飞机的腐蚀使用寿命与腐蚀控制
文/李金桂·北京航空材料研究院
本文通过已发生的腐蚀故障的回顾,引发思考,提出要确保飞行安金、使用寿命,只有从源头设计开始,实施全员参加的全方位全过程的腐蚀控制系统工程才能达到目标:提高飞行可靠性、延长使用寿命、减少故障发生、减少使用维修费用。
1956年我国制造的第一架喷气飞机飞上蓝天，至今已发展了适应现状战争需要的多种类机型和以五位数计算的飞机、发动机及其配套的机载设备。这些物体不可避免地要经受所在地域的周围环境(温度、湿度、污染了的空气等)的侵蚀和它们本身运行环境的作用，从而导致制作这些物体的材料的变质和破坏，称之为材料的腐蚀(包括金属的腐蚀、非金属的老化)。这些材料变质和破坏到一定程度后，会在高空、高速、高应力等因素的协同作用下诱发事故，严重的导致机毁人亡。
结构腐蚀造成的损失
追溯过去,飞机结构腐蚀的种种表现,可以发现有几个明显特点:
(1)随机性很强。不同机型,有的腐蚀重,有的腐蚀轻;同—机型,不同地域、空域(南方、北方、沿海、内陆),腐蚀差异更大;机上不同位置构件,腐蚀差别显著。
(2)偶然性不断。例如某发动机压气机—级转子叶片由于晶间腐蚀诱发应力腐蚀折断,有105h断、有83h断、有61h断、还有20h26min断的,这真是偶然发生的吗?
(3)存在集中性。从材料上讲,镁合金最易腐蚀、T6状态的铝合金也易腐蚀,但诱发重大腐蚀故障的往往又是不锈钢和高强度钢;从结构上讲,腐蚀多集中在蓄电池舱、油箱舱、起落架易积水处等。
然而,通过分析不难发现,飞机结构腐蚀的根本所在,是那些结构设计不合理,密封不好、易于积水、易于纳污、易于遭受湿热环境侵蚀的部位;或设计选用材料或镀涂层不恰当,选择了不耐蚀的材料;或制造过程破坏了材料固有的耐蚀性的零部件。应该说,腐蚀是环境介质侵蚀下的—种必然现象,引起飞机重大事故的腐蚀决不偶然,必定是哪一个环节有了问题。
国际航空运输协会早年提出的报告就指出,腐蚀和疲劳是造成飞机提前损坏的两大因素,而纯粹的疲劳是没有的,多为环境介质作用下的腐蚀疲劳。
飞行事故引发的思考
早期英国彗星式民用客机、美国FH1战斗机由于应力腐蚀发生空中坠毁,—时,在国际上引起轰动,腐蚀也会引起机毁人亡?
1981年8月22日我国台湾民航客机B-737空中失事,八个月后查明是由于该机经常运输活鱼海产,机身下部高强度铝合金结构件多处发生严重的晶间腐蚀、剥蚀,出现裂纹和孔洞,在空中增压时产生急速破裂,引发爆破解体,导致机毁人亡。
1981年11月,我国—架直升飞机,由于1号桨叶大梁腐蚀疲劳折断而导致飞机空中解体。
1982年9月17日一架日本航空公司的DC-8客机在上海机场着陆时,冲出跑道,造成几十人受伤,事后查明是紧急刹车用的高压气瓶内壁应力腐蚀开裂而爆破,损坏了液压系统及部分附件,致使正常刹车和应急刹车系统全部失效而酿成事故;美国阿波罗号登月火箭贮存N2O4器在试验期间发生爆裂,推迟登月半年有余。
随着高强度、超高强度材料的使用,沿海或海上用飞机的增多,腐蚀引发的事故不断,见怪不怪,腐蚀确实会诱发飞行事故,逐渐被人们所认知。
中央翼盒受力构件严重腐蚀
某型轰炸机在维修时发现中央翼盒受力构件腐蚀严重,后查该型飞机普遍存在同类问题。
进—步追查发现该型飞机排水孔过小,机身密封水平差,下雨时有渗漏水进入,温差大时有凝露产生,渗漏水、凝露水排放不及时,引起腐蚀,腐蚀产物堵住小孔,腐蚀加剧进行,不得不整个中央翼盒拆除,造成重大损失。
后来,设计更改图纸,将排水孔直径加大—倍,才解决—大群飞机的这个腐蚀问题。设计合理是预防腐蚀、避免腐蚀的最根本、最重要的措施。
WP6九级盘镉脆
—小弹簧片镀锌改为镀镉,该处温度已超过320℃ ,镉镀层熔化甩于九级盘轮缘,在高速旋转,很高离心应力作用下,出现镉熔融金属作用下的应力腐蚀(简称为镉脆),导致九级压气机盘爆裂事故,如图1所示。
图1爆裂的九级压气机盘
事故引发几点值得思考:
(1)爆裂盘飞出将飞机切成两半,造成三起—等事故,惨不忍睹,牺牲三位飞行员、毁了三架飞机,几百架飞机停飞返厂更换九级盘及其相关零件,造成数千万元直接经济损失外,诱发其他飞行员的“恐飞症”惧怕飞行,对国防造成的损失如何计算。
(2)工厂申请将镀锌更改为镀镉,是否清楚更换件所处工作环境,镉镀层能否适应。
(3)主管设计员是否忘记该处的确切环境温度,竟然也同意更改。
(4)设计所和工厂所拥有的文件,对镉镀层的适用范围有无确切规定?有何教训?
多年来,类似的镉脆故障不断。
某发动机起动喷嘴为蒙耐尔合金镀镉,带着镀镉层进行补焊,镀镉层熔化,渗入基体,工厂试车时引发零件脆性断裂。
某直升机旋翼大梁连接螺栓为高强度钢3OCrMnSiA镀镉,在165±5℃温度下进行树脂组装固化处理,由于仪表失控,实际固化温度为344℃,螺栓镀镉层熔化渗入,分解时螺栓头脱落。
某歼击机中轴承盖螺栓为12Cr2Ni4WA镀镉,多次发现,返修拆卸时螺栓沿螺纹根部断烈,经查是镉脆导致。
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