（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

環(huán)境試驗(yàn)與評價(jià)

×飛機(jī)半封閉部位局部環(huán)境譜當(dāng)量加速關(guān)系研究

張勇，陳躍良，樊偉杰，卞貴學(xué)，王晨光

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

目的 確定局部環(huán)境譜當(dāng)量加速關(guān)系。方法 以×型飛機(jī)某半封閉關(guān)鍵部位為研究對象，依據(jù)其在機(jī)體中所處的位置及服役環(huán)境中各氣候條件編制局部加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜，分別進(jìn)行試驗(yàn)室周期浸潤加速腐蝕和自然環(huán)境暴曬。借助涂層宏觀、微觀形貌檢測、色差、光澤度等常規(guī)性能檢測和電化學(xué)極化曲線測試，對兩種不同環(huán)境下試驗(yàn)件進(jìn)行性能測試。結(jié)果 試驗(yàn)室周期浸潤加速腐蝕196.6 h，相當(dāng)于艦面停放1年，且經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室2個(gè)周期加速腐蝕與自然環(huán)境暴曬2年的試驗(yàn)件涂層形貌、失光率、色差、電化學(xué)性能一致。結(jié)論 該局部環(huán)境譜當(dāng)量加速關(guān)系準(zhǔn)確可靠。

局部環(huán)境譜；光澤度；色差；極化曲線

飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命是評價(jià)其安全性和可靠性的指標(biāo)之一，同時(shí)也是確定分級維修周期和編寫外場維護(hù)大綱的前提和基礎(chǔ)[1]。在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段通常借助環(huán)境譜加速腐蝕試驗(yàn)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)不同部位進(jìn)行日歷壽命評定，而腐蝕試驗(yàn)的前提是局部環(huán)境譜與試驗(yàn)譜間當(dāng)量加速關(guān)系的確定[2]。

文中以×型飛機(jī)某半封閉關(guān)鍵部位為研究對象，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室環(huán)境譜加速腐蝕試驗(yàn)和自然環(huán)境暴曬實(shí)驗(yàn)[3]，通過將環(huán)境譜加速腐蝕的試驗(yàn)件與外場天然暴露的試驗(yàn)件性能進(jìn)行對比分析[4]，從而對當(dāng)量加速關(guān)系進(jìn)行修正與驗(yàn)證。這一研究成果對于我國海軍×型飛機(jī)的設(shè)計(jì)、建造及日歷壽命評定具有十分重要的參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 當(dāng)量加速關(guān)系確定原理

飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕失效本質(zhì)是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，而電化學(xué)反應(yīng)過程中電荷的轉(zhuǎn)移與反應(yīng)產(chǎn)物有著密切的等量關(guān)系，服從法拉第定律，即：

式中：F為法拉第常數(shù)；I為不同環(huán)境下的電流；t為環(huán)境作用時(shí)間。

對于半封閉部位結(jié)構(gòu)，在服役環(huán)境中實(shí)際發(fā)生腐蝕的電流為Ic，服役時(shí)間為tc，腐蝕量為Qc。假設(shè)試驗(yàn)室加速環(huán)境中腐蝕電流為I，試驗(yàn)時(shí)間為t，腐蝕量為Q，依據(jù)腐蝕量相等準(zhǔn)則Qc=Q，則：

結(jié)合文獻(xiàn)[5]中分析認(rèn)為，飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料在地面環(huán)境譜的使用年限和對應(yīng)的加速試驗(yàn)環(huán)境譜作用時(shí)間范圍內(nèi)，Ic變化很小，認(rèn)為恒定。則：

由此導(dǎo)出：

引入折算系數(shù)：

則式（4）可轉(zhuǎn)換成：

α即為兩種不同環(huán)境下腐蝕量相等對應(yīng)的作用時(shí)間的關(guān)系，是用當(dāng)量折算法建立加速試驗(yàn)環(huán)境譜與地面環(huán)境譜作用時(shí)間之間當(dāng)量關(guān)系的基礎(chǔ)。由于服役環(huán)境腐蝕電流測量測量是一項(xiàng)工程量和技術(shù)難度較大的實(shí)驗(yàn)工作，因此目前國際和國內(nèi)采取的較為可行的方法是測定不同溫、濕度下典型金屬材料腐蝕電流來建立他們不同組合對應(yīng)的當(dāng)量折算系數(shù)。以這些通用的折算系數(shù)為基礎(chǔ)，建立各種結(jié)構(gòu)材料以及不同的地面環(huán)境譜、加速試驗(yàn)譜下的當(dāng)量折算系數(shù)。

實(shí)施步驟為：將每年的地面環(huán)境譜作用折算為溫度t=40 ℃、濕度為 90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的作用時(shí)間t1；將每小時(shí)的加速環(huán)境譜作用折算為溫度t=40 ℃、濕度為90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的作用時(shí)間t2；t1/t2即為當(dāng)量加速關(guān)系β，即加速試驗(yàn)環(huán)境譜作用β小時(shí)相當(dāng)于地面停放1年。

1.2 半封閉部位局部環(huán)境譜的編制

根據(jù)上述環(huán)境譜原理及相應(yīng)的編制原則[5—6]，首先確定×飛機(jī)服役環(huán)境中影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)的因素主要包含以下方面：艦上煙囪和飛機(jī)排出氣中的硫、氮氧化物等；氯化鈉、海霧組合形成的pH值為2.4～4.0的高酸潮濕層；相對濕度為70%～100%，且存在濃度范圍為2.1×10–3～6.4×10–5kg/m3的沙粒和塵埃。

考慮到半封閉結(jié)構(gòu)每次降雨后潮濕空氣不能馬上蒸發(fā)掉，因此，積留的潮濕空氣作用還會延遲一段時(shí)間，延遲時(shí)間的長短與每次降雨的輕重程度、雨量大小有關(guān)。假設(shè)每次雨后潮濕空氣的作用時(shí)間按每次降雨延遲均延遲1 h計(jì)算，總延遲時(shí)間為135 h。霧露作用時(shí)間有滯后，一般結(jié)構(gòu)表面延長 1.5 h，霧露作用次數(shù)為92次，總的延遲時(shí)間為138 h[7]。服役海域雨譜和霧露譜見表1和表2。

表1 服役海域雨譜

表2 服役海域霧露譜

根據(jù)鋁合金的折算系數(shù)，將每年服役環(huán)境譜作用折算為溫度t=40 ℃、濕度為90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的作用時(shí)間t1。其中鋁合金的折算系數(shù)見表3。

表3 潮濕空氣與標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算系數(shù)

潮濕空氣作用時(shí)間的當(dāng)量折算：ta=2508.34 h。

霧露作用時(shí)間的當(dāng)量折算：將霧露作用小時(shí)數(shù)折算為t=40 ℃，相對濕度為90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的作用時(shí)間。tb=76.22 h。

降雨作用時(shí)間的當(dāng)量折算：將降雨作用小時(shí)數(shù)折算為t=40 ℃，相對濕度為90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的作用時(shí)間。tc=113.8 h。

南海海域艦面停放環(huán)境譜每年相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間為：t1=ta+tb+tc=2698.4 h

將每小時(shí)的加速試驗(yàn)環(huán)境譜作用折算為溫度t=40 ℃、濕度為90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的作用時(shí)間t2。不同濃度NaCl溶液濃度與水介質(zhì)的折算系數(shù)見表4，不同濃度的酸與水介質(zhì)的折算系數(shù)見表5。

表4 不同濃度NaCl溶液濃度與水介質(zhì)的折算系數(shù)

表5 不同濃度酸與水介質(zhì)的折算系數(shù)

由于周期浸潤加速腐蝕試驗(yàn)的環(huán)境溫度是40 ℃，因而周期浸潤加速試驗(yàn)譜與標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的當(dāng)量折算只考慮環(huán)境對水介質(zhì)的折算。

鋁合金對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%和7%的NaCl相對潮濕空氣的折算系數(shù)分別為0.121和0.0969，采用插值法可得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%的 NaCl相對潮濕空氣的折算系數(shù)α1=0.1094。pH=4稀硫酸的折算系數(shù)α2=0.2183。

周期浸潤加速試驗(yàn)環(huán)境譜的綜合折算系數(shù)α滿足：

可以得到α=0.072 86，即加速腐蝕環(huán)境譜作用1 h相當(dāng)于t=40 ℃，相對濕度為90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用13.725 h。

服役環(huán)境譜與周期浸潤加速譜的當(dāng)量關(guān)系為β=t1/t2=196.6，即周期浸潤加速腐蝕196.6 h，相當(dāng)于艦面停放1年。

1.3 當(dāng)量加速關(guān)系的驗(yàn)證

選取×飛機(jī)某框下壁板為研究對象，其主要組成材料為7B04鋁合金板材，將試驗(yàn)件加工成如圖1所示搭接件。按照ASTMG 1—2003對所有試驗(yàn)件進(jìn)行充分清洗，對表面進(jìn)行除油除水后放入干燥器中備用。

按照環(huán)境譜編制原則編制實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜為：

1） 酸性NaCl溶液浸泡。通常采用5% 溶液中加入少量稀H2SO4，使pH值達(dá)到4.0，以模擬鹽霧和酸性氣體的作用。

2）溫濕環(huán)境下表面溶液的烘干過程。通常在40 ℃左右及80%相對濕度下用遠(yuǎn)紅外燈照射烘干試件，以模擬潮濕空氣及凝露的作用過程。一個(gè)加速周期為30 min，其中浸泡7.5 min，烘干22.5 min。

共進(jìn)行2個(gè)周期的加速腐蝕試驗(yàn)，即當(dāng)量2年。加速腐蝕試驗(yàn)過程中，試件水平放置在絕緣的試件擱架上，試件考核面向上直接接受遠(yuǎn)紅外線燈照射，為避免環(huán)境箱工作環(huán)境不均勻?qū)υ嚰挠绊?，?12 h隨機(jī)交換試件位置一次。

1.4 外場自然環(huán)境暴曬

由于×飛機(jī)主要服役環(huán)境為青島附近海域某機(jī)場，為模擬實(shí)際服役環(huán)境中氣象參數(shù)對試驗(yàn)件的影響，選擇青島小麥島試驗(yàn)站進(jìn)行天然暴曬試驗(yàn)，試驗(yàn)站位于北緯 36°03′，東經(jīng) 120°25′，屬于典型的北溫帶濕潤型海洋性氣候。試驗(yàn)場地距離海岸 10 m，海拔高度為7 m，試驗(yàn)站安裝了自動氣象檢測系統(tǒng)能夠?qū)Υ髿獗駡龅臍庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。從2012年10月初開始，截止2014年11月，歷時(shí)2年零1個(gè)月，經(jīng)歷了2年完整的氣候條件變化。在投試期間，每月為一個(gè)觀察周期，進(jìn)行周期性檢測，并對色差、光澤度等參數(shù)進(jìn)行記錄。

1.5 涂層常規(guī)性能測試

試驗(yàn)過程中對加速腐蝕試驗(yàn)和自然暴曬的試驗(yàn)件分別通過表面宏、微觀形貌表征，色差、光澤度測定進(jìn)行性能分析。

其中宏觀照片主要用Can 50D數(shù)碼相機(jī)，局部微觀形貌采用 KH-7700體視顯微鏡；光澤度和色差檢測所用的儀器主要有XGP60光澤度計(jì)：測量范圍為0～199.9 Gs，分度值0.1 Gs，穩(wěn)定度≤0.4 Gs/30 min，示值誤差≤1.0 Gs；HP-200精密色差儀：有效測量口徑（照明口徑）Φ8 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔEab在0.08以內(nèi)。

1.6 電化學(xué)試驗(yàn)

除了涂層常規(guī)性能測試外，在最終試驗(yàn)結(jié)束后，還對帶有涂層的樣板進(jìn)行了電化學(xué)極化性能測試。電化學(xué)試驗(yàn)借助PARSTAT 4000電化學(xué)工作站進(jìn)行，電解槽直徑為10 cm，電解液為膠州灣海域清潔天然海水。測試體系采用經(jīng)典的三電極體系，其中對電極為鉑片電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），工作電極為帶有涂層的試驗(yàn)件[8]。參數(shù)設(shè)置：掃描電位區(qū)間為-350～600 mV（vs ocp），掃描速度為0.1669 mV/s。電化學(xué)極化曲線測試裝置如圖2所示。

2 當(dāng)量加速關(guān)系驗(yàn)證研究

2.1 涂層形貌性能分析

實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)2個(gè)周期與外場暴露2年后試樣外觀整體形貌和易腐蝕部位微觀形貌如圖3、圖4所示。

圖3 試驗(yàn)后涂層表面形貌

圖4 局部顯微形貌

通過對試樣的外觀形貌對比可知，經(jīng)過2年自然暴露試驗(yàn)的試樣（如圖4）均未見明顯腐蝕，基體表面涂層完整性較好，未發(fā)現(xiàn)明顯開裂、起泡、長霉、剝落、生銹、粉化等老化現(xiàn)象，僅在螺孔深處出現(xiàn)黃色銹蝕痕跡，在鉚釘與基體搭接邊緣涂層出現(xiàn)輕度裂紋，但并未發(fā)現(xiàn)粉化現(xiàn)象。這主要是由于在螺孔、鉚釘搭接處等位置涂層相對較為薄弱，即使相同噴涂條件和工藝參數(shù)條件下，由于涂料具有一定的流動性，在這些位置的涂層厚度也相對較小[9]。在海洋環(huán)境自然暴曬過程中，表面腐蝕性 Cl-會逐漸滲透進(jìn)入涂層與基體之間，與周邊涂層較厚的位置形成濃度差，受濃度梯度作用則會增大涂層內(nèi)部橫向應(yīng)力作用，同時(shí)由于涂層厚度較小，抗紫外老化和抗雨水沖擊作用的性能也相對較弱。因此在這些涂層缺陷位置最先開始發(fā)生涂層的老化、基體腐蝕作用。由于2年時(shí)間相對涂層的整個(gè)壽命周期而言，時(shí)間較短，因此并未出現(xiàn)更多明顯的腐蝕現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加速試驗(yàn) 2個(gè)周期后的試樣形貌顯示：經(jīng)過當(dāng)量2年的加速試驗(yàn)，表面涂層同樣未見明顯腐蝕，且無氣泡、粉化、脫落等老化現(xiàn)象。與試驗(yàn)前相比，并無明顯變化現(xiàn)象，僅在螺孔、鉚釘與基體搭接處出現(xiàn)輕微裂紋或黃色銹斑現(xiàn)象，且腐蝕程度相同。這一規(guī)律與自然暴曬試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。

2.2 色差結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)與外場暴露試驗(yàn)色差結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 色差值對比結(jié)果

從圖5可以看出，試驗(yàn)后兩種試驗(yàn)件的色差變化趨勢相同。隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，色差值逐漸增大，但變化幅度并不明顯，參照GB/T 1766—2008《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》，試驗(yàn)完成后兩種試驗(yàn)件色差等級均屬于1級。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加速試驗(yàn)的試樣結(jié)果表明，試樣在第2周期后色差等級為1級，與自然暴露試驗(yàn)試樣的腐蝕程度相同，均為輕微變色[10]。此結(jié)果表明環(huán)境譜加速試驗(yàn)與實(shí)際環(huán)境暴曬實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律一致。

2.3 光澤度結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)與外場暴露試驗(yàn)失光率結(jié)果對比如圖6所示。

圖6 失光率結(jié)果對比

圖6中失光率結(jié)果顯示，兩個(gè)不同環(huán)境中試驗(yàn)件的失光率均表現(xiàn)出隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，失光率逐漸增大的變化趨勢。整體變化趨勢中仍有部分時(shí)間段出現(xiàn)失光率不增反降的變化趨勢，這主要是由于反應(yīng)初期涂層內(nèi)部出現(xiàn)進(jìn)一步固化收縮現(xiàn)象，很有可能存在光澤度增加的現(xiàn)象[11]。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)2個(gè)周期后試樣涂層體系失光率接近于0，表明涂層保光性較好，未出現(xiàn)明顯失光現(xiàn)象[12—14]。這一現(xiàn)象表明該種試樣涂層體系保光性較好，未出現(xiàn)明顯失光現(xiàn)象，且實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加速試驗(yàn)與自然環(huán)境暴曬試驗(yàn)結(jié)果具有一致性，同時(shí)驗(yàn)證當(dāng)量加速關(guān)系的正確性和可靠性。

2.4 電化學(xué)性能分析

經(jīng)過極化曲線測試，分別得到加速腐蝕和自然暴曬后的試驗(yàn)件的極化曲線如圖7所示。

圖7 涂層試件極化曲線

從圖7中極化曲線可以看出，兩種試驗(yàn)件的形狀相同，表明發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)類型相同，兩種試驗(yàn)環(huán)境下 7B04鋁合金樣板的 Tafel曲線中陰、陽極部分曲線形狀和斜率均未發(fā)生明顯變化，且從曲線特征分析認(rèn)為，陽極在一定電壓范圍內(nèi)為活性溶解、陰極為氧擴(kuò)散控制的特征也未改變[13—14]。用C-view 2.0軟件對極化曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果見表6。

表6 極化曲線擬合結(jié)果

兩種不同環(huán)境試驗(yàn)件的極化曲線擬合結(jié)果表明，陽極、陰極斜率分別相差1.0 mV和2.0 mV，兩者腐蝕電位相差8 mV，腐蝕電流密度僅相差一個(gè)數(shù)量級。擬合結(jié)果表明，不同試驗(yàn)環(huán)境對涂層的影響較小。

3 結(jié)論

1）依據(jù)×飛機(jī)半封閉結(jié)構(gòu)所處環(huán)境氣候特點(diǎn)，編制了×飛機(jī)半封閉部位局部環(huán)境譜。研究結(jié)果表明，局部環(huán)境譜與試驗(yàn)譜間當(dāng)量加速關(guān)系為：實(shí)驗(yàn)室周期浸潤加速腐蝕196.6 h，相當(dāng)于艦面停放1年。

2）分別開展了實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)和自然暴曬試驗(yàn)，通過對同一部位的試驗(yàn)件色差、失光率等常規(guī)性能和電化學(xué)性能研究，表明經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室2個(gè)周期加速腐蝕與自然環(huán)境暴曬 2年的試驗(yàn)件性能變化規(guī)律一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了局部環(huán)境譜當(dāng)量加速關(guān)系的準(zhǔn)確性和可靠性。

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Equivalent Accelerated Relationship of Local Environment Spectrum of Semi-closed Parts of a Plane

ZHANG Yong,CHEN Yue-liang,FAN Wei-jie,BIAN Gui-xue,WANG Chen-guang
(Qingdao Campus of Naval Aeronautical Engineering Academy, Qingdao 266041, China)

Objective To determine the equivalent accelerated relationship of local environment spectrum. Methods A semi closed key part of an aircraft was researched. Environment spectrum of local accelerated corrosion test was compiled based on its location in the plane and climate conditions of the service environment to carry out laboratory immersion corrosion and environmental exposure respectively: Test pieces of two different environments were tested for performance according to general performance test on macro and micro topography detection, color difference, gloss and other properties. Results Accelerated corrosion of cycle immersion in library for 196.6 hours was equivalent to parking on the ship surface for 1 year. The coating morphology, light loss rate, color difference, and electrochemical performance of two cycles of accelerated corrosion in laboratory were consistent with two years of natural exposure. Conclusion The equivalent accelerated relationship of the local environmental spectrum is accurate and reliable.

local corrosion environment, gloss, color difference, polarization curve

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.007

TJ01

A

1672-9242(2017)01-0024-06

2016-07-01；

2016-11-15

國家自然科學(xué)基金（51075394，51375490）

者簡介：張勇（1981—），男，重慶人，主要研究方向?yàn)椴牧系母g防護(hù)和疲勞可靠性。