鹽霧試驗條件對直升機機載產(chǎn)品試驗結(jié)果的影響

宋健，崔騰飛，彭望舒，馮晨旭，張昕宇

（中國直升機設(shè)計研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

引言

直升機在服役期間會在各種復(fù)雜的環(huán)境中飛行，機上的金屬材料會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，尤其是在潮濕、含鹽量高的環(huán)境中，若是沒有較強的防腐蝕能力，在服役過程中會出現(xiàn)腐蝕失效，對于直升機機載產(chǎn)品來說，腐蝕問題會影響其性能，嚴(yán)重時會影響直升機的飛行安全，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，盡量減少直升機腐蝕維護所耗費的人力、物力及財力，關(guān)鍵在于通過鹽霧試驗和性能檢測對相關(guān)產(chǎn)品進行環(huán)境適應(yīng)性驗證。國內(nèi)軍用直升機領(lǐng)域通常以GJB 150系列的試驗方法來考核裝備的耐腐蝕能力，此標(biāo)準(zhǔn)中的鹽霧試驗方法屬于加速試驗，能夠模擬裝備在全壽命周期內(nèi)遭受的腐蝕[2]。

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

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

1 鹽霧腐蝕機理

鹽霧之所以對金屬材料有較強的腐蝕作用，原因有兩點：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，減弱氧化膜對基體金屬的保護作用。

當(dāng)金屬材料表面存在連續(xù)的液膜時，其表面就會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)陽極溶解，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中，還會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)腐蝕機理如圖1所示。

圖1 金屬表面腐蝕電化學(xué)反應(yīng)機理圖

2 產(chǎn)品中的腐蝕風(fēng)險

當(dāng)異種材料接觸時，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，縫隙處溶液擴散較慢，此區(qū)域的金屬表面氧氣得不到補充而維持較低濃度，因此縫隙處主要發(fā)生陽極溶解反應(yīng)，產(chǎn)生的陽離子還會發(fā)生水解反應(yīng)，使縫隙處溶液中的H+濃度升高，溶液腐蝕性進一步增強，非縫隙處金屬表面溶液中氧氣能夠得到補充，此處主要發(fā)生陰極反應(yīng)生成OH-[6]。

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

3 影響鹽霧試驗結(jié)果的試驗條件

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

3.1 鹽溶液的濃度

當(dāng)鹽濃度較低時，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Cl-濃度的升高會加速對氧化膜的侵蝕，因此金屬的腐蝕速率變大。唐毅等人對元器件進行鹽霧試驗，探究了不同鹽溶液濃度對試驗結(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，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，此時鹽霧的腐蝕性較強，如果離子濃度繼續(xù)升高，溶液中的O2濃度就會降低，溶液的腐蝕性會減弱，鹽霧試驗對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，我國較多型號直升機主要采用GJB 150系列標(biāo)準(zhǔn)中的中性鹽霧方法開展鹽霧試驗，用以評價機載產(chǎn)品抵抗鹽霧環(huán)境能力。但由于任務(wù)需要，直升機需要在艦面上停放、起飛和降落，艦船動力裝置排放的燃燒廢氣以及直升機起飛、降落排放的尾氣與海洋大氣會形成酸性鹽霧氣氛，美軍研究中心已證實停放在甲板上的飛機表面的液膜具有較低的pH（約2.4～4.0）[9,10]。

溶液pH對于鹽霧試驗結(jié)果的影響較大。鹽霧溶液的pH越低，溶液的酸性越強，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，與此同時酸性鹽霧較中性鹽霧會對金屬材料表面氧化膜有更強的侵蝕作用，加速了陽極溶解過程，因此酸性鹽霧試驗的條件更嚴(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中的腐蝕性能，從試驗結(jié)果可知，試樣經(jīng)過鹽霧試驗后出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象，在酸性鹽霧試驗中的試樣腐蝕更嚴(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。當(dāng)直徑在1 μm以下時，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變多，液膜腐蝕性也不再增強。

如果試樣表面的液膜是靜止的，液膜中的氧氣濃度會因為發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而降低，此時金屬的腐蝕過程受氧擴散過程影響，反應(yīng)會變慢。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充，加速了腐蝕過程；當(dāng)金屬表面液膜繼續(xù)變厚，氧擴散的距離增加，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)品在中性鹽霧試驗中不同條件下的試驗結(jié)果如表2所示，試驗結(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，直升機機載產(chǎn)品進行鹽霧試驗前需要取適當(dāng)?shù)某两德剩ＷC機載產(chǎn)品具有較強的抗腐蝕能力。

表2 鹽霧沉降率與鹽霧試驗結(jié)果的關(guān)系[14]

3.4 噴霧方式

鹽霧試驗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）兩種。連續(xù)性噴霧可使金屬表面一直保持濕潤，連續(xù)性噴霧的試驗條件比較穩(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，金屬表面在一個周期內(nèi)會經(jīng)歷濕、潮、干三個階段，如圖3所示。

圖3 干濕循環(huán)鹽霧試驗材料表面液膜狀態(tài)

腐蝕反應(yīng)實際上是溶液中的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)氧的含量及擴散速度等因素有關(guān)，而噴霧方式會影響材料表面液膜中氧氣的含量和擴散速度。當(dāng)噴霧方式為連續(xù)性噴霧時，金屬表面的液膜雖然能夠得到更新，但液膜會比較厚，金屬表面的氧消耗完后，新補充的氧氣需要通過擴散到達(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，金屬表面在一個周期內(nèi)會經(jīng)歷濕、潮、干，在干燥階段，金屬表面液膜變薄，O2擴散到金屬表面的時間變短，被腐蝕反應(yīng)消耗掉的O2能較快得到補充，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，同時這種周期循環(huán)模式比連續(xù)性噴霧方法更接近真實暴露情況。

4 結(jié)論

機載產(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，在對產(chǎn)品進行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計時要考慮這些因素，需要對易腐蝕部位進行防腐設(shè)計。

鹽霧試驗條件的變化會對機載產(chǎn)品試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，但不同條件對材料腐蝕反應(yīng)的影響機制不同，在進行鹽霧試驗前要根據(jù)機載產(chǎn)品的服役環(huán)境對試驗條件進行剪裁，如艦載直升機機載產(chǎn)品可開展酸性鹽霧試驗進行考核。選擇合適的試驗條件對于機載產(chǎn)品的質(zhì)量控制具有重要意義，能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計的缺陷，優(yōu)化改進，提高機載產(chǎn)品的耐蝕能力。