直升機蒸發(fā)循環(huán)核心部件耐腐蝕技術(shù)研究

仇振安，包 睿，毛 陽，楊國茹

(1.陸軍航空兵軍代局駐洛陽地區(qū)軍事代表室， 河南 洛陽 471000；2.新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049 )

直升機蒸發(fā)循環(huán)核心部件耐腐蝕技術(shù)研究

仇振安1，包 睿1，毛 陽1，楊國茹2

(1.陸軍航空兵軍代局駐洛陽地區(qū)軍事代表室， 河南 洛陽 471000；2.新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049 )

對直升機蒸發(fā)循環(huán)蒸發(fā)器、冷凝器腐蝕機理及常用耐腐蝕技術(shù)進行了介紹，分析了我國直升機蒸發(fā)循環(huán)核心部件耐腐蝕技術(shù)研究的迫切性。分析了國內(nèi)外軍民用換熱器防腐蝕評價方法，提出采用SWAAT試驗方法代替GJB150A作為直升機蒸發(fā)循環(huán)蒸發(fā)器、冷凝器耐腐蝕評價準(zhǔn)則。通過對不同的扁管材料、不同的扁管噴鋅量及不同材料翅片進行SWAAT耐腐蝕試驗及試驗結(jié)果分析，得到直升機蒸發(fā)循環(huán)用蒸發(fā)器、冷凝器的防腐設(shè)計基本準(zhǔn)則，為國內(nèi)直升機蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)研制提供參考。

直升機；蒸發(fā)循環(huán)；耐腐蝕

0 引言

由于直升機經(jīng)常在高溫、高濕環(huán)境中工作，為降低駕駛員的體能消耗，改善機載電子設(shè)備的工作環(huán)境，提高電子設(shè)備的工作可靠性，需采用高效的蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)對直升機艙內(nèi)進行降溫、除濕。蒸發(fā)循環(huán)制冷方式在直升機環(huán)控系統(tǒng)中較為普及。

眾所周知，海洋環(huán)境對直升機上各種金屬構(gòu)件特別是鋁制產(chǎn)品具有很強的腐蝕作用。在蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)中，為降低蒸發(fā)器、冷凝器的產(chǎn)品重量，提高換熱效率，通常采用的是全鋁薄壁件，制冷劑的流道壁厚通常只有0.3～0.5mm，這就使得在海洋環(huán)境中使用時，若不進行有效的防腐處理，極易發(fā)生腐蝕泄漏，喪失制冷功能。可以預(yù)測，隨著直升機裝備數(shù)量和使用時間的增加，特別是執(zhí)行遠(yuǎn)洋任務(wù)次數(shù)的增多，該問題將逐步凸顯，影響直升機在沿海地區(qū)任務(wù)的正常進行。目前，直升機蒸發(fā)循環(huán)在國內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的防腐試驗和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對直升機蒸發(fā)循環(huán)耐腐蝕技術(shù)進行研究，找到符合我國海洋環(huán)境下直升機使用需求的技術(shù)解決途徑和評價準(zhǔn)則。

1 現(xiàn)狀

蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)受海洋環(huán)境腐蝕，易發(fā)生泄漏故障。常斌、于領(lǐng)軍、繆萬波等人，均撰文對直升機在海洋環(huán)境下使用所面臨的鹽霧環(huán)境進行了分析，提出了機載設(shè)備的耐腐蝕問題[1-3]。船載設(shè)備中與蒸發(fā)循環(huán)相近的產(chǎn)品有各種風(fēng)冷換熱器和空調(diào)，從收集到的故障案例可以看出，船上使用的風(fēng)冷換熱器和空調(diào)冷凝器，由于受海水環(huán)境的腐蝕，使用1～3年會很快發(fā)生腐蝕泄漏。因此，蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)有很高的腐蝕失效風(fēng)險。

2 現(xiàn)有產(chǎn)品防腐方案

2.1蒸發(fā)循環(huán)用換熱器腐蝕機理分析

蒸發(fā)循環(huán)用換熱器包括艙內(nèi)的蒸發(fā)器和艙外的冷凝器，蒸發(fā)器常用結(jié)構(gòu)形式為層疊式和平行流式，冷凝器常用結(jié)構(gòu)形式為平行流式，制冷劑在換熱器流道內(nèi)蒸發(fā)或冷凝，外界空氣流過焊接在流道外的翅片，與翅片進行熱交換，將艙內(nèi)的熱量釋放到艙外空氣中。蒸發(fā)器、冷凝器雖然結(jié)構(gòu)形式有差異，但工作方式與材料相同，因此在發(fā)生腐蝕時具有相同的腐蝕機理。

為降低產(chǎn)品重量，機載蒸發(fā)循環(huán)換熱器全部采用鋁合金制造，鋁合金在含氯離子的溶液中，易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。而蒸發(fā)循環(huán)換熱器內(nèi)部為R134a制冷劑與冷凍油的混合物，對產(chǎn)品的腐蝕作用較小，可以忽略不計。產(chǎn)品外部由于經(jīng)常接觸腐蝕性海洋氣體，是發(fā)生腐蝕的主要區(qū)域。

蒸發(fā)循環(huán)換熱器由扁管和翅片在焊接爐中一次焊接而成，焊接后扁管、翅片及焊接釬料具有不同的電位。在腐蝕介質(zhì)中，不同電位差的材料形成局部微電池，進而發(fā)生電化學(xué)腐蝕，電流將從高電位金屬流向低電位金屬，電位低的金屬失去電子，形成金屬離子，造成材料的損失，產(chǎn)生腐蝕。腐蝕過程的化學(xué)方程式為：

Al→Al3++3e
Al3++3Cl-→AlCl3
AlCl3+3OH-→Al(OH)3+3Cl-

圖1給出了鋁合金冷凝器NOCOLOK釬焊后各構(gòu)件間的電位差關(guān)系。

2.2蒸發(fā)循環(huán)用換熱器防腐蝕方案

1)在產(chǎn)品表面涂覆防腐層，隔離腐蝕環(huán)境

通常采用鉻酸鹽鈍化或表面噴漆的方法。兩種方法可單獨使用或結(jié)合使用，但這兩種方法的防腐效果有限。因為鉻酸鹽鈍化膜的完整性對耐腐蝕性影響很大，當(dāng)膜層存在缺陷時，會促進局部腐蝕，加快穿孔的速度，而現(xiàn)有的噴漆工藝無法做到在產(chǎn)品的中心部位和小縫隙處均能獲得均勻的漆膜，故無法對產(chǎn)品起到全面的保護。

2)在制冷劑扁管表面形成Zn擴散層，避免產(chǎn)生孔蝕

通過電噴鋅等方式，在扁管的加工過程中在表面增加一層鋅層，在釬焊后形成含鋅量1%～1.5%的鋁鋅合金層，使扁管表面電極電位降低形成陽極，在腐蝕環(huán)境下優(yōu)先形成全面型的均勻腐蝕，防止孔蝕的發(fā)生。

但是由于扁管噴鋅工藝的限制，噴鋅層的均勻性不易保證，噴鋅量過高或過低均會降低產(chǎn)品的耐腐蝕性。同時，在扁管生產(chǎn)過程中對表面噴鋅層的保護是否可靠對產(chǎn)品的耐腐蝕性也有較大的影響。

3)采用高含鋅量的富鋅翅片，犧牲翅片保護扁管

采用含鋅量高的鋁箔加工成翅片，在腐蝕環(huán)境下，利用扁管和翅片材料之間的電位差，使翅片作為陽極優(yōu)先腐蝕，從而保護扁管，避免制冷劑的泄漏。

圖2為噴鋅扁管和富鋅翅片焊接后電位差示意圖。

犧牲翅片保護扁管的方法，在使用中應(yīng)注意，如果翅片腐蝕嚴(yán)重，雖然產(chǎn)品未發(fā)生泄漏，但換熱性能大幅下降,產(chǎn)品功能將部分喪失。

從圖2可以明顯看出，相比1050A合金，扁管表面噴Zn處理后的冷凝器在NOCOLOK釬焊后，在扁管和翅片之間形成Zn擴散層，該層具有一定的電位(-800 mv)，在嚴(yán)酷苛刻的環(huán)境中，多加一層保護，能有效地防止或減輕冷凝器的腐蝕，達(dá)到延長其壽命的目的。

3 耐腐蝕性評價準(zhǔn)則的確定

3.1現(xiàn)有耐腐蝕性評價方法

由于無專用的直升機蒸發(fā)循環(huán)耐腐蝕性評價方法，前期開發(fā)產(chǎn)品均使用GJB150.11A標(biāo)準(zhǔn)(見表1)進行評價。

該鹽霧試驗標(biāo)準(zhǔn)并不能準(zhǔn)確評價直升機蒸發(fā)循環(huán)的耐腐蝕性，原因如下：

1)目的不同

GJB150.11A中試驗?zāi)康臑椤癮)確定材料保護層和裝飾層的有效性；b)確定鹽的沉積物對裝備物理性能和電器性能的影響”。而蒸發(fā)循環(huán)腐蝕失效的模式是泄漏和性能下降，試驗?zāi)康牟煌?，無法進行準(zhǔn)確判定。

表1 GJB150A鹽霧試驗方法

2)鹽霧溶液的化學(xué)組成和濃度不同

GJB150.11A中第3.3條明確說明“本試驗不重現(xiàn)海洋大氣環(huán)境的影響，因為海洋和其他腐蝕環(huán)境的化學(xué)組成和濃度與本試驗不同”。

事實上，海水中除了含有大量的Na+和Cl-外，主要成分還包括K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、SO42-、Br-、HCO3-、F-等各種離子及氧、氮氣體、有機物質(zhì)等，這些成分均會不同程度地增加溶液的腐蝕性，因此，采用 GJB150.11A不能有效判定蒸發(fā)循環(huán)耐海水環(huán)境腐蝕的能力。

3.2國內(nèi)外耐腐蝕性評價方法介紹

國內(nèi)外蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)常用加速腐蝕試驗方法見表2。

3.3滿足需求的評價準(zhǔn)則

上述三種試驗方法被廣泛應(yīng)用于評價家用空調(diào)室外機和汽車空調(diào)冷凝器的耐腐蝕性，經(jīng)對市場上產(chǎn)品使用情況的統(tǒng)計，表2中的試驗時間對應(yīng)產(chǎn)品使用壽命均不低于10年。與GJB150.11A相比，民用蒸發(fā)循環(huán)耐腐蝕試驗方法具有以下優(yōu)點：

1)試驗用溶液的腐蝕性得到了加強；

2)試驗箱環(huán)境更加惡劣，在酸性、高溫環(huán)境下，耐腐蝕性的驗證更加充分；

3)試驗時間與產(chǎn)品壽命需求相吻合。

經(jīng)分析，酸性合成海水鹽霧試驗(SWAAT)更適用于海洋環(huán)境下直升機蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)，原因如下：

1)SWAAT試驗溶液成分[5]與海洋環(huán)境(見表3、表4)更加接近兩表對比可知，SWAAT試驗用溶液與海水成分基本相當(dāng)，因此SWAAT試驗可以較準(zhǔn)確地驗證產(chǎn)品在海洋環(huán)境下的耐腐蝕性。

表2 國內(nèi)外蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)常用加速腐蝕試驗方法匯總表[4]

表3 海水主要成分表

表4 SWAAT 試驗用合成海鹽成分表(ASTM D1141替代海水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范)

2)嚴(yán)酷的試驗條件使試驗驗證更加充分

SWAAT試驗使產(chǎn)品處于酸性、高溫試驗環(huán)境中，可以增加腐蝕的速度，相比GJB150.11A中性、常溫的試驗環(huán)境，試驗驗證更加充分。

3)試驗時間更接近海洋環(huán)境下直升機對蒸發(fā)循環(huán)的要求

海洋環(huán)境下直升機蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)常年處于海洋氣候中，海水蒸發(fā)后形成高濕度的空氣，含有各種腐蝕性離子，在蒸發(fā)循環(huán)工作中，隨空氣流經(jīng)蒸發(fā)循環(huán)蒸發(fā)器和冷凝器，對產(chǎn)品產(chǎn)生腐蝕。即使系統(tǒng)不工作，產(chǎn)品仍處于腐蝕環(huán)境中，因此GJB150.11A中96小時試驗時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足直升機翻修間隔期(TBO)10年的壽命要求。

4)SWAAT試驗的權(quán)威性

SWAAT試驗方法來自美國材料與試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM G85 ，ASTM是美國最老、最大的非盈利性的標(biāo)準(zhǔn)學(xué)術(shù)團體之一，主要任務(wù)是制定材料、產(chǎn)品、系統(tǒng)和服務(wù)等領(lǐng)域的特性和性能標(biāo)準(zhǔn)、試驗方法和程序標(biāo)準(zhǔn)。 “ASTM G85改性鹽霧試驗方法” 為特殊用途的五種改性鹽霧試驗提出了環(huán)境條件，其中第三種即為酸性合成海水鹽霧試驗(SWAAT),該標(biāo)準(zhǔn)已被美國國防部的機構(gòu)所采用。

經(jīng)了解，滿足600小時SWAAT試驗的汽車空調(diào)冷凝器，可以在沿海地區(qū)使用超過10年不發(fā)生泄漏。由于海洋環(huán)境下直升機在艦上不可避免地要直接接觸海水，使用環(huán)境更加惡劣，因此為保證翻修間隔期(TBO)10年的要求，應(yīng)將試驗時間進一步延長至800小時以上。

此外，GJB150.11A中對試驗后產(chǎn)品的合格判據(jù)要求較含糊，原有產(chǎn)品鑒定試驗大綱通常以產(chǎn)品腐蝕泄漏作為合格判據(jù)，但直升機蒸發(fā)循環(huán)產(chǎn)品換熱性能與翅片狀態(tài)緊密相關(guān)，翅片的腐蝕雖不會使產(chǎn)品功能喪失，但會使性能大幅下降，影響系統(tǒng)任務(wù)的完成，因此應(yīng)將產(chǎn)品換熱性能下降與腐蝕泄漏共同作為產(chǎn)品耐腐蝕性能的評判標(biāo)準(zhǔn)。

4 耐腐蝕試驗研究

4.1鋁合金冷凝器扁管噴鋅和不噴鋅的耐腐蝕試驗

1) 鹽霧試驗方法及結(jié)果

采用SWAAT鹽霧腐蝕試驗方法，對產(chǎn)品的釬焊側(cè)抗腐蝕性能進行測試。試驗結(jié)果見表5。

2)試驗結(jié)果分析

無噴鋅扁管腐蝕現(xiàn)象為外表面侵入，腐蝕嚴(yán)重，在SWAAT試驗486～502小時，扁管已經(jīng)腐蝕穿孔。

噴鋅扁管在SWAAT試驗760～794小時時間內(nèi)，腐蝕也為外表面侵入，但較于1050A扁管+含Zn翅片組成的芯體，抗腐蝕時間增加一半，抗腐蝕能力大大增強。

表5 噴鋅扁管試驗記錄表

1050A和1050A表面噴鋅扁管均發(fā)生縱向深度點蝕，但1050A表面噴鋅扁管最大點蝕厚度較淺。這是因為表面噴鋅處理的扁管在釬焊時，扁管與翅片之間形成的擴散Zn層起到良好的犧牲保護作用。

4.2冷凝器扁管噴鋅量不同對產(chǎn)品耐腐蝕性的影響試驗

1)試驗樣件材料選擇

扁管采用A3102-H112，翅片采用4343/3003Zn/4343，扁管試驗件1、2、3的噴鋅量分別為6～7 g/m2、9～11 g/m2、13～16 g/m2。試驗結(jié)果見表6。

2)試驗結(jié)果分析

隨著噴鋅量的增加，翅片先脫離扁管，噴鋅量13～16 g/m2時翅片優(yōu)先脫落于扁管，且試驗后脫落嚴(yán)重。

表6 扁管噴鋅量試驗過程記錄表

噴鋅量6～7g/m2與9～11 g/m2對腐蝕的影響相差不大，但噴鋅量少容易造成噴鋅的均勻性差，會先導(dǎo)致泄漏。

4.3不同翅片材料與相同扁管材料間配合耐腐蝕試驗

1)鹽霧試驗樣件材料選擇

目前冷凝器常用的鋁箔牌號為FE13和8X16，試驗件1采用FE13，試驗件2采用8X16，試驗結(jié)果見表7。

2)試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果顯示，采用FE13材料的翅片較早出現(xiàn)脆化，喪失了保護陰極(扁管)作用，扁管優(yōu)先泄漏。同時，由于翅片在芯體中的作用是與環(huán)境換熱，翅片的脆化會導(dǎo)致?lián)Q熱性能下降。SAPA 8X16比鎂鋁 FE13具有更好的抗腐蝕性。

表7 不同翅片材料試驗過程記錄表

5 產(chǎn)品防腐技術(shù)的發(fā)展

蒸發(fā)循環(huán)換熱器耐腐蝕研究表明，采用噴鋅扁管和富鋅翅片組合可以顯著提高產(chǎn)品的耐腐蝕性，理論上可以達(dá)到1000小時以上SWAAT試驗不泄漏。但是在實際生產(chǎn)中，由于噴鋅工藝的限制，扁管表面含鋅量不均勻，含鋅量較少的部位較早發(fā)生腐蝕。如果增加扁管的噴鋅量，焊接后翅片與扁管連接處含鋅量較高，優(yōu)先發(fā)生腐蝕，試驗過程中翅片很快與扁管分離，使產(chǎn)品換熱性能快速下降。

為了進一步提高蒸發(fā)循環(huán)換熱器的耐腐蝕性，近幾年國內(nèi)外主要從降低扁管表層含鋅量和提高富鋅層的含鋅均勻性兩個方面進行研究。現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)引進了Si-flus扁管技術(shù)和折疊管技術(shù)。其中Si-flus扁管技術(shù)是在生產(chǎn)過程中直接在扁管表面形成鋁硅釬料層，焊接過程中鋁硅發(fā)生互溶，形成硅晶顆粒，使表面鋅層含鋅量控制到2g/m2，最大限度地減少翅片與扁管連接處的鋅含量，降低翅片與扁管連接處的腐蝕速度。

折疊管技術(shù)如圖3所示，采用包覆釬料和鋅合金的鋁箔折疊成制冷劑流道，在焊接爐中與翅片一次焊接完成。由于鋁箔生產(chǎn)過程中表面含鋅量易于控制，提高了焊后制冷劑流道外表面含鋅量的均勻程度，達(dá)到控制制冷劑流道外表面含鋅量的目的。

上述兩種技術(shù)從理論上均可以大幅提升產(chǎn)品的耐腐蝕性能。國內(nèi)已有廠家進行Si-flus扁管和折疊管的生產(chǎn)，但是在生產(chǎn)過程中，還存在與現(xiàn)有裝配、焊接工藝的磨合問題，暫不具備正式生產(chǎn)的條件。

6 結(jié)論

1)由于直升機蒸發(fā)循環(huán)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，GJB 150A不能正確評價產(chǎn)品在海洋環(huán)境下使用是否能夠滿足翻修間隔期的要求；

2)來自美國材料與試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM G85的SWAAT(酸性合成海水鹽霧試驗)試驗方法應(yīng)作為我國直升機蒸發(fā)循環(huán)產(chǎn)品耐腐蝕性的評價準(zhǔn)則；

3)采用噴鋅扁管和富鋅翅片，通過改變材料的電位差進行電化學(xué)防腐，可以有效提高產(chǎn)品的耐腐蝕性，為直升機蒸發(fā)循環(huán)蒸發(fā)器、冷凝器的主要防腐手段；

4)扁管噴鋅量過低，會影響扁管的防腐性，過高會使翅片早期脫落，產(chǎn)品性能下降；

5)不同的翅片材料，因成分的微小差異，會對產(chǎn)品的防腐性能產(chǎn)生影響。

[1] 常 斌，徐 明，王 海，等. 艦載直升機的發(fā)展[C] . 中國航空學(xué)會直升機年會論文集，2015.

[2] 于領(lǐng)軍，余建航，牛貴嶺，等.軍用直升機結(jié)構(gòu)腐蝕及檢測方法研究[C] . 中國航空學(xué)會直升機年會論文集，2015.

[3] 繆萬波，王 斌，尹 樂.東南沿海地區(qū)直升機使用環(huán)境適應(yīng)性評估研究[C] . 中國航空學(xué)會直升機年會論文集，2016.

[4] ASTM G 85 Standard Practice for Modified Salt Spray (FOG) Testing[Z].

[5] ASTM D 1141 Standard Specification for Substitute Ocean Water[Z].

StudyontheCorrosionResistantTechnologyoftheCoreComponentsofHelicopterEvaporationCycle

QIU Zhenan1, BAO Rui1, MAO Yang1, YANG Guoru2

(1.The Military Representative Office In Luoyang , Luoyang 471000, China;2.AVIC Xinxiang Aviation Industry (Group) Co., Ltd. , Xinxiang 453049, China)

In this paper, the corrosion mechanism of evaporator and condenser for the helicopter evaporation cycle system and the common anticorrosion technology were introduced, and the urgency of the research on the corrosion resistant technology of the core components of helicopter evaporation cycle was put forward. Through the analysis of domestic and foreign military and civilian heat exchanger corrosion evaluation method, the SWAAT test method instead of GJB 150A was used as the evaluation criteria of the evaporator and condenser was given. The SWAAT corrosion resistance test and the test results was analyzed for different flat tube materials, different zinc content of flat tubes and different fin materials, the basic principles of anti corrosion design for evaporator and condenser used in helicopter evaporation cycle was given, the reference was provided for the development of domestic helicopter evaporation cycle system.

helicopter; evaporation cycle; corrosion resistant

2017-01-11

仇振安(1981- )，男，青海同仁人，碩士，主要研究方向：機械工程及自動化，直升機、發(fā)動機質(zhì)量監(jiān)督與質(zhì)量管理研究。

1673-1220(2017)04-063-06

V250.4; V250.2

A