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作者: 中国腐蚀与防护网
来源: 中国腐蚀与防护网
发布时间: 2016-03-14
关键词: 海洋环境, 航空热交换器, 腐蚀控制
领域: 腐蚀领域
摘要: 关于海洋环境航空热交换器的腐蚀控制策略详析
正文: 航空热交换器是将飞机发动机及辅助动力装置在运行时所产生的大量热量，以一定的传热方式通过某种流体传递给他种流体的设备。处在海洋大气和舰上停放环境下长期使用的航空热交换器，由于所处环境是腐蚀性很强的灾害环境，如果不采取相应的防护与控制措施，将会造成零（部）件材料的严重腐蚀和变质，从而影响产品的使用寿命乃至飞行安全。因此，在产品的设计、制造及维护维修等过程中，采取有针对性的腐蚀防护与控制，以减轻或延缓产品的腐蚀损伤非常必要。航空热交换器的主要类型及其在海洋性环境的主要腐蚀类型航空热交换器多为紧凑换热器，主要有板翅式热交换器及列管式热交换器，工作介质多为燃油、滑油及空气，采用的材料为铝、铜、钛及它们的合金、不锈钢及耐高温合金等，其基本单元均采用真空钎焊方法制成。海洋性环境下航空热交换器将面临的主要腐蚀形式有：电偶腐蚀、缝隙腐蚀、点蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等。 1 电偶腐蚀凡具有不同电极电位的材料相互接触，并在一定介质中所发生的电化学腐蚀称为电偶腐蚀。由于海水含有大约3.4%的盐，pH 值为8，呈微碱性，是一种极好的电解质[1]，当两种不同材料相接触并暴露在海洋环境中时，因不同材料在海水中的电极电位不同，从而形成原电池而导致电偶腐蚀。这种腐蚀也会由于同一金属表面上材料局部差异产生不同电位而引起。 2 缝隙腐蚀常见的为浓差电池腐蚀。由于缝隙内部的氧浓度比敞口处低，当湿气中富含盐分时，氯离子集中在缺氧的缝隙内部，增加了活性和酸性，加速了腐蚀。这种腐蚀是最常见的，也是非常有害的。凡依靠氧化膜或钝化层耐蚀的金属或合金，特别易遭受缝隙腐蚀，如不锈钢、铝合金[2]，尤其是热交换器的法兰连接面。 3 点蚀点蚀是由于分散的盐粒或大气污染物附着在金属表面引起的。从金属表面开始，向内部扩展，形成蚀坑。产生的蚀坑相当于应力集中源，导致疲劳和应力腐蚀开裂。在所有的材料中，不锈钢对点蚀最敏感。 4 应力腐蚀由拉应力与腐蚀环境共同作用形成。一般沿晶粒结构的某一单一平面内进行，并垂直于拉应力方向，裂纹呈细状，并快速扩展，且在破坏前没有明显的预兆，是所有腐蚀类型中破坏性和危害性最大的一种。如列管式热交换器的管子，在胀管部位的张应力、高温和腐蚀介质共同作用下产生的开裂。 5 腐蚀疲劳由循环应力和腐蚀环境共同作用形成。循环的拉压弯曲首先造成表面保护膜和涂层的破坏，引起点蚀，形成蚀坑，产生裂纹，裂纹尖端产生新的应力集中和腐蚀集中，促成裂纹在应力与腐蚀的交互协同作用下加速扩展，这种腐蚀的潜在危害也很大。腐蚀防护与控制设计技术鉴于腐蚀类型及影响腐蚀因素极多，在航空热交换器的研制和生产阶段，应根据具体对象及可能遇到的环境条件和工作条件，分析可能出现的腐蚀问题并采取相应的防腐措施。目前，关于航空热交换器的防腐措施和控制原则总体来说可归纳如下： 1 防腐蚀设计（1）应尽可能避免金属与金属之间、金属与非金属之间的敏感缝宽0.025～0.100mm；避免凹坑、集水槽等，以防止腐蚀介质的聚集和滞留。（2）应尽可能选择在电化序中相邻的金属和镀覆层相接触[3]，若不能实现时，可用绝缘垫将金属隔开。如果需要导电时，则应另选一种与这两种材料接触腐蚀都较轻微的金属作为镀层或垫片。（3）应尽量选择在海洋环境条件下相对于基体金属为阳极性的镀覆层，如钢基体上的镉镀层。（4）应尽量避免“大阴极小阳极”现象的出现，如铜板上铆钢钉。（5）为避免应力腐蚀开裂，热交换器的结构设计时应考虑到尽量避免产生应力集中。 2 材料选用原则设计选材时既要考虑材料的力学性能、制造工艺性和相容性，又要考虑材料及其热处理状态在海洋环境中的耐蚀性。如镍铝青铜、锰青铜、海军黄铜、含钼不锈钢、蒙乃尔合金以及钛合金等材料在海洋环境下都具有良好的抗腐蚀性能[4]，但铝合金2A12的T4 状态和7A04 的T6 状态对晶间腐蚀和剥蚀非常敏感。各种金属材料都应采取适当的防护措施，原则上不允许呈裸露状态使用。 3 制造过程中几条重要的腐蚀控制原则（1）在钛合金零件制造和装配过程中，不允许用镀镉的工具、夹具、型架、定位器等。镀镉或镀银的垫圈、干涉配合衬套或干涉配合紧固件均不可与钛合金零件一起使用，以防变脆。（2）由于奥氏体不锈钢焊接接头中存在晶间腐蚀敏化区，所以奥氏体不锈钢在焊接后应进行固溶热处理。（3）注意工序安排，带有镀锌层、镀镉层等易引起基材产生熔融金属脆断的零件，严禁电镀后焊接，确要焊接时必须在镀前焊接或将焊接处的镀层除掉后才可焊接。（4）不能在钛合金零件或与钛接触的零件上镀镉或镀银，以防变脆。 4 耐腐蚀性能测试结果（1）在Mg-3Al-1Zn-0.2Mn 镁合金中添加Al2Ca，可细化晶粒，提高合金的高温力学性能和耐腐蚀性能。（2）未添加Al2Ca 的Mg-3Al-1Zn-0.2Mn 镁合金由α-Mg 相和Mg17Al12 相组成，而添加了Al2Ca 的Mg-3Al-1Zn-0.2Mn 镁合金由α-Mg 相、Mg17Al12 相和Al2Ca 组成。（3）与未添加Al2Ca 的Mg-3Al-1Zn-0.2Mn 镁合金相比，添加Al2Ca 可使合金的高温抗拉强度和延伸率均得到提高，其中150℃抗拉强度增加53%，450℃抗拉强度增加246%。（4）与未添加Al2Ca 的Mg-3Al-1Zn-0.2Mn 镁合金相比，添加Al2Ca 可使合金盐雾腐蚀120 h 后的质量损失率从5.52%下降至1.11%。 5 防护层选用原则（1）综合考虑材料的特性、热处理状态、使用件和部位、散热器结构形状和公差配合等因素选择金属覆盖层（镀层、热喷涂、热浸镀、耐蚀金属包覆等）或非金属覆盖层（转化膜、涂层、塑料衬里或包覆等）；同时应根据散热器零（部）件类型、特性、使用环境、条件及寿命确定防护层的厚度。（2）选用的防护层不应给零（部）件基体带来不良的影响（如疲劳、氢脆等），不能降低基体材料力学性能。（3）低耐蚀性的金属零（部）件应尽量选用阳极性防护层。（4）有机涂层选择应根据工作环境，综合考虑涂层与基体的附着力、涂层的耐蚀性能、耐大气老化性能、三防（防湿热、防盐雾、防霉菌）性能以及涂层系统各层之间的配套性和工艺性等，选择表面涂层与厚度及施工工艺。 6 缓蚀剂的应用缓蚀剂有较强的渗透性，可进入极小的缝隙和孔内，溶剂挥发后将结构表面的水分和盐分置换出来，并覆盖一层具有防腐蚀作用的膜层。缓蚀剂可用作散热器的最后一道防护，用以增强已有的防护体系（如铝散热器化学氧化后喷漆，装配后再喷缓蚀剂），或用于涂层损伤处的维护。根据具体情况及试验验证，可选用单一缓蚀剂或多种缓蚀剂组合。结语随着国际形势的发展变化，海军现役飞机的飞行任务将不断增加，对航空热交换器的防腐要求也将相应提高，因此，研究航空热交换器在海洋环境中的腐蚀防控，延长其检修间隔及使用寿命十分必要。腐蚀防护与控制涉及到环境学、金属腐蚀学、表面防护工程、产品设计、制造技术与管理科学等，是多专业、跨学科的系统工程。要真正控制腐蚀，必须由设计、制造、使用、贮运、维修人员共同配合，层层把关。用系统工程的理念，充分利用现有防腐技术，严格按照以上各方面相应的腐蚀控制原则进行实际工作，加快对于防腐新材料、新技术、新方法（如微弧氧化、纳米防腐涂料等）的研究与应用，就有望减轻和延缓产品腐蚀。更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态，我们网站会不断更新。希望大家一直关注中国腐蚀与防护网http://www.ecorr.org 责任编辑：王元《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事投稿联系：编辑部电话：010-62313558-801 邮箱：ecorr_org@163.com 中国腐蚀与防护网官方 QQ群：140808414

关于海洋环境航空热交换器的腐蚀控制策略详析

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