《民用飞机结构腐蚀与防护》

1《民用飞机结构腐蚀与防护》教案机务系结构修理教研室魏静广州民航职业技术学院2民用飞机结构腐蚀与防护绪论§０-１基本概念一、腐蚀的定义定义：材料（通常是金属）与环境介质相互作用而导致的变质或破坏的现象。主体：①材料②环境防腐：两者隔离１.材料：８０余种金属在一定条件下受不同程度的腐蚀贵重金属：金Ａu铂Ｐt（家长的手饰佩戴久了会发黑）↓腐蚀性差，不易腐蚀↑腐蚀是绝对的，不腐蚀是相对的２.介质:大气、水、土壤、灰尘、化学原料及不同种类的金属窗户的锁扣上的螺钉生锈——尽量用同一种金属。§０-２金属腐蚀过程的本质腐蚀单质化合物（不活跃的如金也是金矿的形式冶炼活跃的如硫硫矿FeS）铁→水合氧化铁FeO·XH2O(吸水个数不定，量不大时有多少吸多少)高能量状态到低能量状态自发的；低能量状态到高能量状态要大量的热能金属腐蚀的本质：金属在一定的环境中经过反应回复到化合物状态即:金属材料＋腐蚀介质→腐蚀产物＋热量因此腐蚀过程是一个放热的过程。（只是有些速度慢觉察不到）反应速度快的例子：金属钠（Ｎa）放到水里→有声音、有热量（极端例子，反应相当快）§０-３腐蚀的类型一、按腐蚀反应的机理分类3（一）化学腐蚀（发生机率不大）纯化学反应，无电子的移动，无电流的产生（不多）通常发生在干性（高温）环境下，如飞机上涡轮叶片高温氧化（二）电化学腐蚀（最普遍，最常见）指金属与电解质溶液因发生电化学作用而产生的破坏在同一种金属上也会发生腐蚀。二、按腐蚀的环境分类分为：大气腐蚀，水的蒸汽腐蚀，土壤腐蚀，化学介质腐蚀（酸、碱、盐）三、按腐蚀的外观特征分类可分为：全面腐蚀和局部腐蚀ΔＷ化物　　　水溶性减重：氧　　不是水溶性的增重：FeO全面腐蚀：腐蚀分布在整个表面，相对较均匀。局部腐蚀：腐蚀主要集中在某一区域，分布不均匀，危险性很大。发生水桶效应看最弱处（又如材料的承载能力）最弱处才是基准局部腐蚀腐蚀危害性很大，大约５７种常见的有：应力腐蚀、点蚀、晶间腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、垢下腐蚀、冲刷腐蚀e阴极ZnCu阳极水（电解质，不是绝对纯）4第一章电化学腐蚀的基本概念第一节金属腐蚀的电化学反应一、腐蚀电化学反应的实质e指针活跃金属为阳极，受腐蚀阳极：Zn–2e→Zn2+↓受腐蚀阴极：2H++2e→H2↑↓受保护用牺牲材料的方法来保护金属，如镀锌等等腐蚀电化学反应实质：一个发生在金属和溶液界面上的多相界面反应电子的传递：阳极→阴极→电解质溶液阳极反应：M→Mn++n.e阴极反应：D+n.e→[D.ne]↓去极剂接受电子后生成的物质溶液中能接受电子的物质，称去极剂或氧化剂常见的去极剂：1.H+（还原成H2）——析氢反应（相应的腐蚀叫析氢腐蚀）2H++2e→H2↑2.溶解在溶液中的O2OHOHOHOH2222224e4HO44eO2HO在酸性条件下生成原成在中性或碱性条件下还3．金属高价离子阳极ZnCu阴极H2SO4A5Mn++n.e→M沉积反应（电解精炼铜）Mn++e→M(n-1)+较低价态的金属离子（三类五种）共同特点：耗电子第二节金属电化学腐蚀倾向的判断性质+介质如ZnAl性质不同在于电极电位（一）电极电位1、双电层结构和电极电位双电层：金属进入溶液中，在金属和溶液界面可能发生带电粒子的转移，电荷从一相通过界面进入另一相，结果在两相中都会出现剩余电荷，并或多或少地集中在界面两侧，形成一边带正电一边带负电的“双电层”。例如：Zn浸在自身的盐溶液中（倾向快）Zn–2e→Zn2+进入溶液（倾向慢）Zn2++2e→Zn沉积在Zn片的表面如果是Cu与Cu2+，则（倾向慢）Cu–2e→Cu2+（倾向快）Cu2++2e→Cu电极电位正好反过来电极电位：我们称这样一个金属/电解质溶液体系为电极，而将体系中金属与溶液之间的电位差称为该电术的电极电位。2、平衡电极电位与能斯特方程式平衡电极电位（可逆电位）双电层不随时间变化，即电荷平衡，物质平衡。标准电极电位标准状态下的平衡电极电位标准状态：纯金属，纯气体，1.01x105Pa，25℃，单位活度++++——————金属电解质溶液金属————+++电解质溶液6按标准电极电位值由小到大的顺序排列—标准电极电位序或简称为电动序实际中用别的电极作为参比电极用参比电极测得的电位值要换算：相对参比电极的电位+参比相对标准氢电极电位能斯特方程式：用于非标准状态下的平衡电位Ee=E°+nFRTLn氧化态氧化态aa对于金属固体：Ee=E°+nFRTLnanm实际腐蚀中有多种不同物质反应，物质和电荷不可能都平衡称只有电荷平衡为稳定如锌在盐酸中腐蚀：22222HeHeZnZn（阴极）（阳极）由两个电极过程完成阳阴极反应以相同速度进行，此时电荷平衡，所获得的电位称为稳定电位非平衡电位不能用能斯特方程式二、腐蚀倾向的判断反应电位较正的电极：还原反应电位较负的电极：氧化用电动顺序表预测标准状态下的腐蚀体系的反应方向非标准状态下要用能斯特方程式换算7第三节腐蚀电池一、产生腐蚀电池的必要条件①丹尼尔电池Zn2+活度a2zn=1Cu2+活度a2cu=1则：E0CuCu/2―E0ZnZn/2=0.337―(―0.763)=1.100V=E0原电池的电动序外部：负极正极，极极电流：极极：电子ZnCuZnCuCuZne（—）Zn∣Zn2+∣∣Cu2+∣Cu（+）②伏特电池：是金属与不同种离子之间产生电位差（—）Zn∣H2SO4∣Cu（+）腐蚀原电池（腐蚀电池）：由于不同电极电位的金属在电解溶液中构成了原电池而产生了金属的电化学腐蚀。腐蚀电池发生氧化反应阳极（负极）发生还原反应阴极（正极）形成腐蚀电池具备的条件：1）存在电位差既要有阴、阳极的存在2）存在电解质溶液3）在腐蚀电池的阴、阳极之间要又连续传递电子的回路二、腐蚀电池的工作过程（1）阳极过程：金属溶解，以离子的形式进入溶液，并把当量的电子留在金属上：（负极）M→Mn++n.e（2）阴极过程：从阳极流过来的电子被电解质溶液中能够吸收电子的氧化剂（本（正极）身被还原）即去极剂（D）所接受：D+n.e→[D.ne]8（3）电流的流动。电流在金属中是依靠电子从阳极流向阴极，而在溶液中是依靠离子的迁移，这样就使整个电池系统中的电路构成通路。三个过程相互独立，彼此依存，缺一不可三、腐蚀电池的类型根据腐蚀电池中电极大小微电池腐蚀）氧浓差电池（）金属离子浓差电池（浓差电池电偶腐蚀电池宏电池腐蚀21（一）宏电池腐蚀：（凭肉眼可看到电极构成的“大电池”）1、电偶腐蚀电池（接触腐蚀）a、概念：两种不同电极电位的金属（合金）接触，在电解质溶液中组成腐蚀电池，电位较负的受腐蚀，较正的被保护。b、形成的主要因素：不同的金属。（电极电位相差越大，腐蚀越严重）c、判断依据：特定介质中的稳定电位——电偶序电偶序：跟据金属（或合金）在一定的条件下测得的稳定电位的相对大小排列而制成的表。电动序与电偶序的区别：前者：纯金属在平衡可逆的标准条件下——判定金属腐蚀的倾向。后者：非平衡可逆体系的稳定电位（并非纯金属）——判定一定介质中两种金属耦合时产生电偶腐蚀的可能性，如能产生则可判断哪一个是阳极，哪一个是阴极。d、影响因素：电位差越大，腐蚀越厉害介质的导电性：介质导电性越差，电阻越大，电流不易分散，阳极破坏越严重面积效应：指电偶腐蚀电池阴极和阳极面积之比对腐蚀过程的影响。大阳小阴：相对较为安全小阳大阴：电流急剧增加，结构很快破坏e、电偶腐蚀的防止方法：尽量避免使用不同金属材料，不可避免则选电偶序中相隔较近的避免形成大阴极小阳极的不利的面积效应若采用了不同的金属材料相接触，应让它们彼此绝缘焊接时，焊条材质成分与基体金属一致或使用较高一级的焊条2、浓差电池{（1）金属离子浓差电池（2）氧浓差电池}9概念：同一金属的不同部位所接触的介质具有不同浓度，引起电位差的不同而形成浓差电池。（1）金属离子浓差电池同一种金属浸在不同金属离子浓度的溶液中用半透膜隔开：离子彼此通过，溶液不混合此倾向：稀浓eCuCu22此倾向：浓稀即：电位较正，阴极浓溶液中：难失电子，电位较负，阳极稀溶液中：易失电子，∴当溶液中金属离子浓度越稀，电极电位越低；浓度越大，电极电位越高。电子由金属离子的低浓度区（阳极区）流向高浓度区（阴极区）。（2）氧浓差电池：（充气不均电池）由于金属与含氧量不同的溶液相接触而引起电位差是造成金属缝隙腐蚀的主要因素溶解氧浓度越大，氧电极电位越高（阴极）氧浓度越小，电极电位越低（阳极）常见的：水线腐蚀，缝隙腐蚀（二）微电池腐蚀由于电化学不均匀性引起的自发又均匀的腐蚀不均匀性原因：1、化学成分不均匀性2、金属或合金组织内的晶粒与晶界的电极电位不同3、金属的物理状态的不均匀性（温差等）（变形大、应力集中部位成阳极）4、金属表面膜的不完整性CuCuV稀CuSO4浓CuSO4半透膜阳极阴极C1C210第二章飞机结构的腐蚀类型第一节均匀腐蚀一、概念：金属表面上发生的程度比较均匀的、大面积的的腐蚀二、产生条件表面无保护，暴露在有腐蚀介质的大气中三、表现特征：表层均匀脱落表面失去光泽→表面粗糙、刻蚀、有斑痕、有粉末状沉积物用失重、腐蚀深度表示腐蚀程度四、机理腐蚀源的阴极与阳极很微小而且靠得很近（随机分布）第二节电偶腐蚀一、概念：两种或两种以上具有不同电位的金属或合金相接触时产生的腐蚀（不同电位的金属，受保护还是受腐蚀由材料的电偶序来判断）二、产生条件：（不同电位相接触）电位差值越大，越易形成电偶，呈阳极性的金属被腐蚀的程度越高三、防护、解决方法（根本上：隔离阳、阴极；避免电解液的积存）1、在不同金属间接触面中间加防蚀性涂层或绝缘层2、电镀防蚀层1）将相连接的不同金属变得相容2）将相连接的不同金属隔开例子：a不锈钢紧固件和螺帽安装到铝合金结构上采用镀镉或铝包层措施b如有镁合金参与接触面涂铬酸锌低漆，至少两层，然后铺一层0.003英寸的压敏性乙烯薄膜（带状），要避免气泡、皱纹及抽缩变形11第三节缝隙腐蚀一、概念金属与金属或金属与非金属之间，由于特定的狭小缝隙限制了与腐蚀有关的物质（如溶液等）的扩散，从而形成以缝隙为阳极的（氧）浓差电池，使缝隙内的金属发生剧烈的局部腐蚀。二、产生条件及影响因素1、有氧化膜或钝化层的金属或合金（不锈钢、铝）2、金属表面存在适当宽度的缝隙（既能让介质流入，又使缝内介质处于滞留状态）常发生在：0.025~0.1mm的缝隙内大于0.3mm的缝隙内很少发生3、腐蚀处几乎有腐蚀介质存在，尤其含Cl-4、介质温度升高，腐蚀速度加快5、介质流动速度加快，腐蚀敏感性降低三、产生区域孔穴、搭接缝、沉淀物、垫片底面、螺帽、铆钉四、防止方法——消除缝隙1、尽量避免缝隙和积液死角区的形成2、排污孔应处于最低端3、多用对接焊，减少铆接和螺栓连结4、无法避免缝隙的地方尽量用缝隙填料填实例子：碳钢在中性海水中步骤1、开始内外溶液中溶解氧的浓度一致，同时以相同速度进行氧的还原、金属的溶解2、因滞流影响，氧以扩散形式向缝内传递，故难以补充，氧还原反应终止；缝外氧还原继续进行∴构成氧浓差电池缝内是阳极，金属溶解Fe→Fe2++2e3、由于具有大阴小阳的面积比，腐蚀电流较大二次腐蚀产物在缝口形成（Fe(OH)2），发展成闭塞电池，使腐蚀进入发展阶段4、形成闭塞电池，阳离子难以向缝外扩散，缝内产生过多正电荷，则Cl-向缝内迁移以维持溶液电中性，且生成金属氯化物Fe2++2Cl-→FeCl2水解再生成盐酸，使PH值减少FeCl2+2H2O→Fe(OH)2+2HCl金属不断溶解→Cl-不断迁移进缝内→氯化物不断水解→PH值不断下降→加速腐蚀这称为自催化酸化作用12∴蚀加深的根本原因自催化酸化作用，是腐塞电池蚀坑深化、扩展形成闭腐蚀起促进作用氧浓差电池的形成，对第四节丝状腐蚀*一种特殊形式的缝隙腐蚀*发生在保护膜下面，又称为膜下腐蚀或漆膜下腐蚀*腐蚀呈浅沟状*丝状腐蚀的机理可用典型的缝隙腐蚀机理来解释*影响丝状腐蚀最主