×飛機半封閉部位局部環(huán)境譜當量加速關系研究

（海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

環(huán)境試驗與評價

×飛機半封閉部位局部環(huán)境譜當量加速關系研究

張勇，陳躍良，樊偉杰，卞貴學，王晨光

（海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

目的 確定局部環(huán)境譜當量加速關系。方法 以×型飛機某半封閉關鍵部位為研究對象，依據(jù)其在機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環(huán)境譜，分別進行試驗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)性能檢測和電化學極化曲線測試，對兩種不同環(huán)境下試驗件進行性能測試。結果 試驗室周期浸潤加速腐蝕196.6 h，相當于艦面停放1年，且經(jīng)過實驗室2個周期加速腐蝕與自然環(huán)境暴曬2年的試驗件涂層形貌、失光率、色差、電化學性能一致。結論 該局部環(huán)境譜當量加速關系準確可靠。

局部環(huán)境譜；光澤度；色差；極化曲線

飛機機體結構日歷壽命是評價其安全性和可靠性的指標之一，同時也是確定分級維修周期和編寫外場維護大綱的前提和基礎[1]。在飛機設計階段通常借助環(huán)境譜加速腐蝕試驗對飛機結構不同部位進行日歷壽命評定，而腐蝕試驗的前提是局部環(huán)境譜與試驗譜間當量加速關系的確定[2]。

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

1 實驗

1.1 當量加速關系確定原理

飛機金屬結構的腐蝕失效本質(zhì)是發(fā)生電化學反應，而電化學反應過程中電荷的轉移與反應產(chǎn)物有著密切的等量關系，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)境作用時間。

對于半封閉部位結構，在服役環(huán)境中實際發(fā)生腐蝕的電流為Ic，服役時間為tc，腐蝕量為Qc。假設試驗室加速環(huán)境中腐蝕電流為I，試驗時間為t，腐蝕量為Q，依據(jù)腐蝕量相等準則Qc=Q，則：

結合文獻[5]中分析認為，飛機結構材料在地面環(huán)境譜的使用年限和對應的加速試驗環(huán)境譜作用時間范圍內(nèi)，Ic變化很小，認為恒定。則：

由此導出：

引入折算系數(shù)：

則式（4）可轉換成：

α即為兩種不同環(huán)境下腐蝕量相等對應的作用時間的關系，是用當量折算法建立加速試驗環(huán)境譜與地面環(huán)境譜作用時間之間當量關系的基礎。由于服役環(huán)境腐蝕電流測量測量是一項工程量和技術難度較大的實驗工作，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的當量折算系數(shù)。以這些通用的折算系數(shù)為基礎，建立各種結構材料以及不同的地面環(huán)境譜、加速試驗譜下的當量折算系數(shù)。

實施步驟為：將每年的地面環(huán)境譜作用折算為溫度t=40 ℃、濕度為 90%的標準潮濕空氣的作用時間t1；將每小時的加速環(huán)境譜作用折算為溫度t=40 ℃、濕度為90%的標準潮濕空氣的作用時間t2；t1/t2即為當量加速關系β，即加速試驗環(huán)境譜作用β小時相當于地面停放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)境譜原理及相應的編制原則[5—6]，首先確定×飛機服役環(huán)境中影響飛機結構的因素主要包含以下方面：艦上煙囪和飛機排出氣中的硫、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。

考慮到半封閉結構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間，延遲時間的長短與每次降雨的輕重程度、雨量大小有關。假設每次雨后潮濕空氣的作用時間按每次降雨延遲均延遲1 h計算，總延遲時間為135 h。霧露作用時間有滯后，一般結構表面延長 1.5 h，霧露作用次數(shù)為92次，總的延遲時間為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%的標準潮濕空氣的作用時間t1。其中鋁合金的折算系數(shù)見表3。

表3 潮濕空氣與標準潮濕空氣的折算系數(shù)

潮濕空氣作用時間的當量折算：ta=2508.34 h。

霧露作用時間的當量折算：將霧露作用小時數(shù)折算為t=40 ℃，相對濕度為90%的標準潮濕空氣的作用時間。tb=76.22 h。

降雨作用時間的當量折算：將降雨作用小時數(shù)折算為t=40 ℃，相對濕度為90%的標準潮濕空氣的作用時間。tc=113.8 h。

南海海域艦面停放環(huán)境譜每年相當于標準潮濕空氣作用時間為：t1=ta+tb+tc=2698.4 h

將每小時的加速試驗環(huán)境譜作用折算為溫度t=40 ℃、濕度為90%的標準潮濕空氣的作用時間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的環(huán)境溫度是40 ℃，因而周期浸潤加速試驗譜與標準潮濕空氣的當量折算只考慮環(huán)境對水介質(zhì)的折算。

鋁合金對質(zhì)量分數(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)量分數(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相當于t=40 ℃，相對濕度為90%的標準潮濕空氣作用13.725 h。

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

1.3 當量加速關系的驗證

選取×飛機某框下壁板為研究對象，其主要組成材料為7B04鋁合金板材，將試驗件加工成如圖1所示搭接件。按照ASTMG 1—2003對所有試驗件進行充分清洗，對表面進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驗室加速腐蝕試驗環(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。一個加速周期為30 min，其中浸泡7.5 min，烘干22.5 min。

共進行2個周期的加速腐蝕試驗，即當量2年。加速腐蝕試驗過程中，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紅外線燈照射，為避免環(huán)境箱工作環(huán)境不均勻對試件的影響，每 12 h隨機交換試件位置一次。

1.4 外場自然環(huán)境暴曬

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

1.5 涂層常規(guī)性能測試

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

其中宏觀照片主要用Can 50D數(shù)碼相機，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：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，標準偏差ΔEab在0.08以內(nèi)。

1.6 電化學試驗

除了涂層常規(guī)性能測試外，在最終試驗結束后，還對帶有涂層的樣板進行了電化學極化性能測試。電化學試驗借助PARSTAT 4000電化學工作站進行，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件[8]。參數(shù)設置：掃描電位區(qū)間為-350～600 mV（vs ocp），掃描速度為0.1669 mV/s。電化學極化曲線測試裝置如圖2所示。

2 當量加速關系驗證研究

2.1 涂層形貌性能分析

實驗室加速試驗2個周期與外場暴露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)部橫向應力作用，同時由于涂層厚度較小，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年時間相對涂層的整個壽命周期而言，時間較短，因此并未出現(xiàn)更多明顯的腐蝕現(xiàn)象。

實驗室內(nèi)加速試驗 2個周期后的試樣形貌顯示：經(jīng)過當量2年的加速試驗，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)律與自然暴曬試驗結果具有一致性。

2.2 色差結果分析

實驗室加速試驗與外場暴露試驗色差結果對比如圖5所示。

圖5 色差值對比結果

從圖5可以看出，試驗后兩種試驗件的色差變化趨勢相同。隨著試驗時間的延長，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》，試驗完成后兩種試驗件色差等級均屬于1級。實驗室內(nèi)加速試驗的試樣結果表明，試樣在第2周期后色差等級為1級，與自然暴露試驗試樣的腐蝕程度相同，均為輕微變色[10]。此結果表明環(huán)境譜加速試驗與實際環(huán)境暴曬實驗結果變化規(guī)律一致。

2.3 光澤度結果分析

實驗室加速試驗與外場暴露試驗失光率結果對比如圖6所示。

圖6 失光率結果對比

圖6中失光率結果顯示，兩個不同環(huán)境中試驗件的失光率均表現(xiàn)出隨著試驗時間的延長，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，這主要是由于反應初期涂層內(nèi)部出現(xiàn)進一步固化收縮現(xiàn)象，很有可能存在光澤度增加的現(xiàn)象[11]。實驗室內(nèi)加速腐蝕試驗2個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，且實驗室內(nèi)加速試驗與自然環(huán)境暴曬試驗結果具有一致性，同時驗證當量加速關系的正確性和可靠性。

2.4 電化學性能分析

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，兩種試驗件的形狀相同，表明發(fā)生電化學反應類型相同，兩種試驗環(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為，陽極在一定電壓范圍內(nèi)為活性溶解、陰極為氧擴散控制的特征也未改變[13—14]。用C-view 2.0軟件對極化曲線進行擬合，結果見表6。

表6 極化曲線擬合結果

兩種不同環(huán)境試驗件的極化曲線擬合結果表明，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數(shù)量級。擬合結果表明，不同試驗環(huán)境對涂層的影響較小。

3 結論

1）依據(jù)×飛機半封閉結構所處環(huán)境氣候特點，編制了×飛機半封閉部位局部環(huán)境譜。研究結果表明，局部環(huán)境譜與試驗譜間當量加速關系為：實驗室周期浸潤加速腐蝕196.6 h，相當于艦面停放1年。

2）分別開展了實驗室加速腐蝕試驗和自然暴曬試驗，通過對同一部位的試驗件色差、失光率等常規(guī)性能和電化學性能研究，表明經(jīng)過實驗室2個周期加速腐蝕與自然環(huán)境暴曬 2年的試驗件性能變化規(guī)律一致，進一步驗證了局部環(huán)境譜當量加速關系的準確性和可靠性。

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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

國家自然科學基金（51075394，51375490）

者簡介：張勇（1981—），男，重慶人，主要研究方向為材料的腐蝕防護和疲勞可靠性。