劉新靈 ， 趙 凱 ， 劉春江

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；4.中國航空發(fā)動機集團材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095；5.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095）

0 引言

飛機金屬結(jié)構(gòu)表面防護層是結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的第一道防線。在飛機金屬結(jié)構(gòu)的服役過程中，結(jié)構(gòu)表面防護體系首當(dāng)其沖。具有表面防護體系的飛機結(jié)構(gòu)在投入使用后不久，在腐蝕介質(zhì)及載荷的耦合作用下，其表面防護層往往在偏離預(yù)期的保證期出現(xiàn)脫落、裂縫或裂紋、起泡等，從而導(dǎo)致防護層失去保護作用，使得腐蝕介質(zhì)不斷侵入，對基體材料構(gòu)成腐蝕。為了保障涂層的可靠性，需掌握飛機金屬結(jié)構(gòu)涂層的失效機制，在此基礎(chǔ)上建立有效的失效預(yù)測模型。

圍繞防護涂層的失效研究主要在以下幾方面：1）結(jié)構(gòu)及其防護涂層的腐蝕原理、各腐蝕相關(guān)因素的腐蝕機理，如鈦?鋼螺栓搭接件的電偶腐蝕機制[1]，紫外、水、溫度、濕度、SO2、Cl?、沙漠、力學(xué)因素等對涂層的腐蝕原理[2-5]；2）結(jié)構(gòu)及其防護涂層在不同腐蝕環(huán)境下的失效行為，如在深海環(huán)境、海洋環(huán)境、大氣化境、熱浸鍍合金熔體等環(huán)境中的腐蝕現(xiàn)象、失效原因、改進措施[6-15]；3）防護工藝研究。

防護涂層在服役環(huán)境中逐漸老化失效，目前，國內(nèi)研究中或單純采用老化試驗來評價涂層的材料性能，或單純采用鹽霧等腐蝕試驗來研究涂層?合金體系耐腐蝕性能，還沒有充分考慮環(huán)境因素之間相互作用導(dǎo)致的損傷失效表征和演化規(guī)律。防護涂層失效預(yù)測模型方面，有的研究提出防護涂層的老化分析模型，如阻抗模值老化動力學(xué)模型，但該模型分析的是某特定頻率下阻抗模值與試驗周期之間的關(guān)系，并不能給出防護涂層失效的程度；或者利用失效現(xiàn)象，如從鼓泡的數(shù)量和面積入手，根據(jù)周期的變化情況進行分析，指導(dǎo)可能的失效情況[16]。文獻分析表明，防護涂層的失效預(yù)測預(yù)防研究缺乏。

在腐蝕介質(zhì)及載荷的耦合作用下，金屬表面防護體系往往出現(xiàn)失效，揭示飛機金屬結(jié)構(gòu)典型防護體系材料在多場耦合服役環(huán)境下破壞行為和失效機理[17]，建立飛機金屬結(jié)構(gòu)典型防護體系材料損傷演化模型和失效預(yù)測模型，可為實現(xiàn)多場耦合服役環(huán)境下飛機金屬結(jié)構(gòu)服役使用壽命評定、預(yù)測及單機壽命監(jiān)控提供基礎(chǔ)。本文研究防護體系材料在腐蝕環(huán)境或腐蝕+載荷耦合環(huán)境作用下?lián)p傷演化行為、表征參量和失效判據(jù)，采用損傷形貌和電化學(xué)阻抗譜結(jié)合的方法，在防護涂層失效預(yù)測模型研究的基礎(chǔ)上，分析防護涂層失效階段的評價方法。

1 試驗材料與方法

模擬實驗環(huán)境譜見圖1，模擬分析金屬結(jié)構(gòu)在海南三亞和山東團島服役環(huán)境下的損傷失效行為。紫外輻照試驗?zāi)M太陽光對有機涂層的老化作用，在紫外輻照箱中開展；熱沖擊試驗測試氣溫的變化對有機涂層的作用影響，在熱沖擊試驗箱中開展；低溫疲勞試驗測試材料在高空低溫條件下的疲勞性能，在低溫箱的MTS 疲勞試驗機上開展；鹽霧試驗?zāi)MSO2、Cl?對防護涂層的影響，在鹽霧箱中進行。

圖1 試驗譜每周期具體試驗條件Fig.1 Specific conditions for each period of test spectrum

對飛機在外場使用、腐蝕、失效情況進行調(diào)研分析，確定失效發(fā)生概率較高的典型研究部位作為模擬部位，如中央翼3 墻部位、中央翼25框處、左尾梁下壁板和平尾大軸等。模擬結(jié)構(gòu)包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不包括紫外線輻照試驗環(huán)節(jié)，模擬試樣分為2 類，不包括低溫疲勞試驗環(huán)節(jié)的矩形板試樣和包括低溫疲勞試驗環(huán)節(jié)的疲勞試樣（圖2）。

金屬基體7B04 鋁合金，模擬結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部的防護體系一致，防護體系如下：硫酸陽極化，重鉻酸鹽填充，噴漆（S06-0215）2 層交叉噴。表面防護參數(shù)為硫酸陽極化（電壓18 V，180 g/L 硫酸，25 min，膜厚8～9 μm）和重鉻酸鹽填充。噴漆（S06-0215）2 層交叉噴，厚度為50～60 μm。

圖2 試驗所用的2 類試樣Fig.2 Two types of samples were used in the experiment

金屬基 體 30CrMnSiA 鋼、 AF1410 鋼、30CrMnSiNi2A 鋼，模擬結(jié)構(gòu)內(nèi)部的防護體系為：噴丸+H06-076 底漆；模擬結(jié)構(gòu)外部的防護體系為：噴丸+噴鋅+1 層H06-076 底漆+1 層881-Y01磁漆。試樣表面處理工藝中噴鋅厚度為30～60 μm，底漆為H06-076，灰色，厚度為15～25 μm；磁漆為881-Y01，藍色，厚度為40～60 μm。

噴丸參數(shù)：噴丸強度為0.3 A，230 鋼，彈丸直徑為0.6 mm，覆蓋率100%。

4 種模擬環(huán)境、4 種金屬基體、疲勞試樣和非疲勞試樣共32 種組合下共400 多個試樣。

對不同防護層、不同試驗條件下的試樣，定期進行表面宏觀、微觀損傷形貌觀察分析，對防護層的電化學(xué)性能進行測試分析，通過截面信息對損傷的深度及損傷過程進行分析，在以上分析的基礎(chǔ)上對防護層的失效機制、失效表征參量，失效形貌與電化學(xué)之間的關(guān)系進行研究。

對國內(nèi)外防護層失效預(yù)測模型進行調(diào)研分析，防護層失效預(yù)測模型主要有阻抗模值數(shù)據(jù)處理法、老化動力學(xué)模型。分析現(xiàn)有模型存在的局限性，在此基礎(chǔ)上，對老化動力學(xué)模型進行改進，提出全頻率老化動力學(xué)模型，并新建立神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)失效預(yù)測模型。利用鋁合金、鋼及其防護涂層在不同實驗條件下的實驗結(jié)果對各模型的預(yù)測結(jié)果進行比對分析。

2 防護涂層失效行為

2.1 主要失效形貌和影響因素

本研究統(tǒng)計分析三亞內(nèi)部、三亞外部、團島內(nèi)部、團島外部4 種模擬環(huán)境，以及4 種金屬基體、疲勞試樣和非疲勞試樣的32 種組合，共400余個試樣隨著試驗周期的變化其損傷演變情況。防護層的主要失效模式為點蝕和電偶腐蝕，鋁合金防護層在試驗過程中主要呈現(xiàn)顏色變化、花斑和鼓泡現(xiàn)象，鋼表面防護體系在試驗過程中主要呈現(xiàn)顏色變化、鼓泡和剝層現(xiàn)象。雖然基體材料和防護層不同，但以上損傷均是在模擬環(huán)境譜各因素綜合作用下的結(jié)果。

從試驗譜中可以看出，試驗參數(shù)包括紫外線、熱、疲勞載荷和鹽霧。紫外光照射能引起涂層的化學(xué)變化，如使碳鏈發(fā)生斷裂，涂層孔隙率增大，使涂層老化。酮、醇、酸等小分子易在涂層光老化過程產(chǎn)生，這些小分子很容易被水沖刷掉，涂層高聚物不均勻的損失會表現(xiàn)出“花斑”形貌。1）應(yīng)力對涂層損傷的影響：由于合金表面的漆層與基體金屬延伸性存在差異，在拉應(yīng)力的作用下，促進合金的氧化膜及漆層破裂。在疲勞試驗過程中，應(yīng)力主要起到促進防護層開裂或剝落、降低防護層與基體的結(jié)合強度、促進腐蝕介質(zhì)穿過防護層的作用。在涂層中可能存在殘余應(yīng)力、吸濕應(yīng)力、熱應(yīng)力和其他因素導(dǎo)致的應(yīng)力，這些應(yīng)力能夠使涂層發(fā)生膨脹，當(dāng)涂層的附著力不能承受應(yīng)力引起的變形時就會起泡；2）熱和溫度對涂層老化作用：影響化學(xué)和光化學(xué)反應(yīng)的速度，加速某些高聚物發(fā)生降解，導(dǎo)致性能下降；影響有機涂層中添加劑以及外來組分（雜質(zhì)、污染物等）的擴散速率；導(dǎo)致收縮和膨脹，加速材料的龜裂和開裂。

在有機涂層涂裝過程中，可以通過嚴(yán)格控制涂裝工藝控制宏觀缺陷，但微觀缺陷不能完全避免。憑借微觀缺陷，可以在涂層中形成長徑比很大的腐蝕通道，水、氧等半徑較小的分子可以通過這些通道擴散到涂層?基體的界面區(qū)域，形成微觀腐蝕原電池，進而使得基體發(fā)生腐蝕。另外，涂層即使達到理想狀態(tài)，也會發(fā)生涂層表面水分子吸附、擴散和溶滲作用，可到達涂層金屬基體界面。

2.2 失效形貌與電化學(xué)阻抗之間定量關(guān)系

通過對防護層表面損傷形貌演變分析，防護層和基體金屬界面損傷形貌定量表征，防護層電化學(xué)阻抗隨試驗周期的演變分析，研究防護層材料損傷演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著試驗周期的進行，失效形貌的變化與電化學(xué)參量存在一定的對應(yīng)關(guān)系，本研究給出不同失效階段低頻電化學(xué)阻抗模值范圍，以及對應(yīng)的失效形貌。文獻[18]中也提出涂層表面的損傷形貌和低頻下阻抗模值之間有較好的對應(yīng)關(guān)系，二者能較好地用于服役結(jié)構(gòu)涂層損傷程度判斷和失效預(yù)測。

以30CrMnSiA 鋼基體表面噴丸+噴鋅+噴底漆+噴磁漆防護層在團島外部環(huán)境下（沒有低溫疲勞試驗環(huán)節(jié)）為例，給出失效形貌演變和電化學(xué)參量的變化。

第1～17 周期，試樣表面沒有明顯變化；第18 周期，試樣內(nèi)部出現(xiàn)數(shù)量較多、尺寸細(xì)小的鼓起，鼓起肉眼觀察不明顯；第19 周期，試樣內(nèi)部細(xì)小的鼓起尺寸增大，肉眼基本可見；第20 周期，出現(xiàn)尺寸較大的鼓泡；第21 周期，尺寸較大的鼓泡明顯長大，其他鼓起變化不明顯，隨著試驗的進行，大鼓泡周圍出現(xiàn)較多尺寸較小的鼓泡，至試驗結(jié)束的第24 周期，腐蝕現(xiàn)象更加嚴(yán)重。失效形貌演變見圖3。

不同周期下的bode 圖見圖4，從圖中可以看出，隨著試驗的進行，試樣不同頻率下的阻抗模值出現(xiàn)明顯變化，第0～17 周期時，bode 圖基本在一個區(qū)間內(nèi)分布，不同周期之間的差別不明顯，第18 周期及之后，bode 圖基本不重合，明顯隨著試驗周期的增多，呈下降趨勢。

不同周期0.1 Hz 時的阻抗模值|Z|見圖5，未試驗時阻抗模值在109Ω·cm2水平，試驗初期阻抗模值在108～109Ω·cm2水平波動，隨著試驗的進行，在第18、19 周期的阻抗模值下降至107～108Ω·cm2，并且于第20 周期降至106Ω·cm2之下，阻抗模值處于106Ω·cm2之下說明涂層防腐能力已經(jīng)顯著下降。

不同周期的Nyquist 圖見圖6，可知在試驗初期Nyquist 出現(xiàn)一條半徑較大的容抗弧，隨著試驗的進行，容抗弧半徑逐漸變小，并逐漸出現(xiàn)感抗弧，說明涂層的防護能力逐漸下降，并引起基體逐漸受到腐蝕。

微觀形貌觀察表明，涂層經(jīng)歷18 個周期后出現(xiàn)輕微鼓起現(xiàn)象，在第19 周期，涂層表面鼓起有所加重，在第20 周期時試樣表面的腐蝕顯著加重，出現(xiàn)明顯鼓泡現(xiàn)象，說明經(jīng)歷第20 周期時涂層的防護能力很弱，基本處于失效狀態(tài)。腐蝕損傷狀態(tài)（鼓泡現(xiàn)象）變化與電化學(xué)測試結(jié)果存在很好的一致性：電化學(xué)顯示在第18 周期時涂層出現(xiàn)損傷、第20 周期基本處于失效狀態(tài)；形貌結(jié)果顯示第18 周期時涂層出現(xiàn)輕微損傷、第20 周期時基本處于失效狀態(tài)。

圖3 不同實驗周期損傷形貌變化Fig.3 Damage morphology after different test periods

圖4 不同周期的bode 圖Fig.4 Bode diagram of different test periods

2.3 失效階段的劃分及對應(yīng)的等效電路

圖5 不同周期下0.1 Hz 的阻抗模值Fig.5 Impedance modulus of 0.1 Hz at different test periods

圖6 不同腐蝕周期Nyquist 圖Fig.6 Nyquist diagram of different test periods

電解質(zhì)溶液滲入有機涂層會引起涂層電容、電阻的變化，反過來也可以從涂層電容及電阻的變化了解電解質(zhì)溶液滲入有機涂層的程度，通過對不同腐蝕（浸泡）時期涂層阻抗譜的表征，實現(xiàn)對涂層防護性能和腐蝕程度進行定量分析，有機防護涂層在不同老化周期后產(chǎn)生的電化學(xué)阻抗譜呈現(xiàn)出階段性的變化，對應(yīng)不同腐蝕模型。

1）浸泡初期防護層體系的阻抗譜特征。

將水分還未滲透到達涂層?基底界面的那段時間稱作浸泡初期；H2O、O2和腐蝕介質(zhì)離子通過涂層表面的微孔隙縫向涂層內(nèi)滲透，但只要水分沒有到達涂層/基底界面，涂層仍具有隔絕作用，電化學(xué)阻抗譜顯示涂層只出現(xiàn)一個容抗弧，其等效電路見圖7。

2）浸泡中期防護層的阻抗譜特征。

防護層表面尚未形成宏觀小孔的階段時間稱作浸泡中期，主要表征參量為高頻端對應(yīng)的涂層電容Cc及涂層表面微孔電阻Rpo，低頻端對應(yīng)界面起泡部分的雙電層電容Cdl及基底金屬腐蝕反應(yīng)的極化電阻R，電解質(zhì)溶液通過涂層表面的微孔滲入涂層并到達涂層/基底界面，破壞涂層與基底之間的結(jié)合，引起涂層的起泡或腫脹，基材可能發(fā)生輕微腐蝕，但在涂層表面尚未出現(xiàn)肉眼可觀察到的宏觀小孔，其等效電路見圖8。

圖7 浸泡初期等效電路模型Fig.7 Equivalent circuit model for immersion initial stage

圖8 浸泡中期等效電路模型Fig.8 Equivalent circuit model for immersion medium stage

3）浸泡晚期防護層的阻抗譜特征。

有機涂層表面出現(xiàn)肉眼可見到的銹點或宏觀孔稱作浸泡晚期，該階段防護層表面的孔隙率及涂層/基底界面的起泡區(qū)都已經(jīng)很大，基材發(fā)生腐蝕時，涂層已開始失效。交流阻抗譜低頻部分出現(xiàn)感抗現(xiàn)象，該階段用基底反應(yīng)的電極過程表征防護層的電化學(xué)行為更合理，其等效電路見圖9。

圖9 浸泡晚期等效電路模型Fig.9 Equivalent circuit model for late immersion stage

30CrMnSiA 鋼基體表面噴丸+噴鋅+噴底漆+噴磁漆防護層，在腐蝕早期（第17 周期前），適用圖7 中等效電路模型，使用Zsimpwin 軟件分析計算防護層電阻Rc、溶液電阻Rs和涂層電容Cc，結(jié)果見圖10。

該試樣在17 個周期內(nèi)，涂層電阻均大于108Ω·cm2，涂層性能優(yōu)異，尚未受到較嚴(yán)重破壞。涂層電容先處于一個平臺期，然后增大。在平臺期，試樣處于0～14 周期，雖然溶液向涂層內(nèi)滲透，但只要沒有達到涂層/基底界面，涂層仍然是一個隔絕層，有良好的保護作用。隨著周期的增加，涂層表面逐漸破壞，溶液通過微孔縫隙向涂層內(nèi)不斷滲透，涂層電容不斷增大。

圖10 30CrMnSiA 鋼基體表面噴丸+噴鋅+噴底漆+噴磁漆防護層早期電化學(xué)參量計算Fig.10 Calculation results of electrochemical parameters of 30CrMnSiA steel matrix with protective coatings (shot blasting+zinc spraying+primer painting and enamel painting) at the early stage of corrosion

在大量統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合失效機理，提出防護涂層失效階段劃分，以及不同階段防護涂層失效形貌與電化學(xué)之間的對應(yīng)規(guī)律，見表1。

表1 防護涂層失效階段劃分及不同階段損傷形貌與0.1 Hz 處的阻抗模值對應(yīng)關(guān)系Table 1 Failure stage division of protective coatings and corresponding relationship between damage morphologies at different stages and impedance modulus value at 0.1 Hz

3 防護涂層失效預(yù)測模型分析

結(jié)合防護體系的損傷演變過程可知，在防護層未明顯破損前，會有鼓泡現(xiàn)象，腐蝕是從防腐層與金屬基體的界面處開始的。因此，本研究中防護層的腐蝕原理主要是由于腐蝕介質(zhì)使防護層發(fā)生損傷失效，表面為鼓泡、剝落，在損傷的過程中還伴隨著腐蝕介質(zhì)穿過防護層進入金屬基體與防護層的界面使金屬基體發(fā)生腐蝕。

3.1 防護層失效預(yù)測模型評價、改進與新建

1）阻抗模值模型。該模型認(rèn)為0.1 Hz 下的阻抗模值|Z|會隨著老化周期的增加而發(fā)生明顯的變化，對老化過程較為敏感，統(tǒng)計相關(guān)試樣的0.1 Hz 下的阻抗模值，與106Ω·cm2進行比較，大于106Ω·cm2的則認(rèn)為涂層性能良好，小于106Ω·cm2的則認(rèn)為涂層已遭到較嚴(yán)重破壞。

模型評價為：只考慮某個周期某一頻率下的試驗數(shù)據(jù)，導(dǎo)致預(yù)測的誤差較大；針對不同的涂層，采用統(tǒng)一的大致失效判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（106Ω·cm2），沒有考慮具體涂層的防護性能，也是導(dǎo)致預(yù)測誤差大的原因。

2）老化動力學(xué)模型。老化動力學(xué)模型基于0.1 Hz 下|Z|對老化過程非常敏感，隨著腐蝕的進行，阻抗模值呈現(xiàn)指數(shù)型降低，提出加速試驗和自然暴露試驗0.1 Hz 下的|Z|符合老化方程：

式中：|Z|t和|Z|0分別是老化時間為t、0 時涂層的0.1 Hz 下的阻抗模值；|Z|m為金屬基材的阻抗模值，一般為104Ω·cm2左右；t 是涂層體系老化時間；θ 為反應(yīng)常數(shù)，與涂層特性和老化環(huán)境嚴(yán)酷度相關(guān)，相同環(huán)境中θ 越小，涂層對環(huán)境越敏感，即涂層越容易老化，不同環(huán)境中θ 越小，說明環(huán)境越嚴(yán)酷。

模型評價為：該模型認(rèn)為涂層0.1 Hz 下的|Z|與腐蝕時間取對數(shù)后符合線性關(guān)系，但實際上在沒有發(fā)生明顯損傷之前，|Z|并不隨腐蝕時間有規(guī)律下降，而是在某值附近上下波動，該模型沒有充分考慮涂層的損傷過程和損傷機制。該模型也只考慮某個周期某一頻率下的試驗數(shù)據(jù)，導(dǎo)致預(yù)測的誤差較大。該模型主要適用于防護層發(fā)生損傷之后，對還沒有發(fā)生損傷而需要預(yù)測損傷的情況會導(dǎo)致較大誤差。工程上更需要還沒有發(fā)生明顯損傷而需要對剩余壽命進行預(yù)測的情況。

3）全頻率的老化動力學(xué)模型。在老化動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，為了降低僅利用某固定頻率下實驗數(shù)據(jù)進行壽命預(yù)測誤差問題，本研究提出了全頻率老化動力學(xué)模型：

式中：|Zt|和|Z0|分別是老化時間為t、0 時且涂層頻率為f 下的阻抗模值；t 是涂層體系老化時間；θ 為反應(yīng)常數(shù)，與涂層特性和老化環(huán)境嚴(yán)酷度相關(guān)。

全頻率老化動力學(xué)模型與傳統(tǒng)老化動力學(xué)模型相比，改進主要有以下2 點：一是在擬合公式中去除了基體阻抗模值的影響。在涂層性能相對良好時，頻率0.1 Hz 時阻抗模值一般為107Ω·cm2以上，相較基體一般為104Ω·cm2的阻抗模值，相差幾個數(shù)量級，可見在涂層性能相對良好時，基體阻抗模值對于測得的阻抗模值影響可忽略不計。在涂層已被破壞時，基體實際上也已遭到破壞，阻抗模值不能簡單以104Ω·cm2計；二是采用全頻率阻抗模值擬合，還可以降低測量時偶然誤差的影響，提高預(yù)測精度。

4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。為了充分利用防護涂層在不同腐蝕環(huán)境譜作用下的電化學(xué)參量變化規(guī)律，以及電化學(xué)阻抗譜變化與損傷形貌之間的對應(yīng)關(guān)系，建立Kohonen 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在預(yù)測時不僅考慮全頻率下的阻抗模值，同時考慮阻抗模值變化情況。Kohonen 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第一層為輸入層，第二層為競爭層（輸出層）（圖11）。

Kohonen 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接應(yīng)用阻抗譜特征進行分析，利用阻抗譜Bode 圖中幅頻曲線的斜率，即：

式中：f 為頻率，|Z|為阻抗模值。實際應(yīng)用中用微商代替微分：

圖11 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型示意圖Fig.11 Schematic diagram of neuron network model

不同性能的防護層的特征參數(shù)k( f )不同。在防護層失效過程中，k( f )隨防護層性能的變化而變化，可以利用k( f )的特性對涂層失效過程進行研究，利用Kohonen 網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)功能，將k( f )曲線作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，競爭層上的神經(jīng)元計算輸入樣本與競爭層神經(jīng)元權(quán)值之間的歐幾里德距離[19]，距離最小的神經(jīng)元為獲勝神經(jīng)元。網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)后，網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果即可反映涂層的狀態(tài)，同時輸出被預(yù)測的曲線與哪條曲線最接近，得到預(yù)測的周期數(shù)。

在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型中，對應(yīng)防護層失效過程的5 個子過程，分別為：

1）防護層浸泡初期具有好的保護性能；

2）腐蝕介質(zhì)逐漸滲入防護層且有電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生；

3）防護層中出現(xiàn)微孔，含水率接近飽和，有剝離傾向，保護性能較差；

4）防護層局部不具有保護性能，出現(xiàn)大鼓泡或小的缺陷；

5）防護層完全失效，出現(xiàn)大的缺陷。

此種分類方式是對防護層腐蝕過程傳統(tǒng)分為腐蝕早期、腐蝕中期和腐蝕晚期的一種細(xì)化，其中：過程1、2 對應(yīng)腐蝕早期，從防護層未腐蝕發(fā)展到初步腐蝕，出現(xiàn)小鼓泡；過程3、4 對應(yīng)腐蝕中期，防護層出現(xiàn)大鼓泡甚至剝離缺陷，局部喪失保護能力；過程5 對應(yīng)腐蝕晚期，涂層大范圍產(chǎn)生缺陷，且較為明顯，涂層失效。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與傳統(tǒng)老化動力學(xué)模型相比，改進主要有以下4 點：考慮涂層的損傷過程和失效機制；考慮全頻率下的阻抗模值，可以降低偶然誤差，提高精確度；預(yù)測時不僅考慮阻抗模值大小的影響，同時考慮阻抗模值變化情況；采用自適應(yīng)的自主學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)算法，而不是簡單的線性擬合。

3.2 不同模型失效預(yù)測效果分析

試樣標(biāo)號含義見表2，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與阻抗模值模型測試結(jié)果比較見表3。

由表3 可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測精度普遍較阻抗模值模型高。在預(yù)測XDCW、XDCWT、30SW、30TW、ASW、ATW 試樣中，阻抗模值模型預(yù)測平均誤差為1.92 周期，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測平均誤差為0.5 周期，精度提高74.0%。

與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比，阻抗模值模型簡單的考慮0.1 Hz 的|Z|與106Ω·cm2的大小，優(yōu)點在于應(yīng)用簡單。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型考慮全部頻率下的全部阻抗模值進行預(yù)測，因此更為精確。

全頻率老化動力學(xué)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與老化動力學(xué)模型比較結(jié)果見表4，可以看出，全頻率老化動力學(xué)模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測精度均較老化動力學(xué)模型有很大提高。在所有試樣的預(yù)測中，老化動力學(xué)模型的平均誤差為10.03 周期，全頻率老化動力學(xué)模型平均誤差為2.89 周期，預(yù)測精度提高71.2%，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型平均誤差為1.35 周期，預(yù)測精度提高86.6%。實際應(yīng)用中更為關(guān)心涂層尚未破壞時的預(yù)測，老化動力學(xué)模型平均誤差為10.04 周期，全頻率老化動力學(xué)模型平均誤差為2.80 周期，預(yù)測精度提高72.2%，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型平均誤差為1.12 周期，預(yù)測精度提高88.9%。

表2 試樣Table 2 Sample

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與全頻率老化動力學(xué)模型相比，在全局預(yù)測上平均誤差較小，但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是離散比較預(yù)測，而導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測會有個別周期誤差較大，如TWZDC2#試樣第1 周期的預(yù)測、30TW2#試樣第4 周期的預(yù)測和30SW2#試樣第4 周期的預(yù)測等。全頻率老化動力學(xué)模型是連續(xù)擬合預(yù)測，則可避免這種情況的發(fā)生。

表3 阻抗模值模型與神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果對比Table 3 Prediction result comparison between impedance modulus model and neural network model

表4 全頻率老化動力學(xué)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與老化動力學(xué)模型預(yù)測結(jié)果對比Table 4 Prediction result comparison among full frequency aging dynamic model, neural network model and aging dynamic model

4 結(jié)論

1）在紫外、熱沖擊、低溫疲勞、鹽霧多因素耦合作用下，鋁合金防護層主要損傷為顏色變化、花斑和鼓泡；鋼防護層主要損傷為顏色變化、鼓泡和剝層。

2）將防護層失效階段劃分為早期、中期、晚期，在不同階段，鼓泡失效形貌與0.1 Hz 電化學(xué)阻抗模值之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系，可以利用損傷形貌和電化學(xué)阻抗結(jié)合的方法預(yù)測防護層損傷失效階段。

3）對傳統(tǒng)老化動力學(xué)模型進行改進，提出全頻率老化動力學(xué)模型，全頻率老化動力學(xué)模型與傳統(tǒng)老化動力學(xué)模型相比，改進主要有以下2 點：在擬合公式中去除基體阻抗模值的影響；采用全頻率阻抗模值擬合，可以降低測量時偶然誤差的影響，提高預(yù)測精度。

4）建立神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)失效預(yù)測模型，該模型與傳統(tǒng)老化動力學(xué)模型相比，改進主要有以下4 點：考慮涂層的損傷過程和失效機制；考慮全頻率下的阻抗模值，可以降低偶然誤差，提高精確度；在預(yù)測時不僅考慮阻抗模值大小的影響，同時考慮阻抗模值變化情況；采用自適應(yīng)的自主學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)算法，而不是簡單的線性擬合。

5）利用實驗結(jié)果對提出的全頻率老化動力學(xué)模型和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型進行了測試和驗證，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)老化動力學(xué)模型相比，預(yù)測精度可提高達50%。