)境，耦合外部大氣Cl－共同作用下產(chǎn)生的剝落腐蝕，屬于一種特殊的晶間腐蝕形態(tài)。

圖3 腐蝕產(chǎn)物微觀形貌

圖4 拋光下腐蝕形貌（50×）

a 50倍

b 100倍

圖5 腐蝕后金相組織

3 補強修理

飛機機體結(jié)構(gòu)材料受到腐蝕侵蝕后，影響了飛機結(jié)構(gòu)的完整性，其危害主要表現(xiàn)如下：可能削弱結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力增加；可能影響傳力路線，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位轉(zhuǎn)移。針對不同的腐蝕損傷程度，采取結(jié)構(gòu)修理、結(jié)構(gòu)換新或者結(jié)構(gòu)報廢的不同處理方案。查閱襟翼艙下壁板在設(shè)計載荷工況下的應(yīng)力分布情況，結(jié)果表明，該部位的整體應(yīng)力普遍較低，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)材料破壞水平。相較于整個機翼襟翼艙，發(fā)生腐蝕的部位只是很小的局部區(qū)域，不會對機翼結(jié)構(gòu)原有的傳力路線造成明顯影響，同時剩余結(jié)構(gòu)也能承載此處原來的載荷，不會發(fā)生結(jié)構(gòu)的強度安全問題。因此，針對襟翼艙壁板蒙皮的腐蝕損傷故障，可以采取適當(dāng)?shù)男蘩泶胧┙鉀Q。在研究具體的修理措施時，提出根據(jù)不同區(qū)域的腐蝕深度，制定不同的補強修理方案。

1）對于腐蝕深度不超過材料厚度15%（0.3 mm）的區(qū)域，徹底打磨除盡腐蝕后，用阿洛丁溶液氧化，先涂SF-9防腐底漆，再涂H06-2鋅黃底漆。

2）對于腐蝕程度大于0.3 mm、小于1 mm的區(qū)域，徹底打磨除盡腐蝕后，用阿洛丁溶液氧化，先涂SF-9防腐底漆，再涂H06-2鋅黃底漆，最后外表面貼補加強。加強材料為LY12CZ-δ（具體厚度選擇根據(jù)該處腐蝕情況及銑切壁板厚度），加強板制45°倒角。

3）對于嚴(yán)重腐蝕穿孔的區(qū)域，先徹底切除腐蝕部位，如圖6所示，然后外表面貼補加強，覆蓋在下壁板內(nèi)表面3肋集中腐蝕的區(qū)域。加強材料為LY12CZδ2.5，采用進口4 mm的鋼抽釘CR3522-5-04或5 mm的鋁抽釘進行鉚裝。

圖6 腐蝕切除

4）對1—6肋襟翼艙下壁板內(nèi)表面進行清潔，先涂SF-9防腐底漆，再涂H06-2鋅黃底漆。

5）對1—6肋襟翼艙內(nèi)的螺釘進行除銹蝕處理，然后涂H06-2鋅黃底漆。

6）對3肋口蓋區(qū)域的導(dǎo)管接頭進行除銹處理，然后涂油保護。

襟翼艙下壁板蒙皮腐蝕部位的補強修理結(jié)果如圖7所示。

圖7 加強修補

4 建議與措施

為了避免飛機在后續(xù)使用過程中的重新腐蝕，建議考慮采取以下預(yù)防措施。

1）建議部隊每100飛行小時進行一次襟翼艙1—6肋下壁板內(nèi)表面的檢查，如發(fā)現(xiàn)腐蝕，則按大修廠的修理方案進行修理并涂漆、涂油保護。

2）建議在飛機大修時，注意檢查飛機內(nèi)外表面的腐蝕情況，出現(xiàn)腐蝕應(yīng)及時修理。對飛機外表面及飛機內(nèi)表面的可達(dá)部位進行清洗干燥，補涂防腐蝕底漆TB06-9，尤其注意襟翼艙1—6肋下壁板內(nèi)表面的檢查和涂漆保護，并在2—4肋口蓋區(qū)域下壁板上的6個窗形槽內(nèi)，按圖8所示距窗形槽邊緣約15 mm處各鉆一個4 mm的漏水孔，以防此處積聚冷凝水。

3）建議加強對服役于其他部隊的飛機，尤其是對服役于地處濕熱、海洋性氣候環(huán)境下飛機的腐蝕狀況普查以及日常監(jiān)控。

圖8 漏水孔位置

5 結(jié)語

飛機結(jié)構(gòu)腐蝕問題給飛行帶來了極大的安全隱患，如何準(zhǔn)確地界定造成結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的原因成為制定防腐預(yù)防措施的關(guān)鍵。針對某型機面臨機群大量老齡化、結(jié)構(gòu)腐蝕普遍化的現(xiàn)狀，文中提出的結(jié)構(gòu)腐蝕成因分析方法與防腐修理手段，對類似的老齡飛機結(jié)構(gòu)腐蝕故障處理具有一定的參考價值，也對老齡飛機后續(xù)的結(jié)構(gòu)延壽工作具有重要借鑒意義。

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Corrosion Causes Analysis and Repair Measurement Research of a Certain Aircraft Flap Cabin Lower Wainscot Skin

CHEN Yong, LU Bin-rong, LI Ze-jin

(Technology Center of Chengdu Aircraft Industrial (Group) Co., Ltd, Chengdu 610092, China)

To research causes for corrosion damage of lower wainscot skin of a certain aircraft flap cabin, analyze corrosion hazards, set down repair scheme, and put forward advices and measures of future corrosion protection and control.Firstly, the structure's corrosion state at the scene was checked carefully; then the structure corrosion causes were studied from several aspects such as structure design and material selection, service environment analysis, corrosion product analysis. Targeted reinforcement repair scheme for corrosion position was made.Interior condensate water generated in the flap cabin local at the high temperature wet-hot environment, with the invading of Cl ion pollution floating in the air, resulted in crystal flake corrosion of wainscot skin material LY12 aluminum alloy. Conclusioncauses of aged aircraft structure are complex and diversified. Accurate definition of corrosion causes is the key to develop corrosion protection and control measures.

flap cabin structure; corrosion; service environment; reinforcement repair

10.7643/ issn.1672-9242.2017.11.010

TJ07；TG174

A

1672-9242(2017)11-0048-04

2017-06-14；

2017-07-31

陳勇（1990—），男，重慶合川人，碩士，助理工程師，主要研究方向為飛機結(jié)構(gòu)疲勞延壽。