Введение

Актуальность исследований влияния коррозионных повреждений на прочностные характеристики алюминиевых сплавов в авиации обоснована как в отечественной [1–44], так и зарубежной [45–68] научно-технической литературе. Это обусловлено тем, что на практике невозможно исключить коррозию на эксплуатируемых изделиях авиационной техники.

Согласно требованиям АП 25.571 «оценка прочности должна показывать, что аварийной или катастрофической ситуации из-за… коррозии… можно избежать в течение всего времени эксплуатации самолета». Однако научная база для оценки прочностных свойств в настоящее время отсутствует, что отмечают специалисты, отвечающие за целостность конструкции воздушных судов (ВС) [1, 2]. Согласно работе [3], для обеспечения методической документации, необходимой для эксплуатации ВС с коррозионными повреждениями, важно решить две научные задачи:

– разработка моделей прогнозирования роста коррозионных повреждений на алюминиевых сплавах в зависимости от коррозионной агрессивности атмосферы, в которой эксплуатируется ВС;

– разработка моделей влияния коррозионных повреждений на прочностные свойства алюминиевых сплавов.

При этом заметим, что вторая задача, которой посвящена данная статья, является наиболее важной в рамках эксплуатации ВС. Такой подход к обеспечению безопасности авиационной техники связан со сложностью прогнозирования скорости и глубины коррозионных повреждений пассивирующихся сплавов, применяемых в авиации (алюминиевых, титановых, никелевых сплавов и высоколегированных сталей) [4–6]. Для данных сплавов характерны локальные виды коррозии, изображенные на рис. 1.

Рис. 1. Типовые коррозионные повреждения: а – межкристаллитная коррозия;

б – питтинговая коррозия; в – расслаивающая коррозия

При локальной коррозии из-за большого разнообразия структур и фаз в сплавах, наличии примесей и включений в настоящее время невозможно количественно оценить, а тем более спрогнозировать геометрические параметры повреждений.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Зависимость количества летных происшествий

от интенсивности коррозии

Практический опыт показывает, что полное исключение коррозии даже при наличии качественных металлических и лакокрасочных покрытий в конструкциях невозможно. Уже после 5 лет эксплуатации на деталях ВС образуются коррозионные повреждения, особенно в местах механического воздействия на покрытия, деформаций детали и/или некачественного нанесения покрытий [7–10]. Согласно работе [3], доля различных дефектов конструкций ВС составляет, %:

Аналогичная картина выявлена не только в отечественной, но и в зарубежной авиации. Так, в ВВС Австралии в качестве основных проблем при эксплуатации авиационной техники называют увеличение количества коррозионных повреждений и времени внепланового технического обслуживания [47, 48].

С увеличением срока эксплуатации самолета растет и количество коррозионных дефектов. Так, согласно отчету компании Boeing [11–13], средний срок эксплуатации гражданских самолетов составляет, лет:

По мнению авторов работ [14, 15], коррозия относится к медленным процессам. Соответственно, коррозионный дефект не представляет такой опасности, как, например, усталостный. Это согласуется с исследованиями, проведенными авторами работ [16, 17, 49, 50], но заметим, что коррозионный дефект в конструкции ВС под возможным воздействием знакопеременных нагрузок будет концентратором напряжения, что может привести к быстрорастущему дефекту – усталостной трещине.

Поскольку изменения прочностных характеристик в результате коррозионных повреждений не оценивают, процент летных происшествий, связанных с коррозией, составляет значительную долю: 40 % [18]. При этом доля авиационных происшествий вследствие коррозии и усталости конструкций в 1971−1979 гг. составляла 21,4 %, в 1979−1983 гг.: 38,7 %, т. е. имеет тенденцию к росту.

Требования к увеличению срока эксплуатации ВС до 30 лет обуславливают новый подход к изучению коррозионных повреждений. Противокоррозионные мероприятия в процессе эксплуатации вносят существенный вклад в общие эксплуатационные затраты. Поэтому введен принцип допустимой повреждаемости, позволяющий использовать самолеты с повреждениями, в том числе коррозионными [19–24, 51]. Этот принцип актуализирует разработку методов оценки сохраняемости механических характеристик в зависимости от степени коррозионного повреждения деталей ВС.

Зависимость долговечности деталей и конструкций воздушных судов

из алюминиевых сплавов от коррозионных повреждений

Исследования, проведенные в работе [52], показали, что глубина расслаивающей коррозии (рис. 2) не эквивалентна механическому утонению. Уменьшение долговечности в результате расслаивающей коррозии значительно больше вследствие:

– большего наводороживания поверхности алюминиевого сплава при межкристаллитной коррозии. Это приводит к образованию микротрещин и дефектов на поверхности, что ухудшает прочность и стойкость материала;

– снижения пластичности алюминиевого сплава. Расслаивающая коррозия вызывает изменения в микроструктуре материала, что приводит к уменьшению его пластичности и способности к деформации без разрушения.

Эти выводы также подтверждены в работах ученых из Китая, России и США [25, 26, 53, 54].

Рис. 2. Расслаивающая коррозия алюминиевого сплава в конструкции воздушного судна

В работе [26] показано, что усталостная долговечность при межкристаллитной коррозии в 8 раз меньше, чем при питтинговой коррозии. Вариативность коррозионных повреждений у разных сплавов и различная кинетика протекания процесса не позволяют построить зависимости для нескольких сплавов.

Методы коррозионного мониторинга на воздушных судах

На практике применяют подход, согласно которому необходимость ремонта или замены детали определяется в зависимости от уменьшения ее толщины. Если толщина уменьшилась менее чем на 10 %, то деталь ремонтируют, более 10 % – заменяют [27]. Пример зачистки поврежденного слоя металла поверхности фюзеляжа представлен на рис. 3.

Рис. 3. Подвергнутая зачистке поверхность обшивки воздушного судна,

на которой наблюдаются питтинги

В настоящее время широко распространены датчики коррозии, которые можно установить на всех деталях ВС. Такие датчики измеряют влажность и температуру с помощью оптоволоконных линий, связанных с процессором, и в режиме онлайн могут определять наличие и скорость развития коррозионного повреждения деталей. Датчики влажности и температуры предоставляют только опосредованную информацию о возможности возникновения коррозии и скорости протекания процесса [28–31].

Созданы алгоритмы «доза–ответ», при которых скорость коррозии для алюминиевых сплавов однозначно рассчитывают по величинам времени увлажнения поверхности, температуры воздуха и образца, содержанию в атмосфере хлорид-ионов и диоксида серы [30–32].

Опыт исследований и определения зависимости между степенью коррозионных повреждений и прочностными характеристиками алюминиевых сплавов в основном базируется на проверенном подходе – натурных и ускоренных испытаниях образцов алюминиевых сплавов в условиях коррозионной атмосферы, последующих испытаниях механических характеристик, составлении эмпирических зависимостей «условия экспозиции – интенсивность коррозии – механические свойства» [33].

Расчетные прочностные характеристики,

используемые для оценки воздействия коррозии

Для исследования влияния коррозионных повреждений на прочность необходимо определить прочностные характеристики. Расчетные характеристики прочности материалов при воздействии коррозионной среды изменяются в зависимости от типа нагрузки (статическая короткодействующая, статическая долговременная, динамическая) и наличия трещин в твердом материале [20].

Многообразие расчетных характеристик делает задачу адекватной оценки воздействия коррозии практически невыполнимой. Специалисты Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С.А. Чаплыгина (СибНИА) изучили методы оценки допустимости коррозионных повреждений и выявили, что для оценки остаточной работоспособности при воздействии коррозии основными характеристиками являются прочность и усталостная долговечность [33].

Влияние коррозионных повреждений на усталостные характеристики

Изменения статических характеристик при коррозионных повреждениях обычно незначительны, за исключением случаев, когда появляется расслаивающая или межкристаллитная коррозия. В связи с этим для оценки остаточной работоспособности материалов следует уделить внимание более чувствительному показателю – усталостной долговечности, которая подвержена существенным изменениям. Это подтверждает экспоненциальная зависимость усталостной долговечности от глубины питтинга (рис. 4), полученная авторами работы [55].

Рис. 4. Влияние глубины питтинга на усталостную долговечность по данным работы [55]

На рис. 5 представлена аналогичная зависимость согласно данным работы [69]. На графике проведена аппроксимационная прямая, которая позволяет продемонстрировать резкое снижение усталостной долговечности при появлении коррозионного повреждения, что требует особого внимания [56–58].

Исходя из вышеописанных работ, в которых выявлена основная характеристика для описания влияния коррозионных повреждений – усталостная долговечность (количество циклов до разрушения), проанализируем методы оценки показателя, описанные в научно-технической литературе.

Рис. 5. Влияние глубины питтинга на усталостную долговечность

по данным работы [69]

Оценка коррозионных повреждений статистическим методом

Статистический метод оценки коррозионных повреждений на изделиях авиационной техники заключается в статистическом анализе данных, полученных в результате измерения толщины металла на разных участках поверхности изделия. Метод разработан специалистами Московского государственного технического университета гражданской авиации (МГТУГА). На основе результатов их работы создан «Паспорт коррозионного состояния воздушного судна», в котором отражают количество и качество коррозионных дефектов [34, 35].

Для реализации этого метода сначала измеряют толщину металла в местах коррозионных повреждений, расположенных по всей поверхности изделия. Затем вычисляют статистические показатели, такие как среднее значение, стандартное отклонение и коэффициент вариации, отражающие характер изменения толщины металла на поверхности изделия. Далее, исходя из полученных статистических данных, анализируют степень развития коррозионных повреждений. Для этого используют различные математические модели, такие как распределение Гаусса и распределение Пуассона [36, 37].

Несмотря на наличие объективных преимуществ, таких как оценка степени коррозионных повреждений детали без разборки или демонтажа изделия, статистический метод имеет явные недостатки:

– невозможность применения для новых разработанных изделий авиационной техники;

– результатом может стать постановка самолета на особый контроль по коррозионному состоянию, что значительно увеличит затраты;

– отсутствие возможности разделения ВС в зависимости от места их базирования.

В научных работах, опубликованных зарубежными авторами, также активно применяют статистический метод. В одной из таких работ сравнили полученные результаты с прогнозом, вычисленным на основе справочных данных статистического метода. Обнаружены значительные расхождения между экспериментальными и прогнозными значениями [58].

Моделирование коррозионного повреждения

Моделирование коррозионного повреждения (Equivalent Crack Size – ECS)используют для оценки влияния коррозии на долговечность и надежность материалов и конструкций в разных условиях эксплуатации [13, 60–64]. Кроме того, его используют для определения эффективности защитных покрытий и методов защиты от коррозии, а также для прогнозирования оставшегося ресурса конструкции и принятия решений по ее замене или ремонту. Метод ECS реализуют с помощью компьютерных программ, которые моделируют процессы коррозии и прогнозируют возможные повреждения [60, 61]. При моделировании коррозионного повреждения используют геометрическое представление в виде полусферы; пример такого усреднения представлен на рис. 6 [62].

Рис. 6. Снимок, выполненный на дифференциальном интерференционно-контрастном микроскопе, с большим увеличением мест зарождения трещин (темная линия представляет собой среднюю эллиптическую кривую, проведенную через точки наибольшей глубины коррозии) [62]

Как и любое другое моделирование, метод ECS позволяет сократить время на проведение испытаний материала на коррозионную стойкость, а также уменьшить затраты на эксплуатацию изделий, связанные с реализацией регулярных контрольных мероприятий [65, 66]. Применение метода ECS ограничено исключительностью учета характеристик повреждений, таких как глубина или диаметр язвенной коррозии, в зависимости от выбранной модели. Кроме того, при рассмотрении коррозионного повреждения как концентратора напряжений не учитывают кинетику коррозионного процесса. Расчетные значения, получаемые по данной модели, демонстрируют высокую чувствительность к изменениям размеров повреждений, условий среды и материала, что проявляется в значительных погрешностях и полном отказе функционирования модели [47, 67].

В работе [47] обнаружены значительные расхождения между модельными и экспериментальными данными. Показано, что при нанесении механических дефектов на поверхность образцов погрешность модели составляет <1 %. Однако при моделировании реальных коррозионных повреждений, которые имеют более сложную поверхность, погрешность значительно возрастает и модель становится неадекватной. Зависимость между смоделированной и реальной глубиной питтинга для сплава марки 7075 представлена на рис. 7 [47].

Рис. 7. Зависимость смоделированной и реальной глубины питтинга для сплава марки 7075 [47]

Другими словами, как утверждают специалисты СибНИА, моделирование конкретного типа повреждения показывает точность только для этого типа, но не распространяется на другие [38, 39]. В связи с этим необходимо разработать новый подход для моделирования коррозионных повреждений, учитывающий более широкий спектр характеристик повреждений, кинетику процессов коррозии и нацеленный на применение в реальных условиях.

Ускоренный метод оценки коррозионных повреждений

Процесс натурных испытаний достаточно длительный и не отвечает современным требованиям рыночной экономики, так как быстрое внедрение новых материалов обеспечивает конкурентное преимущество производителю. В работе [40] предложено наносить ускоренным методом коррозионные повреждения, идентичные повреждениям при натурных испытаниях. Для этого необходимо выработать некий критерий, который позволял бы соотносить коррозионные повреждения, полученные натурным и ускоренным методами.

Авторы работы [41] провели опыты с использованием сплава марки 1163-АТВ с низкой склонностью к межкристаллитной коррозии при разных соотношениях силы тока анодного растворения и длительности его протекания. Предложено в качестве критерия коррозионной повреждаемости использовать удельную величину количества электричества при анодном растворении алюминиевого сплава, которая по закону Фарадея соответствует потерям массы образца при натурных испытаниях.

Для проверки применимости данного подхода к алюминиевым сплавам с более высокой склонностью к межкристаллитной коррозии в работе [42] подобный эксперимент проведен на листах из сплава марки Д16-Т до (малая склонность) и после (высокая склонность) провоцирующей термообработки. Показано, что значения усталостной долговечности, как и глубины межкристаллитной коррозии, при одинаковом значении удельной величины количества электричества Q/S, но при разных значениях плотности токов анодного растворения различаются. Это свидетельствует о том, что удельную величину количества электричества нельзя использовать в качестве критерия.

Авторами данной статьи рекомендуется отойти от поиска критерия коррозионной повреждаемости и сосредоточиться на разработке методики, основанной на сопоставлении нанесения коррозионных повреждений ускоренным методом с натурными испытаниями. Работы в данном направлении обеспечили возможность нанесения питтинговых коррозионных повреждений, обладающих таким же фактором питтинговой коррозии [68], как и при натурных испытаниях [43], и моделирования оценки потери предела прочности алюминиевых сплавов с различной склонностью к межкристаллитной коррозии с учетом результатов анализа коррозионных повреждений. Однако зависимости, полученные авторами работ [33, 44], определены экспериментально для сплава системы Al–Cu–Li и сплава марки 1370-Т1 и не могут распространяться на остальные марки алюминиевых сплавов.

Заключения

Проведенный анализ научно-технической литературы позволяет определить следующие пути развития данного направления:

– дальнейшие работы в области нанесения коррозионных повреждений с использованием различных электрохимических режимов анодного растворения, обеспечивающих идентичность с коррозионными повреждениями, полученными при натурных испытаниях;

– расширение подхода, принятого авторами работ [33, 44], на другие марки алюминиевых сплавов.

Первый путь представляется более эффективным, поскольку требует меньшего количества материальных и временны́х затрат.