實驗室加速腐蝕環(huán)境中A286口蓋鎖的腐蝕行為

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(中國特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，荊門 448035)

實驗室加速腐蝕環(huán)境中A286口蓋鎖的腐蝕行為

趙連紅,劉元海,王浩偉

(中國特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，荊門 448035)

對安裝與未安裝兩種形式口蓋鎖進行了實驗室加速腐蝕試驗，通過蝕坑深度和力矩差(松脫力矩與擰緊力矩的差值)研究了A286口蓋鎖的腐蝕行為，分析了裝配過程及裝配應(yīng)力對口蓋鎖腐蝕行為的影響。結(jié)果表明：安裝口蓋鎖的腐蝕程度明顯高于未安裝口蓋鎖的；未安裝口蓋鎖的主要腐蝕形式是接觸腐蝕，而安裝類口蓋鎖的主要腐蝕形式是接觸腐蝕和應(yīng)力腐蝕；應(yīng)力腐蝕對口蓋鎖腐蝕的影響比接觸腐蝕的更大。

A286口蓋鎖；裝配形式；應(yīng)力腐蝕；接觸腐蝕

口蓋鎖作為飛機結(jié)構(gòu)常用的緊固件之一，在飛機維修口蓋結(jié)構(gòu)中使用非常多，如發(fā)動機艙口、助力器艙口蓋等?？谏w鎖可用來快速打開或關(guān)閉維修口蓋，縮短飛機艙口蓋的打開和可靠關(guān)閉的時間，主要方便飛機的維護、提高飛機維修速率。飛機長期在海洋環(huán)境中服役，口蓋鎖長期面臨高鹽霧、高濕熱等嚴(yán)酷的海洋環(huán)境，易發(fā)生腐蝕，其腐蝕破壞會直接影響飛機的維修、安全和壽命[1]。同時安裝和拆卸過程對口蓋鎖的腐蝕也有影響[1]。郁春娟[2]已經(jīng)開展了緊固件腐蝕行為方面的研究，而關(guān)于口蓋鎖在實驗室加速腐蝕環(huán)境中的腐蝕行為尚未見報道。本工作對口蓋鎖進行了實驗室加速腐蝕試驗，討論了安裝和未安裝兩種形式的口蓋鎖在實驗室加速腐蝕環(huán)境中的腐蝕特點，為海洋環(huán)境中飛機口蓋鎖的選型和腐蝕防護提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 試樣

試驗件采用的A286口蓋鎖，主要由螺栓組件、襯套、止動圈、下鎖體(螺母、支座、托板)四個部分組成，口蓋鎖的材料和表面處理情況見表1。試驗件分為未安裝和安裝兩種形式，見圖1，分別稱未安裝口蓋鎖和安裝口蓋鎖。其中，安裝口蓋鎖的板材為T300碳纖維復(fù)合材料，板材表面采用H06鋅黃底漆和H04-2白色面漆。

1.2 試驗環(huán)境

利用某海域數(shù)據(jù)編制合金鋼口蓋鎖的加速環(huán)境譜[3-4]，環(huán)境譜的加速時間是通過當(dāng)量折算法將基本環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到，其中口蓋鎖的每個加速循環(huán)為504 h，加速試驗環(huán)境譜見圖2所示。

表1 A286口蓋鎖材料和表面處理工藝Tab. 1 Materials and surface treatments of flap lock

(a) 安裝口蓋鎖

(b) 未安裝口蓋鎖圖1 未安裝與安裝形式的口蓋鎖試驗件Fig. 1 Installed and uninstalled flap lock test pieces

1.3 試驗方法

按照如圖2所示的加速試驗環(huán)境譜，對未安裝口蓋鎖與安裝口蓋鎖進行實驗室加速腐蝕試驗，試驗周期為3個循環(huán)。對于安裝口蓋鎖，在每個循環(huán)試驗開始前，擰緊口蓋鎖直至擰緊力矩為5.8 N·m，每個循環(huán)試驗結(jié)束后，擰松口蓋鎖并檢測口蓋鎖的松脫力矩和蝕坑深度；對于未安裝口蓋鎖，在每個循環(huán)試驗開始之前，需將口蓋鎖擰緊至螺栓螺紋外漏2個螺紋處，用力矩扳手測出擰緊力矩，每個循環(huán)試驗結(jié)束后，擰松口蓋鎖并測試松脫力矩和蝕坑深度。每個循環(huán)的松脫力矩與擰緊力矩的差值稱為力矩差，力矩差可反應(yīng)每個循環(huán)試驗后口蓋鎖螺栓螺紋的腐蝕程度。采用KH-7700三位體式顯微鏡，在口蓋鎖螺栓光面部位進行蝕坑深度檢測，檢測按照GB/T 18590-2001《金屬和合金的腐蝕 點蝕評定方法》所述的點蝕坑深度變焦顯微測試法進行，檢測時應(yīng)盡量多地采集蝕坑深度數(shù)據(jù)，使檢測的蝕坑數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)每個試驗循環(huán)后安裝口蓋鎖和未安裝口蓋鎖螺栓表面的整體腐蝕情況。

圖2 加速試驗環(huán)境譜Fig. 2 Accelerated environment spectra

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗數(shù)據(jù)處理

未安裝和安裝口蓋鎖經(jīng)1個循環(huán)的實驗室加速腐蝕試驗后，兩種口蓋鎖表面都出現(xiàn)輕微的銹蝕，有少量的鐵銹覆蓋在口蓋鎖的下所體表面，除去腐蝕產(chǎn)物后，腐蝕不明顯，口蓋鎖的螺栓并未出現(xiàn)明顯腐蝕。兩種形式口蓋鎖的腐蝕程度大體一致。隨著加速腐蝕試驗的繼續(xù)，在第2個循環(huán)與第3個循環(huán)中，未安裝口蓋鎖的腐蝕速率相對緩慢，而安裝口蓋鎖的腐蝕速率相對較快。經(jīng)第1、第2和第3個循環(huán)試驗后兩種形式口蓋鎖的蝕坑深度、松脫力矩見表2～4。其中試驗件編號KGS表示未安裝口蓋鎖，KGSAZ表示安裝口蓋鎖。

根據(jù)文獻[5-6]可知，蝕坑深度等腐蝕特征量應(yīng)滿足對數(shù)正態(tài)分布。因此，根據(jù)3個循環(huán)試驗后未安裝口蓋鎖和安裝口蓋鎖蝕坑深度的測試數(shù)據(jù)，采用Shapiro-Wilk法對其進行分析，以驗證這些測試數(shù)據(jù)是否滿足對數(shù)正態(tài)分布。

由圖3可見：根據(jù)第1個循環(huán)試驗后未安裝口蓋鎖的蝕坑深度，計算得到P值為0.316 39，方差σA為0.175，均值為1.272 229；根據(jù)第2個循環(huán)試驗后未安裝口蓋鎖的蝕坑深度，計算得到P值為0.072 99，方差σA為0.123，均值為2.236 388；根據(jù)第3個循環(huán)試驗后未安裝口蓋鎖的蝕坑深度，計算得到P值為0.063 39，方差σA為0.131，均值為2.483 287。分析結(jié)果表明，根據(jù)3個循環(huán)試驗后未安裝口蓋鎖的蝕坑深度計算得到的P值均大于0.05，因此在顯著度水平0.05情況下滿足對數(shù)正態(tài)分布，未安裝口蓋鎖的蝕坑數(shù)據(jù)合理有效。

表2 第1個循環(huán)試驗后未安裝和安裝口蓋鎖的腐蝕情況Tab. 2 Corrosion situation of installed and uninstalled flap locks after the first cycle of test

由圖4可見：根據(jù)第1個循環(huán)試驗后安裝的蝕坑深度，計算得到P值為0.514 26，方差σA為0.17，均值為1.359 597；根據(jù)第2個循環(huán)試驗后安裝口蓋鎖的蝕坑深度，計算得到P值為0.108 62，方差σA為0.12，均值為2.392 688；根據(jù)第3個循環(huán)試驗后安裝口蓋鎖的蝕坑深度，計算得到P值為0.220 29，方差σA為0.14，均值為2.541 59。分析結(jié)果表明，根據(jù)3個循環(huán)后安裝口蓋鎖的蝕坑數(shù)據(jù)計算得到的P值均大于0.05，因此在顯著度水平0.05情況下滿足對數(shù)正態(tài)分布，安裝口蓋鎖的蝕坑數(shù)據(jù)合理有效。

2.2 試驗結(jié)果分析

未安裝和安裝口蓋鎖的蝕坑深度均符合對數(shù)正態(tài)分布要求。對未安裝和安裝口蓋鎖每個循環(huán)試驗后的蝕坑深度、力矩差取平均值，結(jié)果見表4。由表4可知，蝕坑深度和力矩差滿足王慧等[7]提出的金屬表面腐蝕損傷與時間的函數(shù)關(guān)系。未安裝與安裝口蓋鎖經(jīng)3個循環(huán)試驗后的腐蝕趨勢見圖5和圖6。

表3 第2個循環(huán)試驗后未安裝和安裝口蓋鎖的腐蝕情況Tab. 3 Corrosion situation of installed and uninstalled flap locks after the second cycle of test

表4 第3個循環(huán)試驗后未安裝和安裝口蓋鎖的腐蝕情況Tab. 4 Corrosion situation of installed and uninstalled flap locks after the third cycle of test

(a) 第1個循環(huán)(b) 第2個循環(huán)(c) 第3個循環(huán)圖3 第1，第2，第3個循環(huán)試驗后未安裝口蓋鎖蝕坑深度的對數(shù)值-頻數(shù)直方圖Fig. 3 Logarithm-frequency histogram of pit depth for uninstalled flap lock after the first (a), the second (b) and the third (c) cycles of test

(a) 第1個循環(huán)(b) 第2個循環(huán)(c) 第3個循環(huán)圖4 第1，第2，第3個循環(huán)試驗后安裝口蓋鎖蝕坑深度對數(shù)值-頻數(shù)直方圖Fig. 4 Logarithm-frequency histogram of pit depth for installed flap lock after the first (a), the second (b) and the third (c) cycles of test

試驗件平均蝕坑深度/μm平均力矩差/(N·m)第1個循環(huán)第2個循環(huán)第3個循環(huán)第1個循環(huán)第2個循環(huán)第3個循環(huán)未安裝口蓋鎖20.2179.1318.50.260.480.74安裝口蓋鎖24.7196.2379.50.041.221.94

兩種口蓋鎖的平均蝕坑深度呈線性增加，口蓋鎖的平均蝕坑深度反應(yīng)了其在3個循環(huán)試驗中的腐蝕速率。與安裝口蓋鎖3個循環(huán)試驗的腐蝕情況相一致,在第1個循環(huán)試驗中，未安裝口蓋鎖未出現(xiàn)明顯的腐蝕，口蓋鎖螺栓的表面處理阻止腐蝕環(huán)境對口蓋鎖基體的腐蝕；在第2個循環(huán)試驗中，螺栓表面出現(xiàn)了銹蝕，口蓋鎖螺栓表面鍍鎘層在腐蝕環(huán)境中發(fā)生腐蝕破壞，使口蓋鎖螺栓基體暴露在腐蝕環(huán)境中，從而出現(xiàn)銹蝕；在第3個循環(huán)試驗中，口蓋鎖有大量銹蝕，鐵銹覆蓋于口蓋鎖螺栓表面，阻止口蓋鎖螺栓基體與腐蝕環(huán)境直接接觸，表現(xiàn)為螺栓表面鐵銹增多，腐蝕速率基本不變。安裝口蓋鎖在3個循環(huán)試驗中的腐蝕速率大于未安裝口蓋鎖的。在第1個循環(huán)試驗中，安裝口蓋鎖無明顯腐蝕，與未安裝口蓋鎖腐蝕一致，口蓋鎖螺栓表面處理阻止了腐蝕環(huán)境和裝配應(yīng)力對基體的腐蝕；在第2個循環(huán)試驗中，口蓋鎖螺栓表面出現(xiàn)銹蝕，蝕坑深度明顯變大，腐蝕程度比未安裝口蓋鎖的嚴(yán)重，拆卸磨損和腐蝕環(huán)境兩個因素破壞表面處理，導(dǎo)致口蓋鎖表面處理層過早破壞，增加了螺栓基體與腐蝕環(huán)境接觸的機會，在腐蝕環(huán)境和裝配應(yīng)力共同作用下加速了腐蝕；在第3個循環(huán)試驗中，口蓋鎖螺栓表面嚴(yán)重銹蝕，腐蝕產(chǎn)物呈褐色，腐蝕程度遠高于未安裝口蓋鎖的，在安裝和卸載過程中磨損破壞口蓋鎖螺栓表面形成的鐵銹，增加螺栓基體與腐蝕環(huán)境接觸的機會，同時裝配應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕加大了腐蝕速率，表現(xiàn)在3個循環(huán)結(jié)束后，安裝類口蓋鎖腐蝕程度更加嚴(yán)重。

圖5 平均蝕坑深度在3個循環(huán)試驗中的趨勢Fig. 5 Tendency of average pit depth in three cycles of test

圖6 平均力矩差在3個循環(huán)試驗中的趨勢Fig. 6 Tendency of average torque difference in three cycles of test

圖6為安裝和未安裝口蓋鎖的平均力矩差在3個循環(huán)試驗中的趨勢。從第1循環(huán)到第3循環(huán)，未安裝和安裝口蓋鎖的平均力矩差都是增大的，這與蝕坑深度趨勢一致，而安裝口蓋鎖的平均力矩差比未安裝口蓋鎖的更大。其主要原因有以下三點：其一，安裝口蓋鎖在安裝和拆卸過程中受到了裝配應(yīng)力，破壞了表面處理層和表面腐蝕產(chǎn)物層，加大了口蓋鎖螺栓螺紋與腐蝕環(huán)境的接觸機會，從而腐蝕更加嚴(yán)重；其二，安裝口蓋鎖表面處理層破壞后，安裝口蓋鎖在裝配應(yīng)力作用下產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕，所以安裝口蓋鎖受到接觸腐蝕和應(yīng)力腐蝕雙重作用，與只受接觸腐蝕的未安裝口蓋鎖相比，其腐蝕更快；其三，比較兩種形式的口蓋鎖的力矩差可知，應(yīng)力腐蝕對安裝口蓋鎖腐蝕的影響比接觸腐蝕更大。在表面處理層被破壞之前口蓋鎖主要受環(huán)境接觸腐蝕，表面處理層被破壞之后，受到環(huán)境接觸腐蝕和應(yīng)力腐蝕雙重作用，且應(yīng)力腐蝕占主導(dǎo)地位。安裝和未安裝口蓋鎖經(jīng)3個循環(huán)試驗后的宏觀和微觀腐蝕形貌見圖7和圖8。

綜上所述，未安裝口蓋鎖的腐蝕主要是接觸腐蝕，腐蝕速率相對平緩；安裝口蓋鎖受到應(yīng)力腐蝕和接觸腐蝕雙重作用，應(yīng)力腐蝕的影響高于接觸腐蝕的。

(a) 未安裝口蓋鎖

(b) 安裝類口蓋鎖圖7 經(jīng)3個循環(huán)試驗后未安裝與安裝口蓋鎖的宏觀腐蝕形貌Fig. 7 Macrographs of installed flap locks (a) and uninstalled flap locks (b) after corrosion in 3 cycles of test

(a) 未安裝口蓋鎖

(b) 安裝類口蓋鎖圖8 經(jīng)3個循環(huán)試驗后未安裝與安裝口蓋鎖的微觀腐蝕形貌Fig. 8 Micro morphology of installed flap locks (a) and uninstalled flap locks (b) after corrosion in 3 cycles of test

3 結(jié)論

(1) 采用蝕坑深度、力矩差2個腐蝕特征量描述口蓋鎖的腐蝕程度，準(zhǔn)確合理地反映未安裝和安裝口蓋鎖的腐蝕特點。

(2) 在同一腐蝕環(huán)境中，安裝口蓋鎖受到應(yīng)力腐蝕和接觸腐蝕，未安裝口蓋鎖的腐蝕是接觸腐蝕，安裝類蓋鎖的腐蝕更加嚴(yán)重。

(3) 在腐蝕環(huán)境中，應(yīng)力腐蝕對安裝口蓋鎖腐蝕的影響比接觸腐蝕更大，因此在飛機口蓋鎖選型中必須考慮裝配應(yīng)力。

[1] 楊文芳. 淺談飛機口蓋鎖的選用[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2011,12(3)：45-50.

[2] 郁春娟. 常用金屬緊固件在水環(huán)境中的腐蝕行為[J]. 裝備環(huán)境工程,2010,7(5)：4-12.

[3] 劉成臣，王浩偉，楊曉華. 不同材料在海洋大氣環(huán)境下的加速環(huán)境譜研究[J]. 裝備環(huán)境工程,2013,7(2):18-24.

[4] 劉成臣，王浩偉，魯國富. 2A12鋁合金當(dāng)量加速腐蝕試驗[J]. 腐蝕與防護,2014,35(5):458-461.

[5] 張有宏，鋁國志，任克亮，等. 不同環(huán)境下LY12-CZ鋁合金表面腐蝕損傷演化規(guī)律研究[J]. 航空學(xué)報,2007,28(1):142-145.

[6] HARLOW D J，WEI R P. A probability model for the growth of corrosion pits in aluminum alloys induced by constituent particles[J]. Engineering Fracture Mechanic,1988,59(3):305-325.

[7] 王慧,呂國志,王樂,等. 金屬表面腐蝕損傷演化過程的元胞自動機模擬[J]. 航空學(xué)報,2008,29(6):1490-1496.

CorrosionBehaviorofA286FlapLockinAcceleratedCorrosiveEnvironmentinLaboratory

ZHAO Lianhong, LIU Yuanhai, WANG Haowei

(Key Laboratory of Aviation Science and Technology for Structure Corrosion Protection and Control, China Special Vehicle Research Institute, Jingmen 448035, China)

To study the corrosion behavior of A286 flap lock, accelerated environment corrosion tests for installed flap lock and uninstalled flap lock were carried out in laboratory. Corrosion behavior of A286 flap lock was analyzed through pit depth and torque difference between loosening and tightening. And the influences of assembly process and assembly stress on the corrosion behavior of flap lock were studied. The results show that the corrosion of installed flap lock was more serious than that of the uninstalled flap lock. The main corrosion form of uninstalled flap lock was contact corrosion, while the main corrosion forms of installed flap lock were contact corrosion and stress corrosion. Stress corrosion had greater influence on corrosion behavior of flap lock than contact corrosion.

A286 flap lock; installation form; stress corrosion; contact corrosion

10.11973/fsyfh-201712008

TG172

A

1005-748X(2017)12-0938-05

2016-04-17

趙連紅(1988-)，工程師，碩士，從事腐蝕環(huán)境航空航天材料損傷行為研究,18120388818,zhaolianhongmail@163.com