直升機(jī)結(jié)構(gòu)外部涂層在海洋環(huán)境中的加速環(huán)境譜研究

直升機(jī)結(jié)構(gòu)外部涂層在海洋環(huán)境中的加速環(huán)境譜研究

劉成臣，魯國富，王浩偉
（中國特種飛行器研究所，荊門448035）

針對某海域環(huán)境特點(diǎn)，參考國內(nèi)外環(huán)境譜編制方面的技術(shù)成果，提出了適合某海域服役直升機(jī)外部涂層的加速環(huán)境譜。該譜由濕熱暴露、紫外光照、鹽霧三個環(huán)境模塊組成。給出了各環(huán)境模塊試驗條件的確定方法和與艦面環(huán)境實際暴露時間的當(dāng)量關(guān)系。通過典型鋁合金件的試驗室加速試驗和艦面暴露試驗對比，驗證了該加速譜的合理性與當(dāng)量關(guān)系的準(zhǔn)確性。

直升機(jī)；涂層；環(huán)境譜；日歷壽命

直升機(jī)在護(hù)航期間一直處于高溫、高濕的海洋環(huán)境下，鋁合金作為直升機(jī)的主體結(jié)構(gòu)材料遭受鹽霧、飛濺海水以及干/濕交替循環(huán)侵蝕，腐蝕威脅嚴(yán)重，極大的影響了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)壽命［1-4］。為提高鋁合金的防護(hù)性能，一般會采用涂層，涂層失效將會使金屬基體暴露在海洋環(huán)境中，導(dǎo)致基體腐蝕從而影響飛行安全。因此在飛機(jī)日歷壽命評定時，開展腐蝕關(guān)鍵件涂層有效性評定是不可或缺的步驟［5］。

我國軍機(jī)壽命一般在25 a左右，在自然環(huán)境中評估涂層的有效性需要很長的周期，無法滿足工程研制需求，因此必須采用加速腐蝕試驗的方法，以期在短時間內(nèi)達(dá)到評估飛機(jī)服役若干年后涂層防腐性能的目的。而加速環(huán)境譜的編制和加速試驗時間與外場暴露年限的當(dāng)量關(guān)系的確定是日歷壽命評定的重要前提。

本工作以課題組采集的某海域環(huán)境數(shù)據(jù)編制了涂層加速環(huán)境譜并確定了當(dāng)量關(guān)系，在護(hù)航艦面開展了自然暴露試驗的同時在試驗室條件下開展了加速腐蝕試驗，并通過自然暴露試驗與加速試驗的對比對加速環(huán)境譜和當(dāng)量關(guān)系的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗證。

1 某海域環(huán)境特點(diǎn)

表1為課題組通過衛(wèi)星反演技術(shù)獲得的某海域14 a間的年均溫濕度譜。實測數(shù)據(jù)顯示該海域年均太陽總輻射量為Q=4 687 MJ·m2，年均太陽輻射強(qiáng)度為Qz=306 W/m2，其中紫外線含量為6.53%。由表1可知，該海域溫度長期保持在30℃左右，濕度保持在70%左右，屬于典型的高溫高濕環(huán)境。

2 涂層加速環(huán)境譜編制

2.1 環(huán)境譜基本構(gòu)成

分析某海域服役環(huán)境特點(diǎn)，在該海域服役飛機(jī)涂層主要受海洋大氣中的鹽霧、高溫高濕環(huán)境以及陽光中的紫外線影響，同時借鑒國外飛機(jī)涂層加速試驗的經(jīng)驗［5］，選取濕熱暴露試驗、紫外老化試驗、鹽霧試驗三個譜塊組成加速試驗譜。

表1 某海域年均溫-濕度譜Tab.1 Average annual temperature-humidity spectrum in certain sea area

2.2 各環(huán)境模塊試驗參數(shù)

（1）溫濕暴露試驗環(huán)境條件

濕熱環(huán)境基本取決于氣候條件。由于某海域其溫度、濕度環(huán)境與美國艦載機(jī)服役的海洋環(huán)境類似，故采用美國艦載機(jī)的加速環(huán)境譜CASS譜中溫濕度譜塊的試驗條件［5］，即溫度為43 ℃；相對濕度為95%～100%；試驗設(shè)備為 H1200C 溫濕交變試驗箱。

（2）紫外照射試驗環(huán)境條件

紫外作用時間取決于紫外試驗箱中試驗件表面上的紫外輻射強(qiáng)度和外場真實環(huán)境中一個暴露周期接受的紫外輻射量。當(dāng)試驗箱紫外線輻射強(qiáng)度60 W/m2，外場真實環(huán)境的暴露周期平均紫外輻射強(qiáng)度為Qz時，每個試驗周期所需的紫外線照射時間為：

某海域年均紫外總輻射強(qiáng)度為306 MJ/m2，可得：

即紫外照射子試驗作用時間為1 417 h。

紫外照射造成的涂層老化還與光照溫度有關(guān)，本文參考GB 2424取T=（55±10）℃。

（3）鹽霧試驗環(huán)境條件

鹽霧的作用時間也主要取決于氣候環(huán)境，參照文獻(xiàn)［5］的鹽霧環(huán)境，外部涂層的鹽霧環(huán)境試驗條件為：

鹽霧溶液：5% NaCl溶液；

溫度：T=35℃；

試驗設(shè)備：DCTD1200P鹽霧腐蝕試驗箱。

2.3 當(dāng)量關(guān)系

（1）溫濕暴露試驗

參考CASS譜濕熱暴露時間（CASS譜濕熱試驗7d相當(dāng)于自然環(huán)境老化1 a），確定溫濕加速試驗時間為7d。

（2）紫外照射試驗

試驗時紫外照射時間的計算與式（1）相同，為1 417 h。

（3）鹽霧試驗

參照文獻(xiàn)［5］的鹽霧環(huán)境，每周期作用7d，相當(dāng)于在亞熱帶沿海地區(qū)和濕熱地區(qū)服役1 a。

2.4 加速環(huán)境譜

艦上試驗的檢測周期為一個月，為方便對比，在每個試驗?zāi)K時間都上都乘以了1/12的因子，故加速環(huán)境譜1個循環(huán)相當(dāng)于飛機(jī)在某海域服役1個月，12個循環(huán)相當(dāng)于1 a，見圖1。

圖1 涂層加速環(huán)境譜Fig.1 The accelerated test environment spectrum of coating

3 加速環(huán)境譜及當(dāng)量關(guān)系驗證

為驗證上述加速環(huán)境譜的可行性與當(dāng)量關(guān)系的準(zhǔn)確性，取艦上自然暴露6個月與加速試驗6周期后的試驗件進(jìn)行腐蝕程度對比。試驗件尺寸見圖2，厚度為3.5mm，材料為LY12CZ。自然暴露試驗6個月后的試驗件形貌見圖3。加速腐蝕6周期后的腐蝕微觀形貌見圖4。

圖2 試驗件幾何尺寸Fig.2 Geometry of test piece

圖3 涂層試驗件自然暴露6個月后外觀形貌Fig.3 The morphology of coating after nature test for 6 months

圖4 涂層試驗件加速腐蝕6周期后微觀形貌Fig.4 The microstructure of coating after accelerated corrosion test for 6 weeks

由圖3可知，通過艦上暴露試驗，涂層并未在宏觀上發(fā)生明顯變化，未發(fā)生涂層開裂及脫落等嚴(yán)重失效現(xiàn)象。圖4為涂層微觀形貌圖，可知涂層并未發(fā)生嚴(yán)重失效，劃痕處也未見腐蝕擴(kuò)展，但通過對色差測量知，涂層的色差已發(fā)生較小變化，故選用色差改變量作為腐蝕損傷的量化依據(jù)，對艦上自然環(huán)境暴露和實驗室加速腐蝕試驗件進(jìn)行分區(qū)色差數(shù)據(jù)采集，并對兩組色差改變量參數(shù)進(jìn)行分布驗證和來源一致性檢驗，若不滿足來源一致性檢驗，則選取其他加速周期下色差改變量重新驗證，直至滿足來源一致性檢驗。

3.1 自然環(huán)境暴露下涂層色差變化及其分布

采用對自然環(huán)境暴露與實驗室加速腐蝕環(huán)境中色差的變化 ΔE 值進(jìn)行統(tǒng)計，并剔除異常數(shù)據(jù)，剔除方法采用四分位檢驗法中的1.5IQR，超出此限的數(shù)為異常點(diǎn)。利用χ2檢驗驗證色差變化數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。表2為自然暴露試驗后涂層色差的ΔE值，表3為ΔE值的數(shù)據(jù)區(qū)間和χ2值。

表2 自然暴露試驗后涂層色差變化Tab.2 Chromatic aberration of coating after nature test

表3 ΔE值的數(shù)據(jù)區(qū)間Tab.3 The data interval ofΔE

ΔE值分為6區(qū)間，計算得到均值為0.698，方差σA為0.347，χ2=4.474＜χ20.05=7.815，故顯著度水平0.05情況下ΔE值符合正態(tài)分布。

3.2 加速腐蝕試驗下涂層結(jié)構(gòu)色差變化及其分布

加速腐蝕6周期后的涂層色差變化如表4所示，數(shù)據(jù)區(qū)間如表5。

表4 加速試驗后涂層色差變化Tab.4 Chromatic aberration of coating after accelerated test

表5 ΔE值的數(shù)據(jù)區(qū)間Tab.5 The data interval ofΔE

ΔE值分為6區(qū)間，計算得到均值為0.523，方差σB為0.375，χ2=7.547＜χ20.05=7.815，故顯著度水平0.05情況下涂層結(jié)構(gòu)色差變化符合正態(tài)分布。

3.3 涂層結(jié)構(gòu)腐蝕當(dāng)量關(guān)系

（a）F檢驗

故通過F檢驗，兩組帶涂層試驗件的色差參數(shù)（實驗室加速試驗與亞丁灣自然環(huán)境暴露試驗）在顯著度為0.05情況下方差相同。

（b）t檢驗

通過t檢驗，兩組涂層結(jié)構(gòu)色差數(shù)據(jù)（實驗室加速試驗與亞丁灣自然環(huán)境暴露試驗）在顯著度為0.05情況下均值相同。

結(jié)果通過F分布和t分布檢驗，可得出兩組數(shù)據(jù)的均值和方差在95%置信度下一致，即涂層結(jié)構(gòu)加速腐蝕老化6周期對色差參數(shù)的影響相當(dāng)于亞丁灣自然環(huán)境暴露6個月。為使當(dāng)量關(guān)系結(jié)果更具說服力，又對加速腐蝕12個周期和自然暴露12個月的數(shù)據(jù)通過以上方法進(jìn)行檢驗，加速腐蝕12周期后的涂層色差數(shù)據(jù)如表6，自然暴露12個月后涂層色差數(shù)據(jù)如表7。

加速腐蝕環(huán)境下腐蝕12周期涂層色差的均值為2.21，方差為0.95。自然環(huán)境暴露下12個月涂層色差均值為2.38，方差為1.04。

經(jīng)過F檢驗和t檢驗兩組數(shù)據(jù)的均值和方差在95%置信度下一致，可以認(rèn)為本文所編制的某海域外部涂層環(huán)境譜及對應(yīng)的當(dāng)量關(guān)系是合理的。

表6 加速試驗后涂層色差變化Tab.6 Chromatic aberration of coating after accelerated test for 12 cycles

表7 自然暴露試驗12個月后涂層色差變化Tab.7 Chromatic aberration of coating after nature test for 12 months

4 結(jié)論

本工作依據(jù)某海域環(huán)境特點(diǎn)及涂層失效環(huán)境因素編制的某海域涂層加速環(huán)境譜可行，所提出的當(dāng)量關(guān)系準(zhǔn)確。本方法可能適合海軍飛機(jī)結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)日歷壽命及涂層的有效性評估。

［1］張有宏.飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷及其對壽命的影響［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［2］郭敏驍，封志華，徐偉，等.環(huán)境因素與飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命［J］.裝備環(huán)境工程，2004（5）：73-77.

［3］胡芳友，王茂才，溫景林.沿海飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕與防護(hù)［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2003（2）：97-100.

［4］劉文珽，賀小帆.飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕/老化控制與日歷延壽技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［5］劉文珽，李玉海.飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命體系評定技術(shù)［M］.北京：航空科學(xué)出版社，2004.

Accelerated Corrosion Enviroment Spectrum of Surface Coating on Helicopter Structure

LIU Cheng-chen，LU Guo-fu，WANG Hao-wei
（China Special Vehicle Research Institute，Jingmen 448035，China）

An accelerated environmental spectrum for the outer coating of helicopter is presented，combined with the environmental features in a certain area and referred to existing research results.The spectrum is composed of hothumid enviroment，ultravillet radiation and salt spray.The method for determining the parameters of every process and the equivalent relation between the accelerated spectrum and the nature environment are presented.The rationality of equivalent relation between the accelerated corrosion enviroment spectrum and the enviroment on the deck was validated by corrosion degree of the coating.

helicopter；coating；accelerated corrosion environmental spectrum；calendar life

TG174.4；V216.5

A

1005-748X（2015）11-1082-04

10.11973/fsyfh-201511015

2014-11-12

海裝“十二五”預(yù)研項目資助（20105010101）

劉成臣（1985-），工程師，碩士，從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)和控制工作，15827884833，liu87295612@163.com