車輛裝備涂層加速試驗環(huán)境譜研究

徐安桃，孫　波，呂湘毅，張　睿，張振楠

(1.軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161；3.96274部隊，河南 洛陽 471003； 4.火箭軍指揮學院 工程保障系，武漢 430014)

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車輛裝備涂層加速試驗環(huán)境譜研究

徐安桃1，孫波2，3，呂湘毅4，張睿2，張振楠2

(1.軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161；3.96274部隊，河南 洛陽 471003； 4.火箭軍指揮學院 工程保障系，武漢 430014)

為了給車輛裝備涂層服役壽命預測、防護性能評估和維修保養(yǎng)方案的制訂提供重要依據(jù)，闡述了車輛裝備涂層加速試驗現(xiàn)狀，并根據(jù)軍用車輛服役特點綜合分析了典型環(huán)境區(qū)中影響腐蝕過程的相關環(huán)境因素，建立了以濕熱、紫外光照、鹽霧為關鍵環(huán)境因素的車輛裝備涂層加速試驗環(huán)境譜，明確了各因素的具體試驗條件，提出了構建加速試驗與實際服役環(huán)境腐蝕損傷的當量加速關系法。

車輛裝備；涂層；加速試驗；環(huán)境譜；加速關系

裝備暴露部位涂覆涂層，是提高裝備腐蝕防護性能的重要手段[1]。涂層的主要破壞形式是老化失效，目前常見的涂層抗老化性能試驗的方法有自然暴露試驗與實驗室加速試驗[2]。

國外武器裝備防護涂層加速試驗研究開展較早。美軍較早地利用室內(nèi)加速試驗方法對飛機結構涂層防護體系的使用年限問題進行了試驗研究，設計運用濕熱循環(huán)、紫外照射、熱沖擊損傷、低溫疲勞損傷和鹽霧侵蝕5個可使涂層加速老化的環(huán)境條件，并按照一定的順序進行試驗，形成了最早的加速試驗環(huán)境譜(circulate accelerated spectrum system,CASS譜[3])及試驗程序，其基本流程如圖1所示?，F(xiàn)階段美軍又針對武器裝備試驗系統(tǒng)化、一體化、完整化的新要求，提出了加速腐蝕試驗設備大型箱倉化的設計思路，例如美軍麥金利氣候實驗室建造的一座寬75 m、深61 m、中心高21 m的倉式環(huán)境試驗設施，能夠模擬溫度濕度變化、紫外線輻射、雨雪天候等多種環(huán)境條件，并可對各種條件任意進行排列組合，制訂不同的復合試驗形式[4]。

圖1　CASS譜基本構成

我國軍民用裝備涂層加速試驗領域成果較為豐富，但各類研究主要集中在航空裝備關鍵部位涂層、船舶防腐涂層等方面，對車輛裝備涂層加速試驗進行專門研究的較少。如：劉文珽等[5]以亞熱帶沿海地區(qū)及內(nèi)陸濕熱地區(qū)為分析對象，從環(huán)境因素中提取濕熱循環(huán)、紫外光照、鹽霧侵蝕等主要腐蝕因素，通過主要腐蝕因素綜合試驗，建立了飛機關鍵部位表面涂層的加速環(huán)境試驗譜，并提出了實驗室模擬試驗與大氣實際腐蝕間當量加速關系的確定方法；蔡健平等[6]以海洋環(huán)境為模擬對象，利用以海水成分、海洋壓力、周期浸潤和換季影響為關鍵因素的實驗室循環(huán)試驗，評價了船舶有機防腐涂層的防護性能，并建立了涂層的老化動力學方程；陳群志等[7]、楊洪源等[8]綜合運用濕熱暴露、紫外線照射、低溫疲勞損傷和鹽霧侵蝕4個環(huán)境試驗塊，對空間環(huán)境影響飛行器有機涂層的效果進行評價分析，建立了實驗室加速試驗環(huán)境與外場實際使用環(huán)境間的當量加速關系，通過對模擬試件若干周期加速試驗結果與外場實際腐蝕數(shù)據(jù)間的分析比較，對該加速譜和當量加速關系的實用性進行了驗證；駱晨等[9]通過開展航空涂層戶內(nèi)加速與戶外暴露試驗，長期對涂層形貌變化進行跟蹤，運用電化學阻抗譜(EIS)定量分析涂層損傷,利用統(tǒng)計學方法建立了損傷等效關系。

當前，隨著我軍軍事訓練實戰(zhàn)化程度日益提高，車輛裝備“全天候、全疆域”運用需求不斷凸顯，這就要求車輛裝備必須經(jīng)歷多樣、復雜、嚴酷的服役環(huán)境。然而，現(xiàn)階段我軍車輛裝備新老交替周期較長，實際服役年限通常達到15～20年左右，將試件置于實際服役環(huán)境中進行全過程試驗，試驗周期過長，工程上只能采用實驗室加速試驗的方法，通過分析車輛裝備實際服役環(huán)境的特點，建立加速試驗環(huán)境譜，強化關鍵腐蝕因素的影響效果，加速涂層腐蝕損傷進程，模擬車輛裝備服役一定時間后的涂層腐蝕情況。利用該方法，可實現(xiàn)對涂層的可靠性評價與服役壽命預測，并制訂合理的保養(yǎng)維修方案，實現(xiàn)對涂層腐蝕耐久性的控制，降低涂層腐蝕損傷對車輛裝備使用造成的不利影響。

1　車輛裝備服役特點分析及加速試驗環(huán)境譜基本構成

1.1車輛裝備服役特點分析

與軍用飛機(簡稱軍機)相比，車輛裝備使用具有如下特點：

(1)參考現(xiàn)行軍事訓練大綱標準，軍機年飛行時間約為200～300 h，約占地面停放時間的3%左右，而車輛裝備始終處于地面服役狀態(tài)，與軍機地面停放時間基本類似；

(2)相同氣候區(qū)域內(nèi)，處于在地面停放狀態(tài)下的車輛裝備，其涂層和軍機涂層所處的腐蝕環(huán)境基本一致，如濕度、溫度等；

(3)相較于軍機的工作情況，車輛裝備處于常規(guī)運行狀態(tài)，行駛速度低、環(huán)境溫差小，各部位不存在因高速飛行氣動加熱引起的熱沖擊和高低溫轉換作用下的疲勞載荷；

(4)在地面停放狀態(tài)下，車輛裝備與軍機接受紫外線輻射情況一樣，但停放條件與防護措施均有所不同，因此，輻射量應根據(jù)車輛裝備實際使用情況予以確定。

1.2總體氣候環(huán)境的確定

加速試驗環(huán)境譜的編制，應考慮服役地區(qū)的氣候環(huán)境總體特征。根據(jù)美國軍標MIL-STD.810D[10]《環(huán)境試驗方法和工程導則》，依據(jù)世界氣候狀況，提出了“三分區(qū)”法即將全球地區(qū)依據(jù)氣候特點劃分為干熱氣候區(qū)、基本氣候(熱濕氣候區(qū))、冷和極冷氣候區(qū)。根據(jù)我國國土實際地理氣候特征，按照此法的分類方式，除西藏地區(qū)為冷和極冷氣候區(qū)外，大部分地區(qū)均屬于基本氣候區(qū)。

1.3關鍵環(huán)境因素的確定

根據(jù)服役地區(qū)的大氣環(huán)境特點，確定對車輛裝備涂層造成腐蝕性損傷的關鍵環(huán)境因素。實際情況下，涂層在整個服役過程中，各種環(huán)境因素產(chǎn)生的腐蝕作用相互影響，較為復雜。為了在實驗室環(huán)境下再現(xiàn)各種環(huán)境因素對涂層材料的腐蝕作用，必須對環(huán)境因素進行篩選，將對腐蝕貢獻小的環(huán)境因素剔除，確定對腐蝕貢獻大的關鍵環(huán)境因素。參考文獻[5，11-12]，確定對現(xiàn)役車輛裝備涂層造成腐蝕性損傷的關鍵因素包括濕度、溫度、紫外線以及空氣腐蝕性污染物(如氯化物、硫化物等)。關鍵環(huán)境因素對裝備涂層的影響過程如圖2所示。

圖2　關鍵環(huán)境因素對裝備涂層的影響過程

1.4環(huán)境因素塊施加順序的確定

裝備涂層腐蝕性損傷試驗，不對環(huán)境因素影響的全部歷程進行描述，只針對已提取出的關鍵環(huán)境因素，結合裝備服役過程中的環(huán)境腐蝕(或老化)歷程，在確保涂層/金屬體系的腐蝕效應和力學作用狀態(tài)與實際環(huán)境下的使用情況相一致的基礎上，合理確定各環(huán)境因素塊的施加順序，將腐蝕損傷過程以“譜”的形式再現(xiàn)，從而真實全面地再現(xiàn)實際服役過程中涂層出現(xiàn)的腐蝕損傷形式。根據(jù)對車輛裝備服役特點的分析，確定車輛裝備表面涂層加速試驗環(huán)境譜的基本構成，濕熱、紫外線光照和鹽霧3個環(huán)境塊依次施加。

2　加速試驗環(huán)境譜的確定

各環(huán)境塊試驗條件的確定，由裝備服役地區(qū)的氣候環(huán)境與平均服役時間決定，應以服役地區(qū)實際氣候資料為基礎進行分析確定。根據(jù)相關文獻有關數(shù)據(jù)[13-14]，結合實際調(diào)研情況分析，裝備的腐蝕發(fā)展速度呈現(xiàn)由沿海地區(qū)向內(nèi)陸地區(qū)逐漸降低的趨勢，東南沿海某些地區(qū)個別裝備實際使用年限不足2年，涂層就已出現(xiàn)分離、剝落等情況，需進行維修重涂。為滿足車輛裝備全疆域使用的要求，應選擇腐蝕情況最為嚴重的地區(qū)作為模擬對象，故以沿海濕熱地區(qū)為例編制車輛裝備表面涂層加速試驗環(huán)境譜。在編制過程中，應注意依據(jù)“全面性、一致性、經(jīng)濟性、可操作性、可靠性”的加速試驗環(huán)境編制準則，制定出既可反映涂層實際服役情況，又能縮短腐蝕歷程，節(jié)約試驗成本，且易于實現(xiàn)和操作的車輛裝備涂層試驗環(huán)境譜[16]。

2.1濕熱暴露試驗

車輛裝備在濕熱環(huán)境下腐蝕情況最為嚴重，熱作用和水分子的滲透作用是引起表面涂層失效及金屬基體腐蝕的主要因素?？紤]到我國基本氣候區(qū)溫度、濕度環(huán)境與美國沿海地區(qū)氣候條件基本相同，在已制定出的飛機涂層加速試驗環(huán)境譜中，均直接采用了CASS 譜中濕熱試驗的相關條件，因此，在沿海地區(qū)服役的車輛裝備可以設定溫濕暴露試驗條件如下：溫度43 ℃；相對濕度95%～100%；暴露時間為6天。

2.2紫外照射試驗

紫外照射環(huán)境依托紫外線箱實現(xiàn)。通常要估算出服役周期1年內(nèi)試樣接收的紫外線輻射量，依據(jù)輻射量相等條件，確定一個試驗周期紫外線環(huán)境塊的作用時間。根據(jù)廣州地區(qū)紫外輻射量的實測結果，并結合試樣紫外照射試驗結果，與多架飛機外場使用不同年限涂層情況對比，確定了軍機表面涂層每年接收的紫外輻射量約為Hz=10.25 MJ/m3[5]。對于車輛裝備而言(假設全年露天停放，且無蒙布覆蓋)，其接收的輻射量應與軍機大致相等。本試驗中，擬采用輻射照度Ez=(60±10)W/m3[15]，通過計算得紫外線照射時間為

因此，試驗時間取2天。由于涂層的紫外線照射老化與光照時的溫度也有一定關系，參照GB 2424.14[16]相關標準，將試驗溫度定為50～55 ℃。

2.3鹽霧試驗

鹽霧是車輛裝備涂層和金屬基體腐蝕的主要影響因素。我國亞熱帶地區(qū)氣候條件與美國沿海地區(qū)氣候條件大致相同，鹽霧暴露時間可與CASS譜一致，代表服役1年的鹽霧環(huán)境塊作用時間為7天，環(huán)境溫度t為(35±2)℃，沉降率為1～2 mL/80 cm2。同時，考慮到我國大氣中含有較多的酸性腐蝕性成分(如SO2)，而CASS譜中鹽霧環(huán)境塊未對中性與酸性鹽霧試驗的比例進行明確要求，因此，須針對裝備服役地區(qū)的具體情況合理分配兩者的時間比例。鹽霧試驗由中性鹽霧試驗與酸性鹽霧試驗共同組成。其中，中性試驗溶液為質(zhì)量分數(shù)5%的NaCl溶液，酸性試驗溶液為質(zhì)量分數(shù)5%NaCl、調(diào)定pH 3.5～4.5的溶液。我國典型沿海濕熱地區(qū)，年平均酸雨降水量占總降水量的45%[17]，根據(jù)裝備實際服役情況確定：鹽霧試驗時間為7天，其中前4天噴灑中性鹽霧，后3天噴灑酸性鹽霧。

2.4環(huán)境譜編制

本文2.1—2.3節(jié)中相關試驗參數(shù)是結合我軍現(xiàn)役車輛裝備服役特點，以沿海濕熱環(huán)境氣候區(qū)作為典型區(qū)域，偏保守考慮酸雨、紫外光照的影響，在充分利用實驗室條件、參考國內(nèi)外相關試驗標準的基礎上確定的，現(xiàn)編制車輛裝備表面涂層加速試驗環(huán)境譜(如圖3所示)。

3　加速試驗環(huán)境譜當量加速關系的確定

利用加速試驗環(huán)境譜，使裝備涂層在較短的時間達到與較長服役時間之間的對應關系，稱為加速腐蝕當量關系(簡稱當量加速關系)。目前，主要以當量折算法和腐蝕程度對比法在實際試驗中加以運用，能夠較好地建立當量關系。

圖3　車輛裝備涂層加速環(huán)境試驗譜

3.1當量折算法

通過電化學測試方法，以涂層下基材腐蝕電流Ic作為基材腐蝕的表征參數(shù)，進行不同腐蝕環(huán)境之間的當量折算[19]。基材腐蝕過程中，Ic隨腐蝕作用的強弱呈譜狀變化，在時間t內(nèi)基材的腐蝕量為

(1)

式中：F為法拉第常數(shù)；t為實際環(huán)境服役時間；Ic為實際環(huán)境下腐蝕電流。

對同一結構,由選定的試驗譜,在t′試驗時間內(nèi)的腐蝕量為

(2)

3.2腐蝕程度對比法

在裝備表面涂層加速試驗中，涂層腐蝕破壞程度是一個隨腐蝕程度不斷增加的指標。基于腐蝕程度對比確定當量關系，其基本思路：以起泡面積、失光率、粉化程度、剝落面積、膜厚變化的等變量作為統(tǒng)計指標，建立構件實際腐蝕與加速試驗腐蝕情況的數(shù)據(jù)庫，將腐蝕程度參數(shù)化，利用統(tǒng)計學方法分析比較有關數(shù)據(jù)，初步確定加速關系，再結合掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)、傅里葉變換紅外光譜分析(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)，對實際損傷試件和加速試驗試件涂層腐蝕產(chǎn)物進行形貌觀察與分析比較，從腐蝕產(chǎn)物的生成量與化學成分角度驗證對應關系的準確性。

4　結　論

(1)本文參照國內(nèi)外軍、民用飛機加速試驗環(huán)境譜，綜合考慮我軍車輛裝備實際服役環(huán)境特點，提出了表面涂層實驗室加速試驗環(huán)境譜的制定方法。

(2)環(huán)境譜中環(huán)境塊數(shù)與試驗參數(shù)，可根據(jù)車輛裝備具體服役環(huán)境靈活調(diào)整，以模擬多種服役環(huán)境，具有較好的普遍適應性。

(3)利用電化學測試和統(tǒng)計學分析方法，對測量參數(shù)進行分析整理后確定加速關系，可以利用試驗時間對車輛裝備涂層服役壽命進行推算，從而為車輛裝備保養(yǎng)維護周期的制定提供理論支持。

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(編輯：關立哲)

Study of the Environmental Spectrums of Accelerated Test for Vehicle Equipment Coating

XU Antao1， SUN Bo2,3， LYU Xiangyi4, ZHANG Rui2， ZHANG Zhennan2

(1. Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2. Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；3. Unit 96274, Luoyang 471003, China; 4. Engineering Support Department,the PLA Rocket Force Command College, Wuhan 430014, China)

To provide foundation for the service life prediction of vehicle composite coatings, its availability examination and maintenance plan preparation, this paper first introduces the current status and service characteristics of military vehicles and then analyzes the related environment elements affecting the corrosion process in the typical environment. With humidity, ultraviolet solar radiation and salt-fog as the key elements, the accelerated test environment spectrum for vehicle coatings is established, the test conditons of each element are specifed and the equivalent relation between accelerated spectrum and the actual application environment is presented.

vehicle equipment; coating; accelerated testing; environmental spectrums; accelerated relation

2015- 10-19；

2015-11- 28.

徐安桃(1962—)，男，博士，教授，碩士研究生導師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.04.008

TG174.46

A

1674-2192(2016)04- 0030- 05

● 車輛工程Vehicle Engineering