材料腐蚀与防护

1、航空材料的腐蚀与防护姓名：王俊专业：材料物理学号： 1320122111航空材料的腐蚀与防护摘要： 材料腐蚀的概念和研究材料腐蚀的重要性，航空材料的分类和演变，航空材料腐蚀防护技术的历史和现状特点，航空材料腐蚀现象及其机理，腐蚀对航空材料的影响， 解决航空材料腐蚀问题及其防护与治理。关键词 ：航空材，腐蚀，防护。前言金属和它所在的环境介质之间发生化学、 电化学或物理作用， 引起金属的变质和破坏，称为金属腐蚀。随着非金属材料的发展，其失效现象也越来越引起人们的重视。 因此腐蚀科学家们主把腐蚀的定义扩展到所有材料， 定义为：腐蚀是材料由于环境的作用而引起的破坏和变质。腐蚀现象在人们在社会生产及使用

2、到的各种材料中都普遍存在，由于服役环境复杂多变 , 不同构成材料相互配合影响 , 导致航空材料在飞行器的留空阶段、 停放阶段遭受多种不同种类的腐蚀， 增加了飞 行器的运营成本，对飞行器的功能完整性和使用安全性造成严重的危害。因此开展航空产品的腐蚀与防护的研究具有明显的经济和社会效益。1. 航空材料的历史与发展1.1 航空材料的概论航空材料是航空工业主要基础，航空材料与航空技术的关系极为密切，航空航天材料在航空产品发展中具有极其重要的地位和作用.航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是推动航空产品更新换代的技术基础。1.2. 航空材料的分类航空材料有不同的分类方式。按成份可分为四大类 :1）

3、金属材料 : 铝合金、镁合金、钛合金、钢、高温合金、粉末冶金合金等。2）无机非金属材料 : 玻璃、瓷等。3）高分子材料 : 透明材料、胶粘剂、橡胶及密封剂、涂料、工程塑料等。4）先进复合材料 : 聚合物基复合材料、 金属基复合材料、 无机非金属基复合材料、碳/ 碳复合材料等。按使用功能可分为两大类: 结构材料和功能材料。1.3 航空材料的演变早期飞机的结构以木材、蒙布、金属丝绑扎而成，后来又发展为木材与金属的混合结构。 到了二十世纪三十年代， 随着铝合金材料的发展，全金属承力蒙皮逐渐成为普遍的结构形式。二十世纪三、四十年代，镁合金开始进入航空结构材料的行列。四、五十年代，不锈钢成为航空结构材料

4、。 到五十年代中期开始出现钛合金，嗣后并被用于飞机的高温部位。二十世纪六十年代，开发出树脂基先进复合材料，后来在树脂基复合材料的基础上又出现了金属基复合材料。现代飞机大量采用新型材料。2. 航空材料的不同腐蚀航空器包括很多不同种类的航空材料，这些材料的种类不同， 所处工作环境不同，导致航空材料的腐蚀具有多样性。2.1 环境作用下的电化学腐蚀电化学腐蚀是一种非常普遍的现象，很多材料物品都会受到其影响。而电位差与电解质溶液就是形成电化学腐蚀的两个基本条件。在飞行器结构中， 不同的结构由于承担的功能不同，所使用材料的性质也不同。例如，飞行器的蒙皮多采用具有出色延展性而强度相对较低的铝合金，起落架和龙

5、骨梁则多选用高强度的合金钢。材料不同，它们的电极，如果接触就有可能产生腐蚀的隐患； 就算是同种类的材料，由于其部杂质的存在或其自身就是由不同电极电位多相组成。因此 , 构成飞行器的航空材料客观上都存有电化学腐蚀的可能。 仅有电极电位差，而没有在电极间传递电荷的电解质溶液 , 并不会形成导致腐蚀现象的腐蚀电池，但现实中飞行器的电化学腐蚀现象说明电解质溶液在飞行器中普遍存在。2.2 承力结构应力腐蚀材料除受环境作用外还受各种应力作用，因此会导致较单一因素下更严重的腐蚀破坏形式。 应力腐蚀是应力和腐蚀环境共同作用下的材料破坏形式。 应力腐蚀仅发生在特定的腐蚀环境和材料体系中，其特点是造成此种破坏的静

6、应力远低于材料的屈服强度，断裂形式为没有塑性变形的脆断，且主要由拉应力造成。以起落架的应力腐蚀为例， 飞行器的起落架结构为飞行器的主要受力结构之一， 当飞行器处于停放状态时， 起落架的轮轴受拉应力作用，可能在相应的腐蚀介质作用下发生应力腐蚀。起落架材质一般为镀铬的高强钢，铬镀层强度高、耐磨但镀层较脆，容易在飞行器起降的交变载荷作用下沿缺陷剥落而失效。2.3 发动机的高温腐蚀发动机的主要腐蚀表现形式是高温氧化腐蚀。推力大、效率高、油耗低、寿命长是航空发动机发展趋势。 只有对涡轮进口燃气温度进行提升，才能供给出需 要的增压比与流量比，实现提升推力的同时降低油耗。所以发动机涡轮叶片的抗高温腐蚀性能极

7、其关键。 对此主要可采取以下几种方法 : 保障性能前提之下，提高叶片材料本身的熔点及高温抗氧化能力；使用与基体材料亲和力更好、高温性 能更好的抗氧化保护涂层。2.4 意外腐蚀飞行器服役中还存在意外腐蚀。 这种腐蚀与飞行器的设计、 选材及运行环境无关， 完全是由人为不当操作造成。 比如机上承载强腐蚀性物质，发生泄漏而造成飞行器发生腐蚀。 通过编制详细的操作流程与有关部门加强监督管理， 并制定相应的强制性规定规， 并由专人进行负责落实便可完全避免人为因素而造成的腐蚀现象。3. 腐蚀机理和测试技术研究高强度航空材料在力学- 环境因素的交互作用下可能会发生应力腐蚀而导致灾难性的事故。 因此开展应力腐蚀

8、的测试和研究是腐蚀和防护的一项重要容。目前已经发展了一些应力腐蚀敏感性的测试标准。这些试验标准在研究新研材料和引进飞机材料的应力腐蚀性能方面发挥了重要作用。 另外也有人设计了一些非标准的应力腐蚀试验来模拟试件的服役条件， 试验的结果与实际情况符合的较好。 由于实际的应力腐蚀往往发生在大气环境中 , 所以设计了一种便携式拉伸应力腐蚀试验器 , 用于开展户外大气应力腐蚀的研究。飞机结构往往由多种材料构成 , 在一定条件下不同材料的相互接触会导致接触腐蚀和电偶腐蚀。 研究者对钢与铝合金和钛合金接触时的电偶腐蚀和防护方法进行研究 , 得到了很多对实际工程有指导价值的结论。 随着复合材料在航空产品上得到

9、应用 , 复合材料和金属材料接触时所引起的相容性问题开始得到人们的重视 , 并提出了一些防护措施。现役飞机铝合金构件的主要腐蚀形式是点腐蚀， 点蚀形成的蚀坑通常是腐蚀疲劳的裂纹的裂纹源， 航空材料的腐蚀疲劳损伤往往是在腐蚀点上的裂纹生成和扩展导致的。 点蚀形成现在比较公认的是蚀点部发生的自催化过程。 铝合金材料点蚀形成是一种自发催化闭塞电池作用的结果，蚀点不断向金属深处腐蚀， 并使在钝化过程受到抑制，由于闭塞电池的腐蚀电流使周围得到了阴极保护， 因而抑制了蚀点周围的全面腐蚀，但是加速了点蚀的迅速发展。随着腐蚀时间的延长，点蚀的深度和表面半径都在不断的增大， 相邻的蚀点会相互交错形成更大更深的蚀

10、点。4. 表面强化和防护4.1 航空发动机高温防护涂层航空发动机所用的高温防护涂层一般可分成扩散涂层和包覆涂层。目前我国已经发展出多种发动机部件所使用的镍镉扩散涂层、渗Al ，Al+Si 料浆涂层、 Pt-Al涂层、包覆型 M、Cr、Al 、X 涂层、热障涂层、抗氧化防脆化涂层、 封严涂层等 , 部分涂层进入批量生产阶段。MC r A IY涂层是一种包覆性涂层 , 它克服了传统铝化物涂层与基体之间互相制约的弱点， 进一步提高了发动机材料的抗氧化的能力。随着航空燃气轮机向高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展, 燃烧室中的燃气温度和压力不断提高, 我国开展了热障涂层（ thermalbarri

11、er coatings, 简称 TBC s)的研究。热障涂层是由瓷隔热面层和金属粘结底层组成的涂层系统。 ZrO2 是目前瓷隔热面层中研究最多的成分。热循环试验证明柱状晶组织较普通的纤维状组织具有更高的抗热疲劳性能另外我国还开展了纳米瓷热障涂层的研究。4.2 表面强化表面强化工艺技术涉及到各种金属材料 ( 钢、铝合金、钛合金、高温合金、 金属基复合材料等 ) ，对于不同的晶体结构 ( 面心立方、体心立方、密排六方 ) 有多种不同的强化方法和工艺参教；同时根据航空高强度构件外形的几何形状不同， 选择不同工艺参教和前后顺序的搭配方式。但是，所有强化工艺处理后材料都会因为塑性变形引起表层组织结构、

12、残余应力和硬度的梯度以及表面形貌等发生变化， 起到降低外加拉应力和应力集中系数的作用， 从而对耐磨性和疲劳性能产生影响。电子束表面处理是利用高能量密度的电子束对材料表面进行加工，是不同于机械加工的一种新型加工方法悄。12I ，其中电子束物理气相沉积以及电子束表面处理等在工业上的应用最为广泛。 电子束加工方法起源于德国， 经过几十年的 发展，目前全世界已有几千台设备在核工业、 航空航天工业、 精密加工业及重型 机械等工业部门应用，现已完全被工业部门所接受。电子束表面改性技术是 20 世纪 70 年代才发展起来的新技术。 电子束表面改性处理包括金属材料的表面淬 火、表面合金化、 表面清洗及熔覆、

13、薄极退火，以及半导体材料的退火和掺杂等。目前，电子束表面非晶态处理及冲击淬火等先进处理工艺的研究也已经在世界各国广泛展开。激光冲击强化 (Laser Shock Pening ，LSP)技术是一种利用激光冲击波对材料表面进行改性， 提高材料的抗疲劳、 磨损和应力腐蚀等性能的技术。目前激光冲击技术在工程中应用最广泛的领域是合金材料的表面强化，与滚压、喷丸、冷挤压等材料表面强化处理的方法相比，激光冲击强化处理具有非接触， 无热影响区和强化效果显著等突出的优点。其原理是当短脉冲 ( 十几纳秒 ) 的高峰值功率密度 ( 大于 109Wcm2)的激光辐射金属靶材时， 金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高温 ( 大于 10000K)、高压 ( 大于 1GPa)的等离子体，该等离子体受到约束层约束时产生高强度压力冲击波， 作用于金属表面并向部传播。材料表层就产生应变硬化，残留很大的压应力。激光束经过凸透镜聚焦后，功率密度可以达到 150 GWcm2，接着大部分激光能量将被涂层吸收， 能量转化成冲击波的形式， 透明物质水即所谓限制层，它将基体和基体表面的涂层包覆起来。5. 航空材料的腐蚀与防护的意义我国的腐蚀和防护研究为我国航空工业的发展做出了应有的贡献, 在腐蚀机理和测试、航空发动机高温防护涂层以及表面处理和