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1、第13章 机电装备的腐蚀与控制13.1 航空器的腐蚀与控制13.1.1 航空器及其结构特点13.1.1.1航空器的种类 航空器属于飞行器中的一种。所谓飞行器是指所有能离开地面，在大气层内或空间飞行的器械的总称。以不同的飞行环境、飞行原理为依据，飞行器可分为三大类：航空器、航天器、火箭和导弹。图13.1飞行器分类图 在大气层内飞行的飞行器称为航空器，如气球、飞艇、飞机、直升机等。在大气层外飞行的飞行器称为航天器，如人造地球卫星、航天飞船、航天飞机、行星探测器等。火箭是指以火箭发动机为动力的飞行器，如探空火箭、地球物理火箭等，而导弹既有主要在大气层之外飞行的如远程弹道导弹，也有装有翼面在大气层之内
2、飞行的如空空导弹、巡航导弹等。航空器属于航空研究领域，而航天器、火箭与导弹则通常归于航天研究领域。飞行器分类如图13.1所示。 飞机是飞行器中品种最多、用途最广、数量最大、服役状态最复杂，失效事故最严重的飞行群。 飞机根据不同情况，可按用途、构造特点、布局状况、质量大小、速度范围、适航要求等来分类。 1按用途分类:可将飞机分为两大类，即军用飞机和民用飞机。军用飞机又可主要分为歼击机、轰炸机、运输机、侦察机、预警机、教练机、舰载机等，而民用飞机的分类如图 13.2所示。军用和民用飞机中均还有在水上起降的水上飞机。2. 按适航要求分类：该分类方法用于航空器签证方面，是指根据航空器的预期使用或使用限
3、制所进行的分类。可分为运输、普通、通用、特技、特殊用途、限用和临时使用的飞机等。图13.2 民用飞机按用途分类由于飞机、直升机及其动力装置的腐蚀与控制问题是航空领域倍受关注的重要问题，因此本书仅讨论飞机、直升机和航空发动机的腐蚀与控制问题。为了便于读者更好地认识飞机和航空发动机的腐蚀特点，下面首先对飞机和航空发动机的结构作简要介绍。13.1.1.2飞机的典型结构除极少数特殊型式外，大多数飞机都是由机身、机翼、尾翼、起落装置和动力装置等五个主要部分组成的。图13.3给出了法国“阵风”战斗机的主要组成部分。图13.3 法国“阵风”单座战斗机1-前缘缝翼；2-主起落架；3-副油箱；4-铝锂翼身连接板
4、；6-机炮；7-右册进气道口；8-前起落架；9-前鸭翼；10-机翼多梁结构，整体油箱；11-机翼碳纤维复合材料蒙皮；12-垂直安定面碳纤维蒙皮；13-方向舵复合材料结构；14-垂直安定面铝锂附件接头；15-内外侧升降副翼（蜂窝芯子结构）机身常分为前机身和后机身。对大型飞机而言，机身还可分为机头、前机身、机身中段、后机身、机身尾段。机翼常细分为中翼、中外翼、外翼和翼尖。机翼是飞机借以产生升力并协同尾翼作飞行姿态控制的重要部件。传统飞机主要使用金属结构材料，而现代飞机则大量使用复合材料，乃至各种智能材料。13.1.1.3 航空发动机简介航空发动机是飞机的心脏，其类型包括活塞式发动机、火箭式发动机和
5、空气喷气发动机。空气喷气发动机又分为冲压式喷气发动机和燃气涡轮发动机。目前使用最多的是燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机主要包括涡轮喷气、涡轮螺旋桨、涡轮轴、涡轮风扇等发动机，其中以涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机应用范围最广。下面仅以涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机为例，说明发动机的基本结构和工作原理。图13.4 涡轮喷气发动机示意图1-进气道；2-压气机；3-燃烧室；4-涡轮；5-尾喷管图13.4为涡轮喷气发动机的示意图。它由进气道1、压气机2、燃烧室3、涡轮4、尾喷管5等部件组成。空气是涡轮喷气发动机的工作介质，进气道用来将外界的空气引进发动机内。压气机是专门用来使空气增压的部件。因为只有在高压
6、下加入热量而在低压下放出热量所组成的热力循环才能获得机械功。因此，在喷入燃油进行燃烧前，必须先提高工作介质(空气)的压力。气流从压气机流过时，压气机工作叶片对气流作功，使气流的压力、温度升高。从压气机流出的高压空气，在燃烧室中和喷入的燃油混合、燃烧，成为具有很大能量的高温高压燃气。燃烧室是使燃油燃烧放出热能而对空气加热的部件。从燃烧室流出的高温高压燃气，流入与压气机装在同一轴上(或两根轴连接在一起)的涡轮。燃气的部分热焓，在涡轮中转变为机械能，带动压气机旋转。燃气在涡轮中的膨胀比远小于压气机中的增压比，所以涡轮出口处气流的压力和温度，都比压气机进口高得多。从涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中
7、继续膨胀，以高速沿发动机轴向从喷口向外喷出，这一速度比气流进入发动机的速度要大得多，使发动机获得了反作用推力，此力即飞机需要获得的推动力。带有加力燃烧室的涡轮喷气发动机的示意图。为了进一步提高涡轮后燃气的温度，可在涡轮后增添加力燃烧室，在加力燃烧室中再一次喷人燃油燃烧，这样气流在尾喷管中膨胀时，排气速度将更大，发动机推力也进一步增大。这种发动机称为复燃加力式涡轮喷气发动机，或简称为加力式涡轮喷气发动机。图13.5 涡轮风扇发动机示意图1-进气道；2-压气机；3-燃烧室；4-涡轮；5-风扇；6-尾喷管图13.5所示为涡轮风扇发动机的示意图。图中的2、3、4分别为压气机、燃烧室和涡轮，组成燃气发生
8、器。在燃气发生器的涡轮后面，增加一级或几级涡轮，和风扇5相连接。在前风扇后，气流分为两路：第一路(或称为内涵道)气流在前风扇后流人燃气发生器；第二路(或称为外涵道)气流在前风扇后流经燃气发生器周围的气流通道。流过第二路的空气流量和流过第一路的空气流量之比，称为涵道比。两股气流可以分别排出或混和后排出。由于第一路的气流要在燃气发生器后面的涡轮中继续膨胀以带动风扇，气流的温度压力要进一步降低，会使第一路的排气速度减小，推力减小。但是由于燃气发生器的一部分能量通过涡轮传给风扇，使流过第二路的气流的压力升高，流过涡轮风扇发动机的总的空气流量增大，这第二路气流在外涵管道中膨胀，也产生推力。发动机的推力是
9、这两部分推力之和。这种发动机由于它的经济性好，已成为目前高亚音速运输机用发动机的基本形式。涡轮风扇发动机也可以带有加力燃烧室，称为加力式涡轮风扇发动机。图13.6 压气机转子叶片的几种安装方法通过上述介绍可以看出，压气机、燃烧室和涡轮是发动机的核心，而压气机和涡轮又是出现失效事故最多的部件。图13.6给出了压气机转子叶片与压气机盘的几种连接方式，而涡轮则多以枞树型榫头和盘榫槽连接。13.1.1.4 航空器受载与结构特点航空器的腐蚀破坏除与环境条件有重要关系外，还与其受力状况和结构特点密不可分。表13.1给出了飞机的主要受载情况。表13.1 飞机主要受载情况分 类受 载 情 况飞行载荷平衡机动，
10、俯仰机动，对称垂直突风，鸟撞滚转机动，不对称垂直突风，偏航机动，发动机失效偏航，横向突风，发动机扭矩，发动机侧向、陀螺力矩，增压舱着陆载荷水平最大垂直，水平最大起转，水平最大回弹，尾沉着陆，单轮着陆，侧向载荷，回跳着陆，应急着陆地面操作载荷飞滑跑，滑行刹车，倒行刹车，转弯，侧偏，回转，牵引，千斤顶水载荷着水，起飞航空器设计为了达到高性能、长寿命、高可靠性和适修性，采用了一切先进的结构技术，以保证航空结构的轻（低重量）、强（强度高）和刚（刚性好）。由此使得飞机结构表现出如下的特点：（1）设计安全系数小，结构大都承受很大载荷。由此易促进应力作用下腐蚀破坏的发生。（2）比强度高材料的普遍应用，使耐蚀
11、性能降低。为了减轻重量，飞机绝大部分结构材料选用比强度高的铝合金、钛合金、镁合金、超高强度钢等，这些材料要么耐蚀性低，要么对应力作用下的腐蚀敏感。（3）飞机大部分为薄壁结构，面积大、厚度小，轻微腐蚀便对结构强度有很大的影响。（4）为充分利用各种材料的性能，飞机使用的材料品种多，异类金属材料接触易因电偶作用而产生电偶（接触）加速腐蚀。（5）为求结构的“轻、强、刚”组合，并充分利用有限空间，飞机构造比较复杂，内部不开敞，通分不良，易引起水分积聚，促进腐蚀。13.1.2航空器腐蚀环境及特点飞机等航空器结构的腐蚀是构件在使用环境中随着时间的推移而发生的化学或电化学累积性损伤，由飞机的使用环境（外因）和
12、飞机自身耐蚀性特点（内因）所决定。由于航空器无论在飞行中还是地面放置时均有遭受腐蚀侵害的可能，因此与腐蚀相关的航空器的使用环境包括飞行环境和停放环境。民用飞机的停放期约占其日历寿命的70%，而军机的停放期则占其日历寿命的90%以上。飞机的使用环境表现出下述若干特点。（1）复杂的气候条件：无论军用飞机还是民用飞机，均经受风吹、日晒、雨淋、雪打和夜露等外部环境的作用。尤其象我国海岸线长，沿海地域辽阔，大部分地处热带、亚热带、温带，气候普遍潮湿。民用航空四通八达，民机会遇到世界各地复杂的气候环境。（2）苛刻的大气环境：飞机飞行时常经过工业区上空，而工业区上空聚集有大量的腐蚀性物质，如SO2、H2S、
13、Cl2、HCl、NO2、NH3、CO、CO2等腐蚀性气体，以及NaCl、CaCO3、氧化物等腐蚀性固体颗粒，由此导致工业大气区的雨水和露水的酸度值（pH）可达4.0，较一般农村大气环境（pH6.5）腐蚀性明显增加。海洋上空及沿海地区上空聚集有含盐水蒸汽，腐蚀性很强，如果再有污染性大气的联合作用，腐蚀性则更为苛刻。此外，在雨水中飞行的飞机外壳还遭受雨水的冲刷侵蚀。（3）较大的温差变化：飞机在飞行时，从地面到高空，温度可从40剧降到零下50（一万米高空），爬高下降过程温度变化很快；机场停放时，日夜温差很大。上述较大的温差变化易使潮气在飞机内外表面凝结水膜，内部积聚水分。（4）局部高温环境：飞机许多
14、零、部件要在高温下工作。不仅动力系统如燃气涡轮发动机燃烧室、涡轮盘、导向叶片（高于900），活塞式发动机气缸活塞、排气管（900左右）在高温下工作，超音速飞行因气流加热，机体表面温度也明显升高。例如在30km高空，当马赫数为3时，机体表面温度可达300，马赫数为5时，可达900。此外，靠近发动机部位以及军用飞机炮舱部位，机体结构也在较高温度下工作。（5）其他特殊的腐蚀因素：对水上飞机、舰载飞机和直升飞机，与海水经常接触；对于民用客机，在厨房、厕所等特殊舱内，环境湿度大，生活水、污水等难免外溢或溅到飞机舱壁或地板；空运牲畜和海鲜产品造成飞机货舱较强的腐蚀环境（如牲畜饲料和排泄物、海盐、微生物等）
15、；飞机在起降过程中，地面上卷起的含盐、碱沙土，冲刷和加速起落架及机体的腐蚀；飞机上仪表中水银（Hg）、零部件上的低熔点金属材料等则可能引起飞机零、部件液态金属腐蚀或低熔点金属致脆破坏；飞机零、部件在加工过程中因接触切削液、除油剂、酸洗液、电镀液、清洗剂，甚至手汗等，均会导致腐蚀产生，尤其是高强度钢和钛合金等零构件，在这些腐蚀过程中还会因基体吸氢而构成氢脆隐患。腐蚀环境通常是指结构件所遭受的介质、温度、湿度、应力和时间等的联合作用的环境条件。通常按涉及的范围大小将航空器的腐蚀环境分为三种类型：（1）总体环境，即整机所处的外部大环境，多为自然环境；（2）局部环境，即航空器不同部位、不同部件、不同组
16、合件所处的特殊工况条件环境；（3）细节环境（或具体环境），指影响仅涉及结构细节设计范围或某个零部件的具体部位所承受的腐蚀环境条件，如接头、接触面等。细节环境常常直接影响航空器结构的腐蚀行为，而总体环境、局部环境对细节环境则有重要影响。另外，航空器的零部件在加工过程中，也会引入腐蚀破坏隐患，如酸洗、电镀过程中工件基体析氢，则会造成氢脆隐患。13.1.2.1 航空器的总体环境除水上飞机和舰载飞机外，无论军机还是民机，其总体环境一般均为大气。具体影响因素包括：大气湿度、降雨量、风、雾、雪、凝露、温度、盐分、工业污染量、灰尘、太阳辐射等。不同地区，大气状况不同，对航空器的腐蚀情况也有明显的差异。如某一型号的直升机使用的发动机，在美国本土服役时，涡轮叶
