直升機腐蝕問題

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作者：喬恩·羅賓斯

正如我們在直升機行業常說的，“氧化遲早會出現”。

熵是描述物質熱力學性質的一個術語，被定義為系統無序性或隨機性的度量。它由德國物理學家魯道夫·克勞修斯于 1865 年在其熱力學定律研究中提出，源自希臘語“entropia”，意為“趨向”。簡而言之，它指的是隨著時間的推移，如果沒有能量輸入，一切都會趨向于一種無序程度更高的狀態，并持續到所有物質都均勻隨機分布。想想你的花園。如果你精心準備并種上植物，卻從此不再打理，它就不會成為你夢想中的花園。

熵并非一個輕松的話題。從宏觀的角度來看，這意味著宇宙中的一切最終都會隨機且均勻地分布。如果你把一袋鹽水放入一個裝有淡水的容器中，隨著時間的推移，袋子內外鹽的濃度最終會達到平衡。另一個例子是，一旦你把氣球里的空氣放掉，就無法再把它重新裝回去（除非你做功），即使你不放氣，氣球里的空氣也會隨著時間的推移而泄漏。這就像直升機從制造之初就一直在緩慢而持續地試圖自我解體一樣。塵歸塵，土歸土。

腐蝕是如何發生的

材料的腐蝕始于這樣一個過程：原本投入了大量能量使其處于某種狀態的物質，如果沒有進一步的干預來延緩或阻止其變化，就會導致該物質變得越來越無序，最終回歸到其基本組成成分。金屬在合金狀態下比純態時更容易發生腐蝕。制造（非復合材料）飛機時，我們主要使用鋁、鐵、銅和鎳的合金。這些元素與其他元素或更復雜的材料復合后，會賦予材料比單一金屬元素形態更優異的特性。強度、延展性、耐腐蝕性、重量和導電性等性能都可以通過合金化得到提升。我們熟知的電偶腐蝕只需要材料內部或兩端存在電位差以及電解質（導電通路 - 通常是含有某些溶解鹽的水）。腐蝕實際上是指材料在化學或物理作用下逐漸侵蝕的過程。

“電位序”（Galvanic series）使我們能夠將金屬從最易陽極化（在腐蝕過程中失去材料的部分）到最不易陽極化（最具陰極性）進行排序。列表的一端是金、鉑等元素，最底端是碳（石墨），這些元素最不容易腐蝕。另一端則是鋁、鎘、鋅等元素，而最頂端是鎂（最具陽極性）。這清楚地說明了為什么鎘和鋅經常被用作鋼制部件的犧牲性鍍層。這層薄薄的鍍層會在主體部件受損之前先被腐蝕。任何從事部件大修并接觸過鎂制搖臂、減速齒輪箱殼體或老式直升機蒙皮（部分蒙皮為鎂制）的人都知道，鎂合金部件即使只是接觸空氣都會腐蝕。

簡單來說，陽極失去電子并獲得氧，因此它是氧化反應的場所。電偶電池的陰極獲得電子并釋放氧，是還原反應的場所。氧氣并非腐蝕所必需，但它很容易接受電子，從而大大加速了腐蝕過程。金屬腐蝕是由電解（電偶）反應引起的，這是由于兩種不同的金屬或合金內部的不同區域接觸（具有不同的電位）并暴露于鹽溶液（電解質）中時，就會產生電流流動。金屬腐蝕本質上就是氧化還原反應。我們可以采取多種措施來減緩腐蝕。涂漆可以將暴露的表面與電解質（水）和大氣隔絕開來。鈍化處理通常是在表面形成一層能夠抵抗進一步氧化的涂層。在鋁合金板上包覆一層純鋁會形成氧化鋁，我們稱之為硬鋁或包鋁。鉻酸鹽“轉化涂層”常作為鋁合金和鎂合金的鈍化劑。“發黑”、“帕克化（Parkerizing）”（俗稱槍藍）和磷化處理則用于鋼合金的鈍化。陽極氧化是另一種鈍化金屬的方法，它通過化學反應在金屬表面形成一層薄薄的涂層，從而減緩部件的腐蝕。犧牲陽極氧化層（鎘或鋅）通常比鈍化層更厚。雖然結構間的電氣搭接最重要的作用是防止靜電積聚，從而保護航空電子設備并防止電弧危險（防火），但它也可以降低金屬部件之間的電位差，從而減緩腐蝕。

以上就是金屬的相關信息。

金屬腐蝕的特點在于，我們幾乎一眼就能看出。我們知道腐蝕的程度，也知道如何減緩腐蝕。但復合材料并非總是如此。

復合材料腐蝕

復合材料結構也會腐蝕。無論是玻璃纖維、芳綸纖維還是碳纖維浸漬織物，它們都會吸收水分（這會導致膨脹），并且因陽光照射而降解。紫外線尤其有害，但可見光也會造成損害。表面保護不足、表面保護層出現細小裂縫或其他類型的物理損傷（例如工具掉落、石塊或其他碎屑等）都可能導致水分侵入。復合材料基體中的水分在結冰時會膨脹，使情況更加惡化。旋翼槳葉維修車間深知在維修前必須清除所有殘留水分。

光的波長越長，每個光子攜帶的能量就越少。這就是為什么紫外線更令人擔憂的原因，因為它的波長比光譜中的黃光或紅光更短。紫外線要造成損害，必須滿足兩個條件。首先，材料必須吸收紫外線。一旦發生這種情況，就會出現幾種可能的結果。第一，吸收的能量能夠以熱的形式重新輻射出去。其次，能量能夠以不同的波長重新輻射或被反射。我們涂抹在皮膚上的防曬霜（如果我們明智的話）正是通過前兩種途徑來減少紫外線輻射造成的損害。第三，能量可以被基質中的化合物吸收，這是紫外線能夠降解各種復合聚合物的主要原因。紫外線的波長可以穿透地球大氣層，并且它所含的能量足以破壞化學鍵（超過斷裂化學鍵所需的離解能），從而削弱復合材料的結構。我們都見過玻璃纖維、聚酯樹脂或環氧樹脂材料因陽光照射而變色的例子。這種材料不如最初固化時那么堅固，并且會持續降解直至最終碎裂。

高溫也會損害復合材料。許多直升機都配備了隔熱罩來偏轉排氣。鋁合金也會受到高溫的影響，但程度不及復合材料。部分原因是復合材料在未出現明顯劣化跡象的情況下，其初始強度可能會損失一半甚至更多。有證據表明，在某些情況下，長期暴露于中等高溫環境下的損害可能比短期暴露于更高溫度下更為嚴重。對于可加熱旋翼槳葉而言，一個重大障礙是，研究表明，用于主旋翼槳葉除冰的熱量足以破壞傳統槳葉蒙皮和芯層之間的粘合，復合材料槳葉也存在同樣的風險。隨著新型直升機設計中復合材料結構部件的日益普及，維修人員需要密切關注表面保護層的任何缺陷，并且可能需要隨身攜帶一把敲擊錘。復合材料結構制造的一大難點在于，需要具備高水平的質量保證和檢測技術，以確保鋪層和固化過程中產生的缺陷（例如夾雜物、脫粘或分層）小于可接受的限值。超聲波檢測技術在許多應用中都表現出色，但對于金屬合金部件而言，其效果不如 X 射線檢測。除了各種超聲波檢測方法（例如單探頭、多探頭或相控陣、透射法或脈沖回波法等）之外，還有剪切散斑干涉法。該方法利用光波干涉圖樣或相位偏移來檢測零件在受到應力（熱應力、機械應力、振動應力、聲應力、扭轉應力等）作用時的表面或亞表面缺陷。其中一些技術更適合在受控環境下（例如原始設備制造商的環境）檢測新部件，但隨著微電子技術和信號處理軟件的不斷進步，這些技術將越來越多地應用于“航線上”的復合材料結構檢測。

如果這些內容聽起來有點像火箭科學，那是因為它們確實有點像火箭科學。

我們或許即將迎來這樣一個時代：直升機行業對復合材料檢測人員的需求將比以往更加迫切。這并非意味著直到最近直升機才開始大量使用復合材料。采用復合材料制造核心機身結構的時代已經到來，而且它們在主要結構部件中的應用將會越來越普遍。25 年前，我曾認為，如果我當時選擇成為一名航空電子工程師，那將是明智之舉，這也許被證明是正確的。現在我還建議，對于今天開始從事航空維修的人來說，在復合材料維修和檢測方面打下扎實的基礎，很可能是獲得穩定職業保障的途徑。這兩項技能也都能直接應用于其他行業。

來源：Corrosion Problems in Helicopters. By Jon Robins. Helicopter Maintenance Magazine. 略有修改。非原文配圖及視頻來源于網絡。

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