航空發(fā)動機適航標準中鎂合金材料使用要求

唐正府 劉興科 任光明

（95899部隊，北京 100076）

航空發(fā)動機適航標準中鎂合金材料使用要求

唐正府 劉興科 任光明

（95899部隊，北京 100076）

針對鎂合金材料在航空發(fā)動機使用中容易腐蝕而被限制使用的問題，從適航條款出發(fā)，結(jié)合案例分析，系統(tǒng)梳理了鎂合金材料在適航標準、國內(nèi)外標準規(guī)范中的使用規(guī)定，對比分析條款，總結(jié)歸納特點，為航空發(fā)動機材料選用提供參考借鑒。

鎂合金；航空發(fā)動機；適航；標準

鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，密度為1.75～1.85g/cm3。用于航空、航天飛行器中可以減輕結(jié)構(gòu)重量，用于高速運行的零部件可以減少慣性力。鎂合金的強度和彈性模量比鋼、鋁合金低，但比強度和比剛度較高，在相同重量的構(gòu)件中采用鎂合金可使構(gòu)件獲得更高的剛度。鎂合金具有較好的阻尼特性，吸收沖擊和振動能力高，適用于制造承受沖擊和振動載荷的零部件。鎂合金切削加工性能良好，有利于零件的機械加工成形。

鎂合金耐腐蝕性能較低，尤其是鎂合金鑄件或鑄錠中的氯化物熔劑夾雜，可導(dǎo)致鎂合金制品耐腐蝕性能大幅度降低。為了提高鎂合金的耐腐蝕性，國外采用無熔劑煉藝，即在惰性氣體保護下的熔煉工藝。影響鎂合金耐腐蝕性的另一重要因素是合金成份中的雜質(zhì)含量。雜質(zhì)中含有鐵、鎳、鈷、銅等成分對鎂合金的耐腐蝕性影響較大，國外對鎂合金材料中雜質(zhì)含量嚴格限制。鎂合金在潮濕氣候環(huán)境下抗腐蝕性能較差，使其在航空產(chǎn)品上的應(yīng)用受到限制，國外在鎂合金的研究與應(yīng)用上一直致力于提高鎂合金的抗腐蝕性能，主要是通過提高鎂合金純度的途徑，最大程度降低合金中重金屬雜質(zhì)銅、鎳、鐵等的含量。

鎂合金雖然重量輕、剛性好、抗沖擊，在航空發(fā)動機上常被用于替代鋁合金減輕零部件重量，但其抗腐蝕性差，使用時應(yīng)特別注意。一是設(shè)計零件和組合件時應(yīng)避免截面急劇變化形成凹槽和各種空腔，否則容易積水導(dǎo)致腐蝕；二是無論鎂合金與鎂合金零件接觸表面，還是鎂合金與其他合金零件接觸表面，為防止接觸腐蝕，需要用底漆、密封膠、潤滑脂或其他涂層加強保護；三是當長期貯存或運輸時，應(yīng)對鎂合金半成品或鑄件進行氧化處理和油封，在大氣條件下工作的鎂合金零件和組合件需用非金屬無機涂料和油漆層包裹。鎂合金表面上的非金屬無機涂層能夠保證油漆層對金屬有良好的附著力，并提高耐腐蝕防護的效果[1]。

1 案例分析

早期航空發(fā)動機的機匣和殼體廣泛采用鎂合金材料，如滑油傳動殼體、滑油泵殼體、飛機附件機匣殼體和空氣流道殼體等。其中滑油系統(tǒng)鎂合金構(gòu)件在工作過程中受各種因素影響腐蝕嚴重，報廢量較大。

1.1 腐蝕原因分析

1.1.1 停放年限影響

在外場停放時間長、工作時間短的發(fā)動機，由于滑油系統(tǒng)內(nèi)腔沉積容易導(dǎo)致腐蝕報廢。而長期在外場工作的發(fā)動機由于沒有沉積，僅有輕微腐蝕。

1.1.2 進水影響

由于維護不善導(dǎo)致滑油系統(tǒng)進水，滑油品質(zhì)變壞，既影響發(fā)動機工作效率，又會造成鎂合金內(nèi)腔腐蝕。據(jù)外場不完全統(tǒng)計該故障曾經(jīng)占到20%。

1.1.3 環(huán)境影響

在南方沿海地區(qū)，由于鹽霧、濕熱、霉菌的影響，滑油系統(tǒng)鎂合金部件腐蝕嚴重。在溫度高、濕度大的內(nèi)陸地區(qū)，鎂合金部件腐蝕也較嚴重。在靠近城市機場附近，由于熱電廠、焦化廠、石油化工廠等排出煙霧（主要成分為SO2、Cl2、C等）飄落在機場上空，造成大氣污染，加速鎂合金部件腐蝕。

1.1.4 材質(zhì)影響

早期航空發(fā)動機使用鎂合金材料工藝簡單，雜質(zhì)較多，電位較低，抗腐蝕能力較差。

1.2 對策措施

（1）改善加工工藝，采用特殊處理，提高鎂合金材料抗腐蝕能力。

（2）對外場長期存放的發(fā)動機定期起動，以便將發(fā)動機內(nèi)部濕氣及沉積在殼體內(nèi)部的滑油吹走，防止長期沉積而導(dǎo)致滑油變質(zhì)。

（3）加強外場防護，維修中拆卸下的零部件及時安裝，注意防護，防止水分及雜質(zhì)進入滑油系統(tǒng)內(nèi)部腐蝕鎂合金構(gòu)件[2-3]。

2 適航標準中鎂合金使用要求

在適航標準中明確對鎂合金使用環(huán)境和使用許可進行了規(guī)定。

2.1 MIL-HDBK-516B《適航性審查準則》

MIL-HDBK-516B《適航性審查準則》是2008年由美國國防部頒布的，用于確定有人駕駛和無人駕駛固定翼和旋翼航空器系統(tǒng)的適航性，以確定航空器系統(tǒng)的適航審定基礎(chǔ)。在航空器系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)任一時間，當需要確定適航性時，特別是功能基線或產(chǎn)品基線發(fā)生變化時，根據(jù)飛行安全要求，應(yīng)用準則確保獲得安全使用和維修的最低安全水平。

在MIL-HDBK-516B中第A.4.2.19“材料和工藝”一條明確規(guī)定：“對所有選擇的材料系統(tǒng)和工藝方法，與所有適用的環(huán)境狀態(tài)及法規(guī)的環(huán)境一致性必須加以驗證……鎂合金不適合鹽水環(huán)境，并且在沒有工程理由或未經(jīng)采購方批準時不能使用[4]……”

2.2 CS-E《發(fā)動機合格證規(guī)范》

歐洲CS-E《發(fā)動機合格證規(guī)范》是對發(fā)動機頒發(fā)型號合格證和更改合格證的適航性規(guī)范，其中第130條提到鎂合金的使用要求：許多用于制造發(fā)動機零部件的鎂合金，當分得很細時，如鎂屑或鎂粉是非常易燃的。所以使用薄細的鎂合金或者鎂合金暴露于腐蝕、摩擦或高洗刷速度下時，應(yīng)該仔細評定。在表明符合歐洲CS-E第130條款的要求時，申請方應(yīng)該仔細評定整個系統(tǒng)設(shè)計發(fā)生鎂火的可能性，及是否有響應(yīng)防護措施。如果該評定不能排除發(fā)生鎂火的可能性，則應(yīng)該表明鎂火能夠限制在發(fā)動機區(qū)域內(nèi)而不會導(dǎo)致危害性影響[5]。

3 通用標準規(guī)范中鎂合金使用要求

在國內(nèi)外通用標準規(guī)范中，也對鎂合金使用有嚴格要求。

3.1 GJB 241A-2010《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范》

GJB 241A-2010《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范》是參考美國MIL-E-5007系列和MIL-E-87231系列軍用規(guī)范的有關(guān)內(nèi)容，結(jié)合我國航空發(fā)動機研制實際情況進行修訂，根據(jù)航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)展需要，對GJB 241-1986進行修訂，補充了新技術(shù)、新功能、新系統(tǒng)、新材料、新結(jié)構(gòu)以及新設(shè)計等方面的要求，增加了生產(chǎn)定型階段驗證，細化了穩(wěn)定性、可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性等方面的要求。其中第3.3.1“材料、工藝和緊固件”一條中明確規(guī)定：“使用鎂合金時，要得到使用部門的特別批準?！?/p>

GJB/Z 216-2004《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范使用指南》第3.3.1.1.1條對鎂合金使用要求進行了解釋說明：“由于不同的環(huán)境，在空軍發(fā)動機上成功使用的材料，在海軍發(fā)動機上使用可能會存在問題。如鎂合金極易受到腐蝕，尤其是在海洋環(huán)境中，防護層上一個很小的針孔也會使鎂合金腐蝕。國外的J79和T76發(fā)動機都曾發(fā)生過鎂合金附件機匣或齒輪機匣被腐蝕的情況，因此鎂合金應(yīng)在采取措施的情況下視情使用[6]?！?/p>

3.2 JSSG-2007A《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機聯(lián)合使用規(guī)范指南》

JSSG-2007A《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機聯(lián)合使用規(guī)范指南》是在美國防務(wù)政策調(diào)整、防務(wù)預(yù)算費用大幅縮減、軍方采辦政策逐漸向商業(yè)采辦轉(zhuǎn)變，以降低采辦成本、維持防務(wù)專用核心能力的背景下出現(xiàn)的，由美國國防部批準，適用于固定翼、旋翼、有人駕駛和無人駕駛航空器的動力裝置，旨在供政府和工業(yè)部門項目組作為發(fā)展特定規(guī)范的指南。JSSG-2007A規(guī)定了燃氣渦輪發(fā)動機的項目定義、性能、工作特性、可靠性、維護性、子系統(tǒng)、物理特性、總體設(shè)計、安裝和界面要求，發(fā)動機合格鑒定重要研制階段初始飛行許可、全面飛行許可、初始使用許可和工作能力許可的分析、檢查、演示和試驗程序。

JSSG-2007A《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機聯(lián)合使用規(guī)范指南》中第A.3.1.3條“材料、處理和零件”一條明確規(guī)定：“在發(fā)動機所有部位，應(yīng)避免使用鎂”。并在經(jīng)驗教訓(xùn)中提到：“鎂合金是被限制使用的，因為它極易受到腐蝕，特別是在海洋環(huán)境中。在防護涂層中一個很小的針孔裂紋也會在防護涂層殘存物的下面發(fā)生腐蝕。采用鎂合金附件機匣的海軍用發(fā)動機曾經(jīng)發(fā)生過腐蝕而損壞。由于前框架安裝孔和塔形軸界面使用不相容材料，裝有鎂合金機匣的空軍用發(fā)動機曾經(jīng)遭受了電蝕損壞。采用鎂合金螺旋槳的齒輪機匣曾發(fā)生較嚴重腐蝕問題，后來采用鋁合金代替了鎂合金[7]。

4 對比分析及結(jié)論

綜上所述，各適航條款和標準規(guī)范中對使用鎂合金材料具體要求和解釋說明對比情況詳見表1。

4.1 鎂合金材料不耐腐蝕

無論從鎂合金材料機理，還是從外場使用情況分析，鎂合金材料耐腐蝕性能較差，在沿海、濕熱以及大氣污染較嚴重地區(qū)，鎂合金材料容易受到腐蝕而導(dǎo)致零部件損壞。這從MIL-HDBK-516B、GJB 241A-2010和JSSG-2007A等要求中均可以看出。

4.2 細小鎂屑或鎂合金粉末容易著火

航空發(fā)動機中鎂合金構(gòu)件，由于摩擦可能產(chǎn)生細小鎂屑，在高溫環(huán)境中極易著火，因此歐洲CS-E標準規(guī)定，應(yīng)仔細評定發(fā)生鎂火的可能性，并表明鎂火限制在發(fā)動機內(nèi)部而不會導(dǎo)致危險性影響。

4.3 鎂合金材料通過采取措施可以有選擇的使用

MIL-HDBK-516B、CS-E、GJB 241A-2010和JSSG-2007A都表明，鎂合金材料可以使用，但應(yīng)盡量避免使用，或經(jīng)過使用部門許可，采取防火措施后限制使用，而不是不能使用。在現(xiàn)在航空發(fā)動機設(shè)計中，通過添加涂層，改善工藝，提高鎂合金純度，減少雜質(zhì)，以大大提高鎂合金抗腐蝕性，可以選用鎂合金材料，以達到減輕重量的目的。

表1 適航條款和標準規(guī)范中鎂合金使用要求對比分析

[1] 中國航空材料手冊編輯委員會中國航空材料手冊（第2版）第3卷：鋁合金 鎂合金[M]. 北京：中國標準出版社，2001.

[2] 孫清玉. 航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)鎂合金部件腐蝕原因分析[J]. 飛行事故與失效分析，1997（3）：37-38.

[3] 朱絨霞. 航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)鎂合金部件微生物腐蝕及控制[J]. 飛行事故和失效分析，1998 （4）：47-48.

[4] MIL-HDBK-516B 適航性審查準則[S].

[5] CS-E 發(fā)動機合格證規(guī)范[S].

[6] GJB241A-2010 航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范[S].

[7] JSSG-2007A 航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機聯(lián)合使用規(guī)范指南[S].

（編輯：勞邊）

V252

C

1003–6660（2014）06–0026–03

10.13237/j.cnki.asq.2014.06.007

[收修訂稿日期] 2014-08-15