Обеспечение коррозионной стойкости алюминиевых конструкций в самолетах «Ту»

Стойкость самолетов к воздействию коррозии прямо связана с безопасностью воздушных судов и их экономической эффективностью. Особенно актуально это для самолетов разработки 60-70 годов, которые эксплуатируются в настоящее время с увеличенными и назначенными межремонтными сроками службы.

Перспективы применения коррозионно стойких конструкций из алюминиевых сплавов в самолетах «Ту»

Несмотря на наметившиеся в самолетостроении тенденции к расширению применения в конструкции полимерных композиционных материалов, сегодня в самолетах все еще используются тысячи тонн дорогостоящих алюминиевых и магниевых сплавов в виде различных полуфабрикатов. Поэтому задачей конструкторов, изготовителей и специалистов, эксплуатирующих авиационную технику, является обеспечение длительных сроков службы. Одной из важнейших проблем, для решения которых применяются современные авиационные материалы является обеспечение коррозионной стойкости конструкций из алюминиевых сплавов.

Назначенный срок службы самолетов Ту-134 составляет в настоящее время 35 лет, а некоторые самолеты Ту-154 эксплуатируются уже свыше 30 лет.

Межремонтный календарный срок службы самолетов Ту-154 — 12 лет, Ту-134 — 9 лет, а для ряда воздушных судов (ВС) Ту-154 введена безремонтная форма эксплуатации, в связи с чем к коррозионному состоянию конструкции предъявляются достаточно жесткие требования.

Для реализации этих требований в ЦКБ организован постоянный мониторинг технического и, в частности, коррозионного состояния самолетов, на базе которого определяются общие закономерности, прогнозируются типичные места коррозионных повреждений различных элементов конструкции и разрабатываются методы устранения и профилактики коррозии.

Коррозия элементов каркаса планера

Анализ эксплуатации самолетов Ту-134 и Ту-157 выявил ряд закономерностей в проявлении коррозионных повреждений и позволил установить причины их возникновения. Так, к типичным случаям коррозии элементов конструкции планера можно отнести коррозию элементов каркаса планера из прессованных алюминиевых полуфабрикатов под туалетами, буфетами: стингеры, фитинги, балки пола, элементы шпангоутов, — и коррозию химически фрезерованной обшивки в подпольной части фюзеляжа.

Определяющими причинами в данном случае являются:

• воздействие на детали агрессивных жидкостей из туалетов и буфетов;
• отсутствие плакировки на листах обшивки в местах ее химического фрезерования;
• склонность к коррозии определенных видов материалов (В95Т1) и полуфабрикатов (прессованные профили);
• нарушение требований документации разработчика по профилактике и уходу за конструкцией в ходе эксплуатации (в частности, несоблюдение периодичности смотровых работ, установленной «Регламентом технического обслуживания»);
• несъемная конструкция теплозвукоизоляции, не позволяющая обрабатывать конструкции профилактическими ингибирующими составами (ПИНС);
• некачественное проведение работ по контролю и устранению коррозии при капитальном ремонте (на некоторых самолетах расслаивающая коррозия обнаруживается через 1 год после ремонта, а ПИНС наносится по продуктам коррозии);
• использование при ремонтных работах во внутренних отсеках самолета коррозионно-активных смывок, не предусмотренных документацией разработчика воздушного судна. 

Исходя из анализа (рис. 1) видно, что опыт эксплуатации действующего парка самолетов позволяет решать вопросы обеспечения надежной антикоррозионной защиты самолетов перспективных разработок.

Рис. 1. Общая схема сбора информации о коррозионных повреждениях и их анализ:

Наиболее трудноопределяемой и опасной является коррозия в соединении стрингер — обшивки нижней части фюзеляжа. В этом случае чаще всего щелевая коррозия развивается при отсутствии герметика между стрингером и обшивкой из-за попадания конденсата или агрессивных жидкостей из туалетов и буфетов, а при ремонтных работах — смывок внутрь соединений.

Тенденции к исключению герметика в этих соединениях наметилась с внедрением в конструкции высокоресурсных герметичных видов клепки для повышения ресурса соединения. Но упустили из виду такое мощное разрушающее воздействие, как коррозия. Опасность этого вида коррозии заключается еще в том, что в обшивке под стрингером могут появляться коррозионные трещины, быстро увеличивающиеся в размерах, но трудно выявляемые. Следует отметить, что, как правило, коррозия в листах обшивки носит межкристаллитный характер, а в прессованном материале (стрингеры, фитинги и т. п.) — расслаивающий.

Коррозия элементов внешней поверхности планера

В этом случае чаще всего коррозии подвергаются:

• листы обшивки;
• верхние пояса лонжеронов крыла;
• прессованные и химически фрезерованные панели крыла, стабилизатора, киля;
• законцовочные профили (ножи) элементов механизации из прессованных алюминиевых сплавов;
• колодцы и крепеж верхних профилей разъема стыка СЧК и ОЧК (самолеты Ту-154, Ту-134);
• стальной крепеж.

Здесь можно указывать следующие причины повреждений:

• влияние климатических факторов эксплуатации; влажные тропики, промышленная морская атмосфера, сильное ультрафиолетовое излучение вызывают ускоренное старение, деструкцию лакокрасочных покрытий (особенно акриловых материалов, таких как эмаль АС-1115). В этом отношении показателен опыт эксплуатации в Египте самолета Ту-204-120, на котором через 2 года появились коррозия верхних панелей стабилизатора и законцовочных профилей (ножей) предкрылков, изготавливаемых из прессованного профиля.

Анализ конденсата, взятого с поверхности одного из самолетов, показал его чрезвычайную активность (см. таблицу), и при этом эксплуатирующая сторона не выполняла простые требования разработчика по уходу за внешней поверхностью планера, что привело к образованию коррозии.

Анализ конденсата с поверхности самолета Ту-204-120 зав. № 128*

Примечание:

* Конденсат собран представителем разработчика в Cario Fviation.

** Анализ выполнен аналитическим центром хим. факультета МГУ.

*** В сравнении с природной водой объектов хоз. быт. назначения по САНП и Н № 4630-83.   

Следует особо отметить, что в абсолютном большинстве случаев наше конструкторское бюро для листов обшивки планера традиционно с 1931 г. по предложению отдела авиационных материалов ЦАГИ использует плакированный материал Д16АТВ, АК4-1 или (на новых разработках) 1163РДТВ (с регламентированной тонкой плакировкой), обеспечивая тем самым антикоррозионную защиту основного материала.

Однако в 70-х годах при ресурсных испытаниях в ЦАГИ было установлено, что плакирующий слой снижает ресурсные характеристики листов, являясь источником зарождения трещин. Кроме того, при прочностных расчетахконструкции толщина плакирующего слоя не учитывается, но массу конструкции увеличивает. Эти факторы обуславливают желание снять плакировку.

Однако это сразу вступает в противоречие с требованиями коррозионной стойкости обшивки планера. Обращаясь к результатам мониторинга коррозионных повреждений, мы видим, что отсутствие плакировки даже при специальной схеме защиты, состоящей из анодирования с наполнением под хромпиком, двух слоев грунтовки с хорошими защитными свойствами (грунт ЭП-0215 горячей сушки в деталях + Aerodur CF 37047 при общей окраске самолета) и двух слоев полиуретановой эмали Aerodur C 21 /100 UVR, при эксплуатации самолета в жестких климатических условиях приводит к коррозии обшивки уже через 2 года. В связи с этим, по нашему мнению, сохранение плакировки на внешней поверхности обшивки и, следовательно, обеспечение коррозионной стойкости имеют первостепенное значение.

В последние годы все более актуальной становится проблема микробиологической стойкости воздушных судов. В настоящее время выработаны достаточно эффективные методы борьбы с микроорганизмами в топливе. Все чаще возникают проблемы, связанные с проявлением плесени на изоляции электропроводов, на штепсельных разъемах, теплоизоляции труб, на резино-технических изделиях и, что особенно неприятно, микроорганизмы интенсивно поражают пенопласты (в частности Изолан-6).

Так как продуктом жизнедеятельности микроорганизмов является образующая смесь кислот, то, естесственно, они вызывают сильнейшую коррозию находящегося с ним в контакте металла конструкции. Если ранее с проблемой микробиологической коррозии мы сталкивались на самолетах, эксплуатирующихся главным образом в условиях влажного тропического климата (Вьетнам, Куба, Баку и т. п.), то в последнее время мы сталкиваемся с микробиологическими повреждениями конструкций, базирующихся в условиях умеренного климата. 

Следует отметить, что работы по повышению надежности антикоррозионной защиты самолетов как старых разработок, так и нового поколения проводятся постоянно. При этом следует учесть, что все самолеты нового поколения проектируются во всеклиматическом варианте с безремонтной формой эксплуатации, проектным календарным сроком службы 30-40 лет и ресурсом 60 000 л.ч. Обеспечение коррозионной стойкости потребовало целого комплекса мер как конструкционных (применение новых материалов, организованный слив конденсата, использование герметичного крепежа), так и технологических, таких как:

• обработка наиболее коррозионно-опасных мест конструкции профилактическими ингибирующими составами;
• окраска внешней поверхности самолетов системой лакокрасочных покрытий на основе полиуретановых эмалей (главным образом производства компаний Akzo Nobel и PPG Aerospace PRC-DeSoto), в том числе последних разработок типа Silver Mika.

В заключение необходимо вновь возвратиться к вопросу сокращения в новых разработках российских и зарубежных авиаторов объема используемых конструкций из алюминиевых сплавов при одновременном увеличении объема и номенклатуры конструкций из полимерных композиционных материалов.

Учитывая высокие показатели прочности и ресурса конструкций из алюминиевых сплавов, оснащенность авиационных производств по их изготовлению, экономичность и отработку технологических процессов, можно констатировать, что имеются все возможности сохранения объема их применения в новых разработках самолетов с решением двух основных задач: повышение массовой эффективности и коррозионной стойкости конструкций из алюминиевых сплавов.

Для решения задачи повышения коррозионной стойкости конструкций из алюминиевых сплавов предлагается комплексная программа, включающая:

• исследования скорости развития коррозии на различных материалах и полуфабрикатах и разработка на этой основе методов контроля и прогнозирования коррозионного состояния материалов и конструкций;
• проведение натурных испытаний коррозионного состояния различных образцов с разными вариантами схем и технологии защиты, разработка на этой основе рекомендаций по проектированию;
• разработка (с привлечением ведущих зарубежных компаний-разработчиков ЛКМ) высокоэффективных систем покрытий для окраски внешней поверхности самолетов, обеспечивающих не только высокую декоративность, но и надежную антикоррозионную защиту алюминиевых деталей (в том числе имеющих плакировку) в самых жестких атмосферных условиях на срок не менее 6-8 лет.

Таким образом, выполнение работ по предлагаемой программе позволит решить задачи повышения коррозионной стойкости конструкций из алюминиевых сплавов и в максимальной степени сохранитьв XXI веке достигнутую динамику эффективного использования алюминиевых сплавов в авиакосмической промышленности.

В. В. Садков, И. И. Миркин