艦載直升機(jī)雷達(dá)罩新型腐蝕防護(hù)技術(shù)驗(yàn)證研究

曹真，崔騰飛，徐璐

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 通用技術(shù)部，景德鎮(zhèn) 333001）

引言

艦載直升機(jī)機(jī)服役區(qū)域主要分布在我沿海機(jī)場(chǎng)、航母或大型艦船上，可能會(huì)經(jīng)常轉(zhuǎn)場(chǎng)于我海軍北海、東海、南海和海向游弋的航母或艦船使用，其服役環(huán)境具有典型的海洋性氣候環(huán)境及工業(yè)大氣環(huán)境特點(diǎn)，機(jī)場(chǎng)環(huán)境總體仍具有高溫高濕、高鹽霧、風(fēng)雨天數(shù)多、氣候變化頻繁等特點(diǎn)[1，2]，并且自北向南腐蝕環(huán)境呈現(xiàn)逐漸遞增的惡劣趨勢(shì)。

隨著直升機(jī)的服役環(huán)境越來越惡劣，我們對(duì)直升機(jī)的耐蝕性也提出了更高的耐蝕性要求，腐蝕問題日益凸顯[3]。雷達(dá)罩固定在雷達(dá)安裝平臺(tái)上，外部有整流罩。雷達(dá)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，需要通過強(qiáng)制通風(fēng)吸入外部空氣對(duì)雷達(dá)降溫，這樣海上鹽霧、潮濕空氣、甚至海水會(huì)進(jìn)入到雷達(dá)罩內(nèi)部，吸附在結(jié)構(gòu)和設(shè)備表面。當(dāng)因外部環(huán)境溫度變化，或因設(shè)備工作導(dǎo)致周圍環(huán)境溫度改變時(shí)，由于結(jié)構(gòu)或設(shè)備表面溫度往往與環(huán)境溫度變化不會(huì)同步，當(dāng)表面溫度低于周圍空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，潮濕空氣會(huì)凝結(jié)為水珠，產(chǎn)生凝露[4，5]。這樣，在結(jié)構(gòu)和設(shè)備表面會(huì)出現(xiàn)含有鹽分的液膜。如果直升機(jī)經(jīng)常飛行，液膜會(huì)由于通風(fēng)作用失去水分，但鹽分等污染物會(huì)殘留在結(jié)構(gòu)或設(shè)備表面，這樣結(jié)構(gòu)或設(shè)備處于干濕交替環(huán)境中[6]。如果直升機(jī)飛行頻率低、飛行時(shí)間短，在排水不暢的結(jié)構(gòu)底部會(huì)逐漸形成積液，積液的鹽濃度也會(huì)由于積累而逐漸增高，該部分結(jié)構(gòu)會(huì)長(zhǎng)期受到腐蝕介質(zhì)的浸泡作用[7-9]。因此，為滿足艦載直升機(jī)使用要求及耐蝕要求，對(duì)比陸軍型直升機(jī)，雷達(dá)罩及雷達(dá)安裝平臺(tái)中的鋁件及鋁件連接件進(jìn)行了腐蝕防護(hù)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)改進(jìn)

1.1 腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)原則

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度和重量控制的需要，艦載直升機(jī)需選用不同材料進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的同時(shí)也面臨不同電位材料的接觸或連接，為減小外界腐蝕氣氛直接作用金屬表面產(chǎn)生腐蝕，以及避免不同電位的材料直接接觸而引起電偶腐蝕，應(yīng)對(duì)這些材料采用合理有效的表面處理和表面防護(hù)方法，零部件的表面防護(hù)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：

1）合理選用表面強(qiáng)化處理方法；

2）合理選擇鍍覆層；

3）選擇適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)涂層防護(hù)；

4）異種材料接觸腐蝕的防護(hù)。

1.2 腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)改進(jìn)方法

選取艦載直升機(jī)雷達(dá)罩局部段進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，主要針對(duì)雷達(dá)罩采用到的鋁合金板材和鋁合金連接件，具體改進(jìn)措施如表1 所示。

表1 雷達(dá)罩鋁合金板和連接件腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

2 試樣材料及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料及尺寸

選用2A12-T4 鋁合金作為試驗(yàn)材料，材料成分如表2 所示。

表2 2A12-T4 鋁合金化學(xué)成分（wt%）

選取鋁合金板及鋁合金連接件兩種形式的試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn)，試樣尺寸如圖1、圖2 所示。其中連接件選用的緊固件有兩種，托板自鎖螺母組合：螺栓A-40CrNiMoA、鉚釘B-LY10、螺母C-25 號(hào)鋼；鉚釘D-LY10。

2.2 試驗(yàn)方法

考慮艦載直升機(jī)后續(xù)使用情況，選取海軍沿海自北至南三個(gè)典型駐屯機(jī)場(chǎng)（青島、寧波和三亞），以及南海海域環(huán)境，針對(duì)不同機(jī)構(gòu)和部位，編制了一系列艦載直升機(jī)加速試驗(yàn)環(huán)境譜。由于選取的典型部位為雷達(dá)罩內(nèi)部，因此需采用內(nèi)部半封閉結(jié)構(gòu)的加速試驗(yàn)環(huán)境譜進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 鋁合金板試樣示意圖

本試驗(yàn)采用的針對(duì)鋁合金的內(nèi)部半封閉加速試驗(yàn)環(huán)境譜，其構(gòu)成如圖3 所示。共進(jìn)行周期浸潤(rùn)試驗(yàn)141.7 h（干濕交變335 次），其中每次浸泡6.8 min、烘烤18.6 min，可認(rèn)為腐蝕試驗(yàn)時(shí)間141.7 h 相當(dāng)于外場(chǎng)實(shí)際使用環(huán)境腐蝕1年的。

3 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 所示為鋁合金板Ⅰ試樣腐蝕不同周期后的宏觀形貌。從圖中可以看出腐蝕3 周期開始，表面開始出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕，腐蝕5 周期的試樣中部出現(xiàn)了較為輕微的腐蝕，但是試樣表面大部分區(qū)域保持完好，第10 周期腐蝕結(jié)束后，試樣表面腐蝕面積有所增加，但是腐蝕仍較輕微。

圖2 鋁合金連接件示意圖

圖3 內(nèi)部半封閉鋁合金加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜

圖4 鋁合金板Ⅰ試樣腐蝕不同周期后的宏觀形貌

圖5 所示為鋁合金板Ⅱ試樣腐蝕不同周期后的宏觀形貌。從圖中可以看出腐蝕5 期的試樣中部出現(xiàn)了較為輕微的腐蝕，但是試樣表面大部分區(qū)域保持完好。腐蝕到第10 周期后，試樣表面腐蝕坑明顯增多，且蝕坑周圍有白色的腐蝕產(chǎn)物。

圖6 所示為鋁件連接件Ⅰ試樣正面腐蝕不同周期后的宏觀形貌。從圖中可以看出，腐蝕3 周期后螺母墊片周圍出現(xiàn)黃色粉末和輕微紅色銹跡，涂層出現(xiàn)輕微起泡和輕微點(diǎn)蝕；腐蝕5 周期后，螺栓周圍有輕微紅色銹跡，表面出現(xiàn)輕微起泡和輕微點(diǎn)蝕；腐蝕10 周期后，螺釘周圍分布黑色點(diǎn)蝕坑，周圍有白色腐蝕產(chǎn)物，涂層表面出現(xiàn)較明顯起泡。

圖7 所示為鋁件連接件Ⅱ試樣正面腐蝕不同周期后的宏觀形貌。從圖中可以看出，腐蝕3 周期的試樣表面出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕，腐蝕5 周期后基體出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕，涂層出現(xiàn)輕微起泡，但是試樣表面大部分區(qū)域保持完好。腐蝕10 周期后，表面形貌與腐蝕5 周期相差不大。

圖5 鋁合金板Ⅱ試樣腐蝕不同周期后的宏觀形貌

圖6 鋁件連接件Ⅰ試樣正面腐蝕不同周期后的宏觀形貌

圖7 鋁件連接件Ⅱ試樣正面腐蝕不同周期后的宏觀形貌

圖8 所示為鋁件連接件Ⅲ試樣正面腐蝕不同周期后的宏觀形貌。從圖中可以看出，腐蝕3 周期的試樣表面無明顯腐蝕，腐蝕5 周期后基體出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕，涂層出現(xiàn)輕微起泡。后5 周期的腐蝕后，試樣表面形貌變化不大。

鋁合金板Ⅰ、鋁板鋁板Ⅱ、鋁合金連接件Ⅰ、鋁合金連接件Ⅱ、鋁合金連接件Ⅲ，5 種試驗(yàn)件加速腐蝕10周期過程中，表面的形貌變化見表3。

圖8 鋁件連接件Ⅲ試樣正面腐蝕不同周期后的宏觀形貌

表3 試驗(yàn)件加速腐蝕試驗(yàn)10 個(gè)周期腐蝕外觀情況統(tǒng)計(jì)

4 試驗(yàn)件腐蝕損傷測(cè)量

在加速腐蝕10 個(gè)日歷年后，對(duì)5 種典型結(jié)構(gòu)件試驗(yàn)件進(jìn)行表面清洗和腐蝕產(chǎn)物清除，利用KH-7700 三維顯微鏡，根據(jù)其腐蝕情況，選擇合適的放大倍數(shù)，對(duì)其中腐蝕情況進(jìn)行了拍照、檢測(cè)分析和記錄。

4.1 2A12 鋁板Ⅰ

在加速腐蝕10 個(gè)日歷年后，2A12 鋁板Ⅰ的表面涂層發(fā)生多處點(diǎn)蝕聚集現(xiàn)象。清除表面腐蝕產(chǎn)物后，經(jīng)KH-7700 三維顯微鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，表面存在點(diǎn)蝕坑。對(duì)點(diǎn)蝕明顯的區(qū)域腐蝕坑深度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其中最大腐蝕點(diǎn)（坑）的深度為9.335 μm。最大腐蝕點(diǎn)（坑）的形貌觀測(cè)結(jié)果及尺寸測(cè)量如圖9 所示。

2A12 鋁板Ⅰ中，從加速腐蝕試驗(yàn)第3年開始，表面開始出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕；加速腐蝕試驗(yàn)第5年開始，表面開始出現(xiàn)輕微起泡；直至加速腐蝕試驗(yàn)到第10年時(shí)，表面起泡及點(diǎn)蝕的數(shù)量和直徑略有增加，但腐蝕情況不嚴(yán)重，最大腐蝕點(diǎn)深度為9.335 μm。

4.2 2A12 鋁板Ⅱ

在加速腐蝕10 個(gè)日歷年后，2A12 鋁板Ⅱ的表面涂層有多處點(diǎn)蝕現(xiàn)象。清除表面腐蝕產(chǎn)物后，經(jīng)KH-7700三維顯微鏡對(duì)點(diǎn)蝕明顯的區(qū)域腐蝕坑深度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其中最大腐蝕點(diǎn)（坑）的深度為13.423 μm。最大腐蝕點(diǎn)（坑）的形貌觀測(cè)結(jié)果及尺寸測(cè)量如圖10 所示。

圖9 2A12 鋁板Ⅰ腐蝕檢測(cè)形貌圖

圖10 2A12 鋁板Ⅱ腐蝕檢測(cè)形貌圖

2A12 鋁板Ⅱ中，從加速腐蝕試驗(yàn)第2年開始，1 件試件表面開始出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕；從加速腐蝕試驗(yàn)第5年開始，試件表面均開始出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕；從加速腐蝕試驗(yàn)到第6年開始，表面點(diǎn)蝕數(shù)量有一定程度的增加，但分布較為均勻；直至加速腐蝕試驗(yàn)到第10年時(shí)，表面點(diǎn)蝕的數(shù)量和直徑持續(xù)增加，但腐蝕情況不嚴(yán)重，最大腐蝕點(diǎn)深度為13.423 μm。

4.3 鋁件連接件Ⅰ

在加速腐蝕10 個(gè)日歷年后，鋁件連接件Ⅰ的基體表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕，涂層出現(xiàn)明顯起泡。清除表面腐蝕產(chǎn)物后，經(jīng)KH-7700 三維顯微鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其中最大腐蝕點(diǎn)（坑）的深度為89.043 μm。最大腐蝕點(diǎn)（坑）的形貌觀測(cè)結(jié)果及尺寸測(cè)量如圖11 所示。

圖11 鋁件連接件Ⅰ腐蝕檢測(cè)形貌圖

鋁件連接件Ⅰ中，從加速腐蝕試驗(yàn)第1年開始，螺母墊片周圍有黃色粉末，未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；從加速腐蝕試驗(yàn)到第2年開始，涂層開始出現(xiàn)輕微起泡；從加速腐蝕試驗(yàn)到第3年開始，螺母墊片周圍出現(xiàn)黃色和白色粉末，螺母墊片附近部位出現(xiàn)點(diǎn)蝕，目視呈灰黑色；在加速腐蝕試驗(yàn)到第10年時(shí)，螺母墊片附近部位的點(diǎn)蝕發(fā)生擴(kuò)散，但是數(shù)量明顯增多，最大腐蝕點(diǎn)深度為89.043 μm。

4.4 鋁件連接件Ⅱ

在加速腐蝕10 個(gè)日歷年后，鋁件連接件Ⅱ的基體表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕，涂層出現(xiàn)明顯起泡。清除表面腐蝕產(chǎn)物后，經(jīng)KH-7700 三維顯微鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其中最大腐蝕點(diǎn)（坑）的深度為48.424μm。最大腐蝕點(diǎn)（坑）的形貌觀測(cè)結(jié)果及尺寸測(cè)量如圖12 所示。

鋁件連接件Ⅱ中，從加速腐蝕試驗(yàn)到第3年開始，螺母墊片周圍開始出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕；從加速腐蝕試驗(yàn)到第4年開始，涂層邊緣出現(xiàn)輕微起泡；直至加速腐蝕試驗(yàn)到第10年時(shí)，涂層邊緣起泡略有加劇，螺母墊片附近部位有明顯的黑色腐蝕坑，最大腐蝕點(diǎn)深度為48.424μm。

4.5 鋁件連接件Ⅲ

在加速腐蝕10 個(gè)日歷年后，鋁件連接件Ⅲ的基體表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕，涂層出現(xiàn)明顯起泡。清除表面腐蝕產(chǎn)物后，經(jīng)KH-7700 三維顯微鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其中最大腐蝕點(diǎn)（坑）的深度為44.875μm。最大腐蝕點(diǎn)（坑）的形貌觀測(cè)結(jié)果及尺寸測(cè)量如圖13 所示。

鋁件連接件Ⅲ中，從加速腐蝕試驗(yàn)到第4年開始，涂層邊緣出現(xiàn)輕微起泡，螺母墊片周圍開始出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕；直至加速腐蝕試驗(yàn)到第10年時(shí)，涂層邊緣起泡略有加劇，螺母墊片附近部位有明顯的黑色腐蝕坑，最大腐蝕點(diǎn)深度為44.875μm。

圖12 鋁件連接件Ⅱ腐蝕檢測(cè)形貌圖

圖13 鋁件連接件Ⅲ腐蝕檢測(cè)形貌圖

5 試驗(yàn)結(jié)果說明及建議

1）本次試驗(yàn)采用的是海軍多個(gè)機(jī)場(chǎng)、典型海域綜合環(huán)境譜進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)，反映的是海軍艦載直升機(jī)服役環(huán)境較為嚴(yán)酷的海洋性氣候腐蝕環(huán)境。鋁合金在此環(huán)境下有會(huì)發(fā)生較為明顯的腐蝕。

2）鋁合金板表面未經(jīng)過表面處理改進(jìn)前，經(jīng)過10周期加速腐蝕后，表面較多黑色點(diǎn)蝕坑，蝕坑周圍有白色腐蝕產(chǎn)物。改進(jìn)后，經(jīng)過10 周期的加速腐蝕后，表面金出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕和輕微起泡。用微弧氧化工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉻酸陽極化是一種有效的改進(jìn)手段。

3）鋁合金連接件采用螺栓連接，經(jīng)過10 周期腐蝕后，腐蝕較為嚴(yán)重，螺釘周圍分布黑色點(diǎn)蝕坑，周圍有白色腐蝕產(chǎn)物，涂層表面出現(xiàn)較明顯起泡。采用鉚接后，經(jīng)過10 周期腐蝕，僅涂層出現(xiàn)輕微起泡。鉚接代替螺接能很好的提高結(jié)構(gòu)的耐蝕性，必要時(shí)能對(duì)鉚接部位進(jìn)行涂緩蝕劑處理，效果更好。