宋健，崔騰飛，彭望舒，馮晨旭，張昕宇

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

引言

直升機(jī)在服役期間會(huì)在各種復(fù)雜的環(huán)境中飛行，機(jī)上的金屬材料會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，尤其是在潮濕、含鹽量高的環(huán)境中，若是沒有較強(qiáng)的防腐蝕能力，在服役過程中會(huì)出現(xiàn)腐蝕失效，對(duì)于直升機(jī)機(jī)載產(chǎn)品來說，腐蝕問題會(huì)影響其性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響直升機(jī)的飛行安全，顯著降低服役期限[1]。要想降低腐蝕問題所帶來的安全隱患，盡量減少直升機(jī)腐蝕維護(hù)所耗費(fèi)的人力、物力及財(cái)力，關(guān)鍵在于通過鹽霧試驗(yàn)和性能檢測(cè)對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)軍用直升機(jī)領(lǐng)域通常以GJB 150系列的試驗(yàn)方法來考核裝備的耐腐蝕能力，此標(biāo)準(zhǔn)中的鹽霧試驗(yàn)方法屬于加速試驗(yàn)，能夠模擬裝備在全壽命周期內(nèi)遭受的腐蝕[2]。

軍用直升機(jī)機(jī)載產(chǎn)品主要按照GJB 150系列標(biāo)準(zhǔn)的要求開展鹽霧試驗(yàn)，鹽霧試驗(yàn)的鹽溶液濃度、pH、鹽霧沉降率及噴霧方式等參數(shù)會(huì)直接影響試驗(yàn)結(jié)果[3,4]，因此科研人員需要根據(jù)產(chǎn)品服役環(huán)境對(duì)鹽霧試驗(yàn)條件進(jìn)行剪裁，盡可能地模擬機(jī)載產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)的腐蝕環(huán)境。

本文探究了試驗(yàn)條件對(duì)鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的影響，為機(jī)載產(chǎn)品鹽霧試驗(yàn)條件的裁剪提供理論支持，有助于直升機(jī)環(huán)境適應(yīng)性工作的開展，從而篩選出耐蝕性更好的機(jī)載產(chǎn)品。

1 鹽霧腐蝕機(jī)理

鹽霧之所以對(duì)金屬材料有較強(qiáng)的腐蝕作用，原因有兩點(diǎn)：一是鹽霧中的鹽在水中電離，在金屬材料表面沉積的溶液有較大的電導(dǎo)率，能夠形成腐蝕原電池，加速材料的腐蝕過程；二是半徑小的Cl-具有很強(qiáng)的穿透力和吸附能力，容易與表面氧化膜發(fā)生反應(yīng)，搶占氧化膜中[O]的位置，形成可溶性氯化物，加速了氧化膜中缺陷的形成，減弱氧化膜對(duì)基體金屬的保護(hù)作用。

當(dāng)金屬材料表面存在連續(xù)的液膜時(shí)，其表面就會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)陽(yáng)極溶解，反應(yīng)過程如下[5]：①電極電位低的區(qū)域的金屬原子脫離晶格，吸附在材料表面，然后發(fā)生氧化反應(yīng)：Me晶格→Me吸附，Me吸附→Men++ne-，Men+可以溶解于溶液中，e-在金屬基體傳導(dǎo)；②金屬表面電極電位高的區(qū)域發(fā)生陰極反應(yīng)，溶液中的氧在金屬表面與e-結(jié)合：O2+2H2O+4e-→ 4OH-，若是在酸性鹽霧試驗(yàn)中，還會(huì)存在氫離子被還原生成氫氣的反應(yīng)：2H++2e-→H2；③溶液中部分Men+和OH-發(fā)生反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物。電化學(xué)腐蝕機(jī)理如圖1所示。

圖1 金屬表面腐蝕電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理圖

2 產(chǎn)品中的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)異種材料接觸時(shí)，兩種材料在鹽溶液中腐蝕電位不同，耐蝕性差的材料上主要發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)，此處金屬材料逐漸被腐蝕，耐蝕性好的材料上發(fā)生陰極反應(yīng)；當(dāng)金屬材料表面存在縫隙或出現(xiàn)較深蝕坑，縫隙處溶液擴(kuò)散較慢，此區(qū)域的金屬表面氧氣得不到補(bǔ)充而維持較低濃度，因此縫隙處主要發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)，產(chǎn)生的陽(yáng)離子還會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，使縫隙處溶液中的H+濃度升高，溶液腐蝕性進(jìn)一步增強(qiáng)，非縫隙處金屬表面溶液中氧氣能夠得到補(bǔ)充，此處主要發(fā)生陰極反應(yīng)生成OH-[6]。

在上述兩種情況中，陽(yáng)極溶解反應(yīng)和陰極反應(yīng)在耦合作用下會(huì)形成腐蝕原電池，加快金屬的腐蝕過程。機(jī)載產(chǎn)品表面的縫隙處或異種金屬的連接處都是腐蝕薄弱點(diǎn)，需要進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。

3 影響鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件會(huì)影響鹽霧試驗(yàn)結(jié)果，多數(shù)試驗(yàn)條件與試驗(yàn)結(jié)果也不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，通過分析試驗(yàn)條件變化對(duì)腐蝕機(jī)理和電化學(xué)反應(yīng)過程的影響，探究鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的變化情況。

3.1 鹽溶液的濃度

當(dāng)鹽濃度較低時(shí)，隨著鹽濃度的增加，溶液的電導(dǎo)率增加，加快了物質(zhì)交換過程，同時(shí)Cl-濃度的升高會(huì)加速對(duì)氧化膜的侵蝕，因此金屬的腐蝕速率變大。唐毅等人對(duì)元器件進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，探究了不同鹽溶液濃度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，如表1所示，在一定濃度范圍內(nèi)元器件表面腐蝕面積隨鹽濃度升高而變大[7]。當(dāng)鹽濃度較高時(shí)，隨著鹽濃度增加，氧氣在溶液中的溶解度降低，電化學(xué)反應(yīng)過程因缺少去極化劑而變慢，金屬的腐蝕速率變小[8]。

表1 鹽濃度變化與鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系[7]

鹽濃度為5 %是鋼、鎳、黃銅等金屬材料腐蝕速率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)鹽霧的腐蝕性較強(qiáng)，如果離子濃度繼續(xù)升高，溶液中的O2濃度就會(huì)降低，溶液的腐蝕性會(huì)減弱，鹽霧試驗(yàn)對(duì)材料耐蝕性能的考核將達(dá)不到預(yù)期，因此鹽溶液濃度選在5 %效果比較好。

3.2 鹽溶液pH

目前，我國(guó)較多型號(hào)直升機(jī)主要采用GJB 150系列標(biāo)準(zhǔn)中的中性鹽霧方法開展鹽霧試驗(yàn)，用以評(píng)價(jià)機(jī)載產(chǎn)品抵抗鹽霧環(huán)境能力。但由于任務(wù)需要，直升機(jī)需要在艦面上停放、起飛和降落，艦船動(dòng)力裝置排放的燃燒廢氣以及直升機(jī)起飛、降落排放的尾氣與海洋大氣會(huì)形成酸性鹽霧氣氛，美軍研究中心已證實(shí)停放在甲板上的飛機(jī)表面的液膜具有較低的pH（約2.4～4.0）[9,10]。

溶液pH對(duì)于鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的影響較大。鹽霧溶液的pH越低，溶液的酸性越強(qiáng)，作為電化學(xué)反應(yīng)過程中去極化劑的H+濃度越高，腐蝕反應(yīng)的活化過程更容易，與此同時(shí)酸性鹽霧較中性鹽霧會(huì)對(duì)金屬材料表面氧化膜有更強(qiáng)的侵蝕作用，加速了陽(yáng)極溶解過程，因此酸性鹽霧試驗(yàn)的條件更嚴(yán)苛[11,12]。錢建才等人研究了經(jīng)表面處理后的鋁合金在鹽霧試驗(yàn)中的腐蝕性能，從試驗(yàn)結(jié)果可知，試樣經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)后出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象，在酸性鹽霧試驗(yàn)中的試樣腐蝕更嚴(yán)重，如圖2所示[13]。

圖2 2A12鋁合金在不同鹽霧試驗(yàn)中的腐蝕情況[13]

3.3 鹽霧沉降率

鹽霧顆粒的直徑越小，總的表面積就越大，鹽霧與空氣接觸越充分，能吸收較多的氧氣，所形成的液膜腐蝕性越強(qiáng)。當(dāng)直徑在1 μm以下時(shí)，鹽霧顆粒表面所吸附的氧氣量與顆粒中氧氣的溶解量達(dá)到平衡，即使鹽霧顆粒直徑繼續(xù)變小，鹽霧中的氧氣含量將不會(huì)變多，液膜腐蝕性也不再增強(qiáng)。

如果試樣表面的液膜是靜止的，液膜中的氧氣濃度會(huì)因?yàn)榘l(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而降低，此時(shí)金屬的腐蝕過程受氧擴(kuò)散過程影響，反應(yīng)會(huì)變慢。隨著鹽霧沉降率的增加，液膜更新速度變快，液膜中的氧氣得到補(bǔ)充，加速了腐蝕過程；當(dāng)金屬表面液膜繼續(xù)變厚，氧擴(kuò)散的距離增加，氧氣分子更難到達(dá)金屬表面，腐蝕速度反而會(huì)降低。隨著鹽霧沉降率從小變大，金屬材料的腐蝕速率先緩慢增大并趨于穩(wěn)定，然后腐蝕速率逐漸變小。胡濱等人探究了表面鍍鋅產(chǎn)品在中性鹽霧試驗(yàn)中不同條件下的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)試樣表面腐蝕面積隨沉降量增加而變大[14]。因此，直升機(jī)機(jī)載產(chǎn)品進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)前需要取適當(dāng)?shù)某两德剩ＷC機(jī)載產(chǎn)品具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力。

表2 鹽霧沉降率與鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系[14]

3.4 噴霧方式

鹽霧試驗(yàn)的噴霧方式分為連續(xù)性噴霧和周期性噴霧（干濕循環(huán)鹽霧試驗(yàn)）兩種。連續(xù)性噴霧可使金屬表面一直保持濕潤(rùn)，連續(xù)性噴霧的試驗(yàn)條件比較穩(wěn)定，而且容易控制，目前一些航空設(shè)備采用連續(xù)性噴霧的考核方式。周期性噴霧可使金屬表面有周期性的干濕交替，金屬表面在一個(gè)周期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷濕、潮、干三個(gè)階段，如圖3所示。

圖3 干濕循環(huán)鹽霧試驗(yàn)材料表面液膜狀態(tài)

腐蝕反應(yīng)實(shí)際上是溶液中的O2與金屬原子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因此鹽霧的腐蝕性與溶液內(nèi)氧的含量及擴(kuò)散速度等因素有關(guān)，而噴霧方式會(huì)影響材料表面液膜中氧氣的含量和擴(kuò)散速度。當(dāng)噴霧方式為連續(xù)性噴霧時(shí)，金屬表面的液膜雖然能夠得到更新，但液膜會(huì)比較厚，金屬表面的氧消耗完后，新補(bǔ)充的氧氣需要通過擴(kuò)散到達(dá)金屬表面，然后才能發(fā)生腐蝕反應(yīng)，如圖3中噴霧階段所示，較厚的液膜會(huì)使電化學(xué)反應(yīng)速率變慢。當(dāng)噴霧方式為周期性噴霧時(shí)，金屬表面在一個(gè)周期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷濕、潮、干，在干燥階段，金屬表面液膜變薄，O2擴(kuò)散到金屬表面的時(shí)間變短，被腐蝕反應(yīng)消耗掉的O2能較快得到補(bǔ)充，金屬表面氧濃度可以維持較高的水平，具有更大的潛在破壞性，同時(shí)這種周期循環(huán)模式比連續(xù)性噴霧方法更接近真實(shí)暴露情況。

4 結(jié)論

機(jī)載產(chǎn)品中異種金屬連接處或縫隙處是易腐蝕部位，尤其是在高濕、高鹽的海洋大氣環(huán)境中，在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這些因素，需要對(duì)易腐蝕部位進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。

鹽霧試驗(yàn)條件的變化會(huì)對(duì)機(jī)載產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，但不同條件對(duì)材料腐蝕反應(yīng)的影響機(jī)制不同，在進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)前要根據(jù)機(jī)載產(chǎn)品的服役環(huán)境對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行剪裁，如艦載直升機(jī)機(jī)載產(chǎn)品可開展酸性鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行考核。選擇合適的試驗(yàn)條件對(duì)于機(jī)載產(chǎn)品的質(zhì)量控制具有重要意義，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的缺陷，優(yōu)化改進(jìn)，提高機(jī)載產(chǎn)品的耐蝕能力。