直升机腐蚀问题

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作者：乔恩·罗宾斯

正如我们在直升机行业常说的，“氧化迟早会出现”。

熵是描述物质热力学性质的一个术语，被定义为系统无序性或随机性的度量。它由德国物理学家鲁道夫·克劳修斯于 1865 年在其热力学定律研究中提出，源自希腊语“entropia”，意为“趋向”。简而言之，它指的是随着时间的推移，如果没有能量输入，一切都会趋向于一种无序程度更高的状态，并持续到所有物质都均匀随机分布。想想你的花园。如果你精心准备并种上植物，却从此不再打理，它就不会成为你梦想中的花园。

熵并非一个轻松的话题。从宏观的角度来看，这意味着宇宙中的一切最终都会随机且均匀地分布。如果你把一袋盐水放入一个装有淡水的容器中，随着时间的推移，袋子内外盐的浓度最终会达到平衡。另一个例子是，一旦你把气球里的空气放掉，就无法再把它重新装回去（除非你做功），即使你不放气，气球里的空气也会随着时间的推移而泄漏。这就像直升机从制造之初就一直在缓慢而持续地试图自我解体一样。尘归尘，土归土。

腐蚀是如何发生的

材料的腐蚀始于这样一个过程：原本投入了大量能量使其处于某种状态的物质，如果没有进一步的干预来延缓或阻止其变化，就会导致该物质变得越来越无序，最终回归到其基本组成成分。金属在合金状态下比纯态时更容易发生腐蚀。制造（非复合材料）飞机时，我们主要使用铝、铁、铜和镍的合金。这些元素与其他元素或更复杂的材料复合后，会赋予材料比单一金属元素形态更优异的特性。强度、延展性、耐腐蚀性、重量和导电性等性能都可以通过合金化得到提升。我们熟知的电偶腐蚀只需要材料内部或两端存在电位差以及电解质（导电通路 - 通常是含有某些溶解盐的水）。腐蚀实际上是指材料在化学或物理作用下逐渐侵蚀的过程。

“电位序”（Galvanic series）使我们能够将金属从最易阳极化（在腐蚀过程中失去材料的部分）到最不易阳极化（最具阴极性）进行排序。列表的一端是金、铂等元素，最底端是碳（石墨），这些元素最不容易腐蚀。另一端则是铝、镉、锌等元素，而最顶端是镁（最具阳极性）。这清楚地说明了为什么镉和锌经常被用作钢制部件的牺牲性镀层。这层薄薄的镀层会在主体部件受损之前先被腐蚀。任何从事部件大修并接触过镁制摇臂、减速齿轮箱壳体或老式直升机蒙皮（部分蒙皮为镁制）的人都知道，镁合金部件即使只是接触空气都会腐蚀。

简单来说，阳极失去电子并获得氧，因此它是氧化反应的场所。电偶电池的阴极获得电子并释放氧，是还原反应的场所。氧气并非腐蚀所必需，但它很容易接受电子，从而大大加速了腐蚀过程。金属腐蚀是由电解（电偶）反应引起的，这是由于两种不同的金属或合金内部的不同区域接触（具有不同的电位）并暴露于盐溶液（电解质）中时，就会产生电流流动。金属腐蚀本质上就是氧化还原反应。我们可以采取多种措施来减缓腐蚀。涂漆可以将暴露的表面与电解质（水）和大气隔绝开来。钝化处理通常是在表面形成一层能够抵抗进一步氧化的涂层。在铝合金板上包覆一层纯铝会形成氧化铝，我们称之为硬铝或包铝。铬酸盐“转化涂层”常作为铝合金和镁合金的钝化剂。“发黑”、“帕克化（Parkerizing）”（俗称枪蓝）和磷化处理则用于钢合金的钝化。阳极氧化是另一种钝化金属的方法，它通过化学反应在金属表面形成一层薄薄的涂层，从而减缓部件的腐蚀。牺牲阳极氧化层（镉或锌）通常比钝化层更厚。虽然结构间的电气搭接最重要的作用是防止静电积聚，从而保护航空电子设备并防止电弧危险（防火），但它也可以降低金属部件之间的电位差，从而减缓腐蚀。

以上就是金属的相关信息。

金属腐蚀的特点在于，我们几乎一眼就能看出。我们知道腐蚀的程度，也知道如何减缓腐蚀。但复合材料并非总是如此。

复合材料腐蚀

复合材料结构也会腐蚀。无论是玻璃纤维、芳纶纤维还是碳纤维浸渍织物，它们都会吸收水分（这会导致膨胀），并且因阳光照射而降解。紫外线尤其有害，但可见光也会造成损害。表面保护不足、表面保护层出现细小裂缝或其他类型的物理损伤（例如工具掉落、石块或其他碎屑等）都可能导致水分侵入。复合材料基体中的水分在结冰时会膨胀，使情况更加恶化。旋翼桨叶维修车间深知在维修前必须清除所有残留水分。

光的波长越长，每个光子携带的能量就越少。这就是为什么紫外线更令人担忧的原因，因为它的波长比光谱中的黄光或红光更短。紫外线要造成损害，必须满足两个条件。首先，材料必须吸收紫外线。一旦发生这种情况，就会出现几种可能的结果。第一，吸收的能量能够以热的形式重新辐射出去。其次，能量能够以不同的波长重新辐射或被反射。我们涂抹在皮肤上的防晒霜（如果我们明智的话）正是通过前两种途径来减少紫外线辐射造成的损害。第三，能量可以被基质中的化合物吸收，这是紫外线能够降解各种复合聚合物的主要原因。紫外线的波长可以穿透地球大气层，并且它所含的能量足以破坏化学键（超过断裂化学键所需的离解能），从而削弱复合材料的结构。我们都见过玻璃纤维、聚酯树脂或环氧树脂材料因阳光照射而变色的例子。这种材料不如最初固化时那么坚固，并且会持续降解直至最终碎裂。

高温也会损害复合材料。许多直升机都配备了隔热罩来偏转排气。铝合金也会受到高温的影响，但程度不及复合材料。部分原因是复合材料在未出现明显劣化迹象的情况下，其初始强度可能会损失一半甚至更多。有证据表明，在某些情况下，长期暴露于中等高温环境下的损害可能比短期暴露于更高温度下更为严重。对于可加热旋翼桨叶而言，一个重大障碍是，研究表明，用于主旋翼桨叶除冰的热量足以破坏传统桨叶蒙皮和芯层之间的粘合，复合材料桨叶也存在同样的风险。随着新型直升机设计中复合材料结构部件的日益普及，维修人员需要密切关注表面保护层的任何缺陷，并且可能需要随身携带一把敲击锤。复合材料结构制造的一大难点在于，需要具备高水平的质量保证和检测技术，以确保铺层和固化过程中产生的缺陷（例如夹杂物、脱粘或分层）小于可接受的限值。超声波检测技术在许多应用中都表现出色，但对于金属合金部件而言，其效果不如 X 射线检测。除了各种超声波检测方法（例如单探头、多探头或相控阵、透射法或脉冲回波法等）之外，还有剪切散斑干涉法。该方法利用光波干涉图样或相位偏移来检测零件在受到应力（热应力、机械应力、振动应力、声应力、扭转应力等）作用时的表面或亚表面缺陷。其中一些技术更适合在受控环境下（例如原始设备制造商的环境）检测新部件，但随着微电子技术和信号处理软件的不断进步，这些技术将越来越多地应用于“航线上”的复合材料结构检测。

如果这些内容听起来有点像火箭科学，那是因为它们确实有点像火箭科学。

我们或许即将迎来这样一个时代：直升机行业对复合材料检测人员的需求将比以往更加迫切。这并非意味着直到最近直升机才开始大量使用复合材料。采用复合材料制造核心机身结构的时代已经到来，而且它们在主要结构部件中的应用将会越来越普遍。25 年前，我曾认为，如果我当时选择成为一名航空电子工程师，那将是明智之举，这也许被证明是正确的。现在我还建议，对于今天开始从事航空维修的人来说，在复合材料维修和检测方面打下扎实的基础，很可能是获得稳定职业保障的途径。这两项技能也都能直接应用于其他行业。

来源：Corrosion Problems in Helicopters. By Jon Robins. Helicopter Maintenance Magazine. 略有修改。非原文配图及视频来源于网络。

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