海洋环境服役飞机发动机镁合金使用要求和研究方向分析

作者:骆晨,吴雄,孙志华,汤智慧
1 北京航空材料研究院 中国航空发动机集团航空材料先进腐蚀与防护重点实验室 北京 100095
2 海军研究院 上海 200436

镁合金是目前实际应用的最轻的金属结构材料，密度为1.75~ 1.86 g/cm3，约为Al的2/3， 钢的 1/4，与多数工程塑料相当。它具有较好的阻尼特性，吸收冲击和振动能力高，适用于 制造承受冲击和振动载荷的零部件。镁合金切削加工性能良好，有利于零件的机械加工成形。

轻量化是航空构件的重要发展方向之一。镁合金的应用能带来巨大的减重效益和飞行器 战技性能的显著提升。减少相同质量，战斗机带来的燃油费用节省是商用飞机的近 10 倍， 更重要的是其机动性能改善可极大提高其战斗力和生存能力[1,2]。战斗机质量若减轻 15%， 飞机滑跑距离可缩短 15%，航程增加 20%，有效载荷提高 30%；喷气发动机结构减重 1 kg， 飞机结构可减重 4 kg，升限高度可提高 10 m[3]。因此，镁合金在航空领域的应用具有重要意 义。

20 世纪 20 年代，镁合金开始应用于航空领域。战争年代武器装备大量战损，使用寿命 较短，镁合金耐蚀性差的缺点在当时被掩盖。然而，由于镁合金被发现在潮湿气候环境特别 是海洋环境下耐腐蚀性能较低[4]，镁合金铸件或铸锭中的氯化物熔剂夹杂可导致镁合金制品耐腐蚀性能大幅度降低。到了 20 世纪 70、80 年代，其在航空产品上的应用受到严格限制[5- 7]。加上铝合金的迅速发展，镁合金在航空领域的用量大幅度减少。到了 20 世纪 90 年代， 在材料和腐蚀科学技术发展的推动下，Mg 及其合金存在的一些问题得到解决[8-11]。其中， 微弧氧化[12-14]和在镁合金上制备耐蚀涂层[15]都是有效提高镁合金部件安全服役性能的重要 方法。镁合金的研究和应用迎来了第二个高潮，也重新引起了航空工业对使用 Mg 材料的兴 趣[16, 17]。

本文介绍了镁合金在航空发动机领域的应用现状，结合国内外的适航标准、通用标准规 范，分析了镁合金在航空发动机上的使用要求和限定条件，针对镁合金的应用研究提出了建 议。

1 镁合金在航空发动机上的应用情况和腐蚀性能

1.1 航空发动机的镁合金应用情况

镁合金强度和弹性模量比铝合金低，但比强度和比刚度较高，在相同重量的构件中采用 镁合金可使构件获得更高的刚度。因此，在航空发动机上常被用于替代铝合金，以减轻结构 重量。ZE41 镁合金铸件用于制造 AE-3007 发动机的中介机匣（装配美国“全球鹰”无人机）， WE43 镁合金铸件用于制造 F-110 发动机（配装美国 F-16、F-18 战斗机）的附件机匣，还用 于制造 F-119 发动机的变速箱壳体（配装美国 F-22 战斗机）[18]。镁合金在我国部分现役航 空发动机的应用情况见表 1 [19]，一般应用于附件机匣、减速器前盖和油雾分离器壳体等部位 [20]。

镁合金耐蚀性远低于铝合金[21]，某型飞机发动机的滑油泵壳体、滑油机匣及其盖、压气 机前机匣壳体等均是镁合金构件。据文献[19, 22]报导，该型号飞机有的镁合金部件由于在工作 过程中滑油流到其上产生了严重腐蚀。对多年来返厂大修的某发动机统计，发现滑油系统的 镁合金壳体、机匣等部件腐蚀严重，报废量很大，占返厂大修量的 30%。对每一个腐蚀部件 仔细观察发现，腐蚀部件均被油腻污物所覆盖。因此，腐蚀主要是滑油污染而变质产生微生 物引起的微生物腐蚀。

表 1 现役航空发动机镁合金结构应用情况汇总
Table 1 List of applications of in-service aeroengine magnesium alloy structures

1.2 镁合金及腐蚀与防护性能

1.2.1 海洋大气环境暴露试验

在海南万宁自然环境试验站开展 ZM5 镁合金裸材和微弧氧化试样的海洋大气环境暴露 试验，并对 0.5~2 a 海洋大气环境暴露试验后的试样进行外观检查。由图 1 和 2 的外观腐蚀 形貌可知，在暴露 0.5 a 后，ZM5 镁合金裸材试样表面失去金属光泽，形成一层致密的暗灰 色的膜层；暴露 1 a 后，试样表面变化不明显；暴露 2 a 后，表面出现大量白色斑点。

在暴露 0.5 a 后，ZM5 镁合金微弧氧化试样表面发生明显褪色，局部区域出现暗斑。在 暴露 1 a 后，试样表面褪色更加严重，总体上呈灰色。在暴露 2 a 后，试样表面颜色进一步 变化，总体上呈浅白色。

1.2.2 实验室盐雾实验

图 3 为 ZM5 镁合金裸材试样在 5%（质量分数）NaCl 溶液中性盐雾实验 24~240 h 后的 宏观形貌。可见，在经历 24 h 盐雾实验后，ZM5 镁合金裸材试样正面出现了大量的灰色腐 蚀产物，反面的点蚀现象明显。经过 48 h 后，试样正面和反面的腐蚀情况进一步加剧。经过 96 h 后，试样正面和反面均有大量腐蚀产物堆积。经过 240 h 后，试样正面和反面完全被 灰色腐蚀产物覆盖，并在后续的实验过程中逐渐碎裂和粉化。

图 4 为 ZM5 镁合金裸材试样中性盐雾实验 96~1000 h 后的宏观形貌。可见，ZM5 镁合 金微弧氧化试样经历 96 h 后，正、反两面均无明显变化；经历 240 h 后，正、反两面均无明 显变化；经历 480 h 后，正、反两面的穿孔和边缘位置出现了基材碎裂的情况；经历 720 h 后，粉化现象更为严重；经历 1000 h 后，部分试样已出现了大面积的粉化碎裂。

由以上实验结果可知，镁合金裸材试样在 0.5 a 海洋大气环境暴露试验和 24 h 盐雾实验 后就出现了严重的腐蚀。采取微弧氧化工艺保护后，镁合金微弧氧化试样出现腐蚀的时间推 迟到盐雾实验 240~480 h 之间；在 1000 h 盐雾实验后，镁合金微弧氧化试样大部分碎裂和粉 化。这说明镁合金腐蚀性能极差，但在经过适当的表面处理后，耐腐蚀性能显著提升。如果 能够明确镁合金在航空发动机上使用时应符合的限定条件，规定在海洋环境下必须采用的防 护体系，镁合金结构能否在海洋环境服役航空发动机上适用尚不清楚。

图 1 ZM5 镁合金裸材试样在万宁站大气暴露后的外观形貌
Fig.1 Morphologyies of ZM5 magnesium alloy bare specimens after exposure in Wanning station: (a) original specimen, (b) 0.5 a, (c) 1 a, (d) 2 a

图 2 ZM5 镁合金微弧氧化试样在万宁站大气暴露后的外观形貌
Fig.2 Morphologies of ZM5 magnesium alloy micro-arc oxidation specimens after exposure in Wanning station: (a) original specimen, (b) 0.5 a, (c) 1 a, (d) 2 a

图 3 ZM5 镁合金裸材试样室内加速实验不同时间后的宏观形貌
Fig.3 Macromorphologies of ZM5 magnesium alloy bare specimens after salt spray corrosion for 24 h (a, b), 48 h (c, d), 96 h (e, f) and 240 h (g, h)

图 4 ZM5 镁合金微弧氧化试样室内加速实验不同时间后的宏观形貌
Fig.4 Macromorphologies of ZM5 magnesium alloy micro-arc oxidation specimens after after salt spray corrosion for 96 h (a, b), 240 h (c, d), 480 h (e, f), 720 h (g, h) and 1000 h (i, j)

2 镁合金在飞机及发动机上的使用要求分析

2.1 适航标准和通用规范中的镁合金使用要求

针对镁合金的特性，国内外发布了相关准则、规范，提出了镁合金在飞机及发动机上的 使用要求[23]，见表 2。美国国防部发布了 MIL-HDBK-516B《适航性审查准则》和 JSSG-2007A 《航空涡喷涡扇涡轴涡桨发动机联合使用规范指南》，指出美国海军镁合金机匣曾发生过腐 蚀损坏，空军镁合金机匣曾遭受电蚀损坏，螺旋桨镁合金齿轮机匣曾发生严重腐蚀，由于腐 蚀引起较高的报废率，已经采用铝合金构件替换了几种镁合金构件。欧洲航空安全局发布了CS-E《发动机合格证规范》，指出应考虑镁合金材料摩擦或接触燃气引起着火的可能性，使 用镁合金要采用预防措施，以尽量避免火灾的发生。

在我国，中国人民解放军总装备部、国防科学技术工业委员会发布了 GJB 241A-2010《航 空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》、GJB 242A-2018《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通 用规范》、GJB 2635A-2015《军用飞机腐蚀防护设计和控制要求》和 HB 7671-2000《飞机结 构防腐蚀设计要求》，指出镁合金极易受到腐蚀，应视情况采用涂层和有针对性的维护措施。

表 2 国内外适航标准和通用规范中镁合金使用要求条款的对比
Table 2 Comparison of magnesium alloy application requirement clauses in domestic and foreign airworthiness standards and general specifications

2.2 国外镁合金在飞机上使用的限定条件分析

关于镁合金在飞机上使用的限定条件，美国国防部针对航空航天武器系统中镁合金腐蚀 预防和控制提出了相应的材料和工艺要求，并在 F-22 和 F-35 等型号战斗机上积累了一些镁 合金使用的经验。

2.2.1 航空航天武器系统中镁合金腐蚀预防和控制的材料和工艺要求

1996 年，针对航空航天武器系统，美国国防部发布了 MIL-HDBK-1568 (USAF)《用于 航空航天武器系统腐蚀预防和控制的材料和工艺》中提到：（1）镁合金只能在采购活动的特 别批准下使用。（2）喷漆前镁合金应按照 MIL-M-45202《镁合金阳极氧化处理》进行处理。表面处理后的钻孔应按照 MIL-M-3171《镁合金的前处理工艺和腐蚀预防》中的第 VI 类情 况进行处理。阳极氧化后的零件需要按照 MIL-M-3171 第 VII 类情况进行表面封闭处理。（3） 装配前镁合金表面应施加两层底漆和两层面漆。所有贴合面应施加符合 MIL-S-81733《缓蚀 密封和涂覆化合物》的缓蚀密封剂，所有紧固件的安装应使用符合 MIL-S-81733 的密封剂和 符合 MIL-S-81733“耐化学试剂和溶剂的环氧聚酰胺底漆”的底漆。

2.2.2 F-35 战斗机镁合金使用经验

在 F-35 战斗机项目研制过程中，F-35 战斗机联合项目办公室专门成立了腐蚀评估小组 针对该型号战斗机可能出现的腐蚀问题进行评估。其中，针对镁合金在该型号飞机上的使用 提出了以下几方面问题。

（1）飞机镁合金部件与发动机阳极氧化铝合金变速箱（无底漆/面漆）直接接触。尽管 镁合金部件涂装了实际服役效果良好的涂层，但是变速箱仍应该增加表面防护措施。这说明， 镁合金结构及其接触的零部件都需要施加防护涂层，不能无涂层使用或只在其中的部分部件 上施加涂层。

（2）在判定镁合金部件是否满足使用条件时，最好选用实际试验的方法。如果没有条 件开展试验，则要采用相似性比较的方法，即筛选服役条件最严酷的部件，通过全尺寸试验 进行测试。其中，服役条件最严酷部件应基于形状、环境和位置选定；对于其他部件，基于 试验结果，选用效果最好的涂层；联合项目办公室和供应商持续评估新涂层和技术，以备后 续进一步改善。

（3）开展完整的全尺寸气候试验，不要由于经费和进度等问题导致气候试验被裁掉， 或者气候试验的范围被削减。

3.明确航空发动机镁合金使用要求和限定条件需要开展的研究工作

综合分析关于适航标准、通用规范中涉及到的镁合金使用要求，发现目前国内外针对镁 合金在航空发动机上的使用要求，仅仅发布了一些指导性的原则，如应尽量少使用镁合金；获得用户部门许可可以使用镁合金时，应选用高品质镁合金；无论镁合金与镁合金零件接触 表面，还是镁合金与其他合金零件接触表面，需要用底漆或其他涂层加强保护。

具体到镁合金在航空发动机上使用时应符合的限定条件，特别是在海洋环境中必须采用 的防护工艺，并没有明确地规定。美国通过 F-22 和 F-35 等战斗机型号的研制积累了一些关 于镁合金在飞机上使用限定条件的经验，例如，装配前镁合金表面应施加两层底漆和两层面 漆；所有贴合面应施加缓蚀密封剂；所有紧固件的安装应使用密封剂和底漆。

然而，这些方法在海洋环境服役航空发动机上是否适用尚不清楚。目前，国内也存在航 空发动机用镁合金材料和防护工艺基础腐蚀性能数据不足，无法有效支撑材料、工艺选用和 海洋环境适应性评价的问题。针对国内海洋环境服役航空发动机镁合金应用及研究现状，建 议开展以下工作：

（1）镁合金在海洋环境服役航空发动机上使用情况的全面梳理；

（2）分析航空发动机服役过程中镁合金结构遭遇的最严酷腐蚀环境，建立相应的当量 环境谱和实验室模拟加速实验方法；

（3）针对镁合金典型防护工艺，开展自然环境试验和实验室模拟加速实验，确定材料、 防护工艺的腐蚀防护性能，形成防护工艺耐海洋环境腐蚀能力的排序；

（4）重点研究建立防护体系出现破损的镁合金试样的腐蚀累积量随时间的变化规律， 并与海洋环境服役航空发动机已经选用的铝合金材料的试验结果进行对比，提出镁合金试验 考核方法及评价准则；

（5）针对优选的镁合金防护工艺，开展海洋环境服役航空发动机典型异种金属连接结 构的实验室模拟加速实验，验证典型结构的海洋环境适应性。

4 结语

通过对适航标准、通用规范等文件的分析，探讨了镁合金在飞机发动机上的使用要求， 发现目前国内外仅发布了诸如“应尽量少使用镁合金”、“镁合金与镁合金或其他合金零件的 接触表面需要用涂层加强保护”等指导性的原则。镁合金在海洋环境服役飞机发动机上使用 时应符合的具体限定条件，尤其是在海洋环境中必须采用的防护工艺，并没有明确地规定。

建议结合飞机发动机服役过程中镁合金结构遭遇的最严酷腐蚀环境，建立实验室加速实 验当量环境谱，并开展镁合金典型防护工艺的实验室加速实验及自然环境试验，确定其腐蚀 防护性能。重点建立防护体系破损镁合金试样腐蚀累积量随时间的变化规律，并与海洋环境服役飞机发动机用铝合金的试验结果进行对比，提出镁合金试验考核评价准则。针对优选的 镁合金防护工艺，开展异种材料连接结构的实验室加速实验，验证典型结构的海洋环境适应性。

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来源:中国腐蚀与防护学报