材料腐蝕與防護(hù)

材料腐蝕與防護(hù)航空材料的腐蝕與防護(hù)姓名：王俊專業(yè)：材料物理學(xué)號(hào)：1320122111航空材料的腐蝕與防護(hù)摘要：材料腐蝕的概念和研究材料腐蝕的重要性，航空材料的分類和演變，航空材料腐蝕防護(hù)技術(shù)的歷史和現(xiàn)狀特點(diǎn)，航空材料腐蝕現(xiàn)象及其機(jī)理，腐蝕對(duì)航空材料的影響，解決航空材料腐蝕問題及其防護(hù)與治理。關(guān)鍵詞：航空材，腐蝕，防護(hù)。前言金屬和它所在的環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)或物理作用，引起金屬的變質(zhì)和破壞，稱為金屬腐蝕。隨著非金屬材料的發(fā)展，其失效現(xiàn)象也越來(lái)越引起人們的重視。因此腐蝕科學(xué)家們主張把腐蝕的定義擴(kuò)展到所有材料，定義為：腐蝕是材料由于環(huán)境的作用而引起的破壞和變質(zhì)。腐蝕現(xiàn)象在人們?cè)谏鐣?huì)生產(chǎn)及使用到的各種材料中都普遍存在，由于服役環(huán)境復(fù)雜多變,不同構(gòu)成材料相互配合影響,導(dǎo)致航空材料在飛行器的留空階段、停放階段遭受多種不同種類的腐蝕，增加了飛行器的運(yùn)營(yíng)成本，對(duì)飛行器的功能完整性和使用安全性造成嚴(yán)重的危害。因此開展航空產(chǎn)品的腐蝕與防護(hù)的研究具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。航空材料的歷史與發(fā)展1.1航空材料的概論航空材料是航空工業(yè)主要基礎(chǔ)，航空材料與航空技術(shù)的關(guān)系極為密切，航空航天材料在航空產(chǎn)品發(fā)展中具有極其重要的地位和作用.航空材料既是研制生產(chǎn)航空產(chǎn)品的物質(zhì)保障，又是推動(dòng)航空產(chǎn)品更新?lián)Q代的技術(shù)基礎(chǔ)。1.2.航空材料的分類航空材料有不同的分類方式。按成份可分為四大類:金屬材料:鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋼、高溫合金、粉末冶金合金等。無(wú)機(jī)非金屬材料:玻璃、陶瓷等。高分子材料:透明材料、膠粘劑、橡膠及密封劑、涂料、工程塑料等。先進(jìn)復(fù)合材料:聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料等。按使用功能可分為兩大類:結(jié)構(gòu)材料和功能材料。1.3航空材料的演變?cè)缙陲w機(jī)的結(jié)構(gòu)以木材、蒙布、金屬絲綁扎而成，后來(lái)又發(fā)展為木材與金屬的混合結(jié)構(gòu)。到了二十世紀(jì)三十年代，隨著鋁合金材料的發(fā)展，全金屬承力蒙皮逐漸成為普遍的結(jié)構(gòu)形式。二十世紀(jì)三、四十年代，鎂合金開始進(jìn)入航空結(jié)構(gòu)材料的行列。四、五十年代，不銹鋼成為航空結(jié)構(gòu)材料。到五十年代中期開始出現(xiàn)鈦合金，嗣后并被用于飛機(jī)的高溫部位。二十世紀(jì)六十年代，開發(fā)出樹脂基先進(jìn)復(fù)合材料，后來(lái)在樹脂基復(fù)合材料的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了金屬基復(fù)合材料。現(xiàn)代飛機(jī)大量采用新型材料。受力結(jié)構(gòu)之一，當(dāng)飛行器處于停放狀態(tài)時(shí)，起落架的輪軸受拉應(yīng)力作用，可能在相應(yīng)的腐蝕介質(zhì)作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕。起落架材質(zhì)一般為鍍鉻的高強(qiáng)鋼，鉻鍍層強(qiáng)度高、耐磨但鍍層較脆，容易在飛行器起降的交變載荷作用下沿缺陷剝落而失效。2.3發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)的主要腐蝕表現(xiàn)形式是高溫氧化腐蝕。推力大、效率高、油耗低、壽命長(zhǎng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)。只有對(duì)渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟冗M(jìn)行提升，才能供給出需要的增壓比與流量比，實(shí)現(xiàn)提升推力的同時(shí)降低油耗。所以發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的抗高溫腐蝕性能極其關(guān)鍵。對(duì)此主要可采取以下幾種方法:保障性能前提之下，提高葉片材料本身的熔點(diǎn)及高溫抗氧化能力；使用與基體材料親和力更好、高溫性能更好的抗氧化保護(hù)涂層。2.4意外腐蝕飛行器服役中還存在意外腐蝕。這種腐蝕與飛行器的設(shè)計(jì)、選材及運(yùn)行環(huán)境無(wú)關(guān)，完全是由人為不當(dāng)操作造成。比如機(jī)上承載強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)，發(fā)生泄漏而造成飛行器發(fā)生腐蝕。通過編制詳細(xì)的操作流程與有關(guān)部門加強(qiáng)監(jiān)督管理，并制定相應(yīng)的強(qiáng)制性規(guī)定規(guī)范，并由專人進(jìn)行負(fù)責(zé)落實(shí)便可完全避免人為因素而造成的腐蝕現(xiàn)象。3.腐蝕機(jī)理和測(cè)試技術(shù)研究高強(qiáng)度航空材料在力學(xué)-環(huán)境因素的交互作用下可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。因此開展應(yīng)力腐蝕的測(cè)試和研究是腐蝕和防護(hù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前已經(jīng)發(fā)展了一些應(yīng)力腐蝕敏感性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。這些試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在研究新研材料和引進(jìn)飛機(jī)材料的應(yīng)力腐蝕性能方面發(fā)揮了重要作用。另外也有人設(shè)計(jì)了一些非標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)來(lái)模擬試件的服役條件，試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際情況符合的較好。由于實(shí)際的應(yīng)力腐蝕往往發(fā)生在大氣環(huán)境中,所以設(shè)計(jì)了一種便攜式拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)器,用于開展戶外大氣應(yīng)力腐蝕的研究。飛機(jī)結(jié)構(gòu)往往由多種材料構(gòu)成,在一定條件下不同材料的相互接觸會(huì)導(dǎo)致接觸腐蝕和電偶腐蝕。研究者對(duì)鋼與鋁合金和鈦合金接觸時(shí)的電偶腐蝕和防護(hù)方法進(jìn)行研究,得到了很多對(duì)實(shí)際工程有指導(dǎo)價(jià)值的結(jié)論。隨著復(fù)合材料在航空產(chǎn)品上得到應(yīng)用,復(fù)合材料和金屬材料接觸時(shí)所引起的相容性問題開始得到人們的重視,并提出了一些防護(hù)措施?，F(xiàn)役飛機(jī)鋁合金構(gòu)件的主要腐蝕形式是點(diǎn)腐蝕，點(diǎn)蝕形成的蝕坑通常是腐蝕疲勞的裂紋的裂紋源，航空材料的腐蝕疲勞損傷往往是在腐蝕點(diǎn)上的裂紋生成和擴(kuò)展導(dǎo)致的。點(diǎn)蝕形成現(xiàn)在比較公認(rèn)的是蝕點(diǎn)內(nèi)部發(fā)生的自催化過程。鋁合金材料點(diǎn)蝕形成是一種自發(fā)催化閉塞電池作用的結(jié)果，蝕點(diǎn)不斷向金屬深處腐蝕，并使在鈍化過程受到抑制，由于閉塞電池的腐蝕電流使周圍得到了陰極保護(hù)，因而抑制了蝕點(diǎn)周圍的全面腐蝕，但是加速了點(diǎn)蝕的迅速發(fā)展。隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，點(diǎn)蝕的深度和表面半徑都在不斷的增大，相鄰的蝕點(diǎn)會(huì)相互交錯(cuò)形成更大更深的蝕點(diǎn)。表面強(qiáng)化和防護(hù)4.1航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫防護(hù)涂層航空發(fā)動(dòng)機(jī)所用的高溫防護(hù)涂層一般可分成擴(kuò)散涂層和包覆涂層。目前我國(guó)已經(jīng)發(fā)展出多種發(fā)動(dòng)機(jī)部件所使用的鎳鎘擴(kuò)散涂層、滲Al，Al+Si料漿涂層、Pt-Al涂層、包覆型M、Cr、Al、X涂層、熱障涂層、抗氧化防脆化涂層、封嚴(yán)涂層等,部分涂層進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。MCrAIY涂層是一種包覆性涂層,它克服了傳統(tǒng)鋁化物涂層與基體之間互相制約的弱點(diǎn)，進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)材料的抗氧化的能力。隨著航空燃?xì)廨啓C(jī)向高流量比、高推重比、高進(jìn)口溫度的方向發(fā)展,燃燒室中的燃?xì)鉁囟群蛪毫Σ粩嗵岣?我國(guó)開展了熱障涂層（thermalbarriercoatings,簡(jiǎn)稱TBCs)的研究。熱障涂層是由陶瓷隔熱面層和金屬粘結(jié)底層組成的涂層系統(tǒng)。ZrO2是目前陶瓷隔熱面層中研究最多的成分。熱循環(huán)試驗(yàn)證明柱狀晶組織較普通的纖維狀組織具有更高的抗熱疲勞性能另外我國(guó)還開展了納米陶瓷熱障涂層的研究。4.2表面強(qiáng)化表面強(qiáng)化工藝技術(shù)涉及到各種金屬材料(鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金、金屬基復(fù)合材料等)，對(duì)于不同的晶體結(jié)構(gòu)(面心立方、體心立方、密排六方)有多種不同的強(qiáng)化方法和工藝參教；同時(shí)根據(jù)航空高強(qiáng)度構(gòu)件外形的幾何形狀不同，選擇不同工藝參教和前后順序的搭配方式。但是，所有強(qiáng)化工藝處理后材料都會(huì)因?yàn)樗苄宰冃我鸨韺咏M織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力和硬度的梯度以及表面形貌等發(fā)生變化，起到降低外加拉應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)的作用，從而對(duì)耐磨性和疲勞性能產(chǎn)生影響。電子束表面處理是利用高能量密度的電子束對(duì)材料表面進(jìn)行加工，是不同于機(jī)械加工的一種新型加工方法悄。12I，其中電子束物理氣相沉積以及電子束表面處理等在工業(yè)上的應(yīng)用最為廣泛。電子束加工方法起源于德國(guó)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前全世界已有幾千臺(tái)設(shè)備在核工業(yè)、航空航天工業(yè)、精密加工業(yè)及重型機(jī)械等工業(yè)部門應(yīng)用，現(xiàn)已完全被工業(yè)部門所接受。電子束表面改性技術(shù)是20世紀(jì)70年代才發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。電子束表面改性處理包括金屬材料的表面淬火、表面合金化、表面清洗及熔覆、薄極退火，以及半導(dǎo)體材料的退火和摻雜等。目前，電子束表面非晶態(tài)處理及沖擊淬火等先進(jìn)處理工藝的研究也已經(jīng)在世界各國(guó)廣泛展開。激光沖擊強(qiáng)化(LaserShockPening，LSP)技術(shù)是一種利用激光沖擊波對(duì)材料表面進(jìn)行改性，提高材料的抗疲勞、磨損和應(yīng)力腐蝕等性能的技術(shù)。目前激光沖擊技術(shù)在工程中應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是合金材料的表面強(qiáng)化，與滾壓、噴丸、冷擠壓等材料表面強(qiáng)化處理的方法相比，激光沖擊強(qiáng)化處理具有非接觸，無(wú)熱影響區(qū)和強(qiáng)化效果顯著等突出的優(yōu)點(diǎn)。其原理是當(dāng)短脈沖(十幾納秒)的高峰值功率密度(大于109W／cm2)的激光輻射金屬靶材時(shí)，金屬表面吸收層吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高溫(大于10000K)、高壓(大于1GPa)的等離子體，該等離子體受到約束層約束時(shí)產(chǎn)生高強(qiáng)度壓力沖擊波，作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播。材料表層就產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘留很大的壓應(yīng)力。激光束經(jīng)過凸透鏡聚焦后，功率密度可以達(dá)到1～50GW／cm2，接著大部分激光能量將被涂層吸收，能量轉(zhuǎn)化成沖擊波的形式，透明物質(zhì)水即所謂限制層，它將基體和基體表面的涂層包覆起來(lái)。5.航空材料的腐蝕與防護(hù)的意義我國(guó)的腐蝕和防護(hù)研究為我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn),在腐蝕機(jī)理和測(cè)試、航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫防護(hù)涂層以及表面處理和防護(hù)技術(shù)等方面都取得了不小成績(jī)。參考文獻(xiàn)[1]《航空材料與腐蝕防護(hù)》--------------講義中國(guó)民航大學(xué)理學(xué)院材料化學(xué)教研室------------蘇景新[2]《我國(guó)航空材料的腐蝕與防護(hù)現(xiàn)狀與展望》----------蔡健平，陸峰，吳小梅.[3]《航空材料腐蝕疲勞研究進(jìn)展.腐蝕與防護(hù)》-------耿德平，宋慶功。