浅谈飞机结构中电偶腐蚀影响因素及其控制方法

本文首先介绍了飞机结构中的电偶腐蚀现象，然后介绍了电偶腐蚀的基本概念与影响因素，最后简要介绍了飞机结构中控制电偶腐蚀的方法，并给出了控制飞机结构中电偶腐蚀问题的方法思路与建议。

机械制造工艺研究所飞机结构中的电偶腐蚀现象飞机在使用过程中，随着服役时间的增加，腐蚀引起的损伤与破坏更加突出，因此腐蚀是老龄飞机结构失效的主要原因。美国空军后勤中心(ALC) 对二十多种现役飞机的详细调查，结果表明，开裂与腐蚀各占飞机全部损伤事故的百分之三十和百分之二十，而开裂往往是由腐蚀造成，腐蚀使裂纹在使用载荷作用下疲劳扩展。我国对一些类型现役机种的腐蚀调查同样表明，腐蚀状况也比较突出，特别是对海军使用的各型飞机，腐蚀问题更为普遍和严重。

由于飞机不同部位对材料性能的要求不同，致使在飞机结构中采用大量不同种类的结构材料，而异类结构材料的接触使用常常导致电偶腐蚀问题十分突出。据文献报道，1971 年，一架Vanguard 型飞机，由于厕所污水所引起的接头腐蚀破坏(电偶腐蚀造成)，造成载有六十多人的飞机坠毁。近些年来，据调查分析，由于腐蚀造成的飞机结构破坏，导致飞机坠毁的案例屡见不鲜。图1 所示为土耳其某航空公司的波音737 型飞机坠毁现场。

据2002 年中国对飞机腐蚀调查，我国的飞机结构普遍存在的电偶腐蚀问题表现在下述区域： (1) 绝大部分的飞机后货舱地板与地板梁搭接处的电偶腐蚀;(2) 大部分飞机的机腹下部天线与机腹的搭接处等结构件与连接件的电偶腐蚀。

图1 波音飞机及其坠毁现场

电偶腐蚀基本概念

当两种电极电位不同的金属或合金相接触并放入电解质溶液中时，即可发现电极电位较低金属腐蚀加速，而电位较高的金属腐蚀反而减慢，这种在一定条件下产生的电化学腐蚀，即由于同电极电位较高的金属接触而引起腐蚀速度增大的现象，称为电偶腐蚀或异种金属腐蚀。电偶腐蚀基本原理图如图2 所示。

图2 电偶腐蚀基本原理图

电偶腐蚀加速效应极大地促进了电极电位较低金属的腐蚀，造成结构失效、材料浪费，引发安全事故。电偶腐蚀与互相接触的金属在溶液中的实际电位有关，产生电偶腐蚀的动力来自两种不同金属接触的实际电位差。一般来说，两种金属的电极电位差愈大，电偶腐蚀愈严重，它是产生电偶腐蚀的必要条件，但它不能决定腐蚀电偶的速率。电偶腐蚀作为一种普遍的腐蚀现象，可诱导甚至加速应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、氢脆等腐蚀过程的发生。典型不锈钢螺钉与中碳钢板材连接使用后的电偶腐蚀现象如图3 所示。

图3 不锈钢螺钉与中碳钢板材连接后的电偶腐蚀现象

图4 飞机蒙皮结构的电偶腐蚀现象

电偶腐蚀的影响因素

1、几何因素的影响

阴极与阳极相对面积比对电偶速率有着重要的影响。阴、阳极面积比的比值愈大，则阳极电流密度愈大，从而阳极金属腐蚀速率越大。在氢去极化腐蚀的情况下，阴极上的氢过电位与电流密度有关，阴极面积越大，则电流密度越小，氢过电位也越小，越容易发生氢去极化，因而阳极腐蚀速率加快。在氧去极化腐蚀的情况下，若过程由氧离子化过电位所控制，则阴极面积的增大导致氧过电位降低，因而阳极腐蚀速率加快;如果过程由氧扩散所控制，则阴极面积增大能接受更多的氧发生还原反应，因而腐蚀电流也增大，由此导致阳极腐蚀加速。所以，飞机结构中小阳极和大阴极式的电偶结构是很危险的。如图4 所示，为未经表面处理飞机结构件连接后，环境试验后，飞机蒙皮结构与铆钉连接处严重的腐蚀现象。因为铆钉与蒙皮之间存在电位差，且铆钉材料的电位较高，蒙皮材料电位较低，两者连接后构成异种金属电偶腐蚀，铆钉材料(高电位)加速蒙皮材料(低电位)结构腐蚀，使得在未经过表面处理控制连接后的铝合金蒙皮铆钉孔周围电偶腐蚀非常严重。

2、环境因素的影响

环境因素的性质如介质的组成、温度、电解质溶液的电阻、溶液的pH 值、环境工况条件的变化等因素均对电偶腐蚀有重要的影响。如图5 所示为飞机某结构在腐蚀环境下的发生严重电偶腐蚀现象。

图5 飞机某结构在腐蚀环境下的电偶腐蚀现象

3、 材料自身因素的影响

影响接触腐蚀首要因素是被接触材料本身，材料本身材质状态、合金元素种类与含量以及物理化学性能等都会影响到材料发生接触腐蚀的倾向。据有关文献研究报道，在30 ℃，3.5%NaCl 水溶液中，与钛合金TC4 偶对，铝合金LY12 的电偶腐蚀敏感性比LC4 低;不锈钢Cr17Ni2 的腐蚀电流比结构钢3oCrMnSiA 低100 倍。

飞机结构中电偶腐蚀控制技术

目前，在国内外的航空工业上，控制飞机结构电偶腐蚀的措施主要归纳为以下两大方面：

1、采用合理的镀层或化学转化膜

金属覆盖层技术是指在金属基体上覆盖一层或多层金属涂层(或镀层)的技术，以达到保护基体金属、防止基体金属腐蚀的目的。金属覆盖层技术主要包括电镀、化学镀、热浸镀、热喷镀等。根据使用目的的不同，可将金属覆盖层分为防护性覆盖层、防护装饰性覆盖层和功能性覆盖层三大类。采用此方法将材料表面改性，使相接触的材料具有相近的电位，从而有效地防止电偶腐蚀。

化学转化膜技术是采用化学或电化学方法在金属表面上形成附着力良好的稳定化合物膜层的技术，包括氧化膜或者发蓝技术、阳极氧化技术、磷酸盐成膜技术、铬酸成膜技术、草酸盐技术等，金属的化学转化膜主要用于防锈、防蚀、耐磨以及冷加工的润滑和涂装的底层。

如图6 所示，为镀层技术、阳极氧化与化学转化膜技术在某结构件材料中的应用。总之，选用金属覆盖层作为飞机结构基体金属的腐蚀控制与防护措施时，既要根据飞机结构基体金属的种类和性质，飞机结构的使用环境和条件来确定金属覆盖层的材料类型，也要根据基体材料的表面状态、飞机的结构形式、基体与覆盖层的相容性等因素来考虑选择适当的金属覆盖层制备技术。

图6 镀层技术、阳极氧化与化学转化膜技术在飞机某结构件材料中的应用

图7 飞机内仓某结构防电偶腐蚀涂料的应用

2、涂漆或涂胶

非金属覆盖层技术是将非金属涂料覆于材料表面形成具有一定功能并牢固附着的无机非金属涂层，防护涂层应有尽可能低的透水性、透氧性、透离子性以及良好的工艺性如附着力、固化收缩率等。据文献报道，采用环氧锌黄底漆、双组分密封胶防护可以有效地防止不锈钢与铝合金和钛合金接触产生的电偶腐蚀。采用涂密封胶的方法则是控制电偶腐蚀的常用工程技术方法，如图所示7 所示为飞机内仓某结构防电偶腐蚀涂料的应用。

结束语

总之，在制定飞机结构中防止或减少电偶腐蚀的方法时，首先我们要明确电偶腐蚀的影响因素。如前所述，形成电偶腐蚀的主要三因素：材料、接触和环境，控制电偶腐蚀根本措施也就是要从这三方面入手。首先要合理的选材，适当地进行表面改性或表面涂镀层处理，以降低或消除电偶腐蚀;其次从设计方案进行考虑，尽量避免或减少异种材料的接触，对于无法避免的接触要对其进行绝缘隔离，同时要保证精密配合，尽量避免狭小缝隙的形成;最后控制工件的环境因素，避免潮湿环境、水汽、盐雾，加强通风，定时清理工件的悬着物或附着物，消除工作环境中的悬着物;同时可以利用密封胶或密封漆将工件与工作环境隔离，如紧固件涂漆密封，消除电偶腐蚀。

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