基于腐蝕電流的加速腐蝕關(guān)系可靠性模型

張?zhí)┓澹欀拒S，王德，楊曉華

（海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

迄今為止，如何確定和預(yù)計飛機(jī)的日歷翻修期和總?cè)諝v壽命國內(nèi)外尚無一種公認(rèn)的方法[1]，飛機(jī)日歷壽命的評定與飛機(jī)的服役環(huán)境緊密相關(guān)，而在實驗室再現(xiàn)腐蝕環(huán)境對飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)完整性的影響[2-6]是日歷壽命評定的關(guān)鍵。大型飛機(jī)昂貴的價格使得其服役時間長達(dá)數(shù)十年，完全模擬的實驗室環(huán)境試驗費時費力，也常常由于試驗時間過長，而使試驗失去意義[7]。因此在日歷壽命的評定中，常常需要編制與自然環(huán)境損傷“等效”的實驗室加速腐蝕環(huán)境譜，即建立與自然環(huán)境對應(yīng)的實驗室加速腐蝕關(guān)系。

目前，加速腐蝕關(guān)系的確定通常采用下述三種方法：周希沅等[8-10]提出了基于電化學(xué)原理的加速腐蝕關(guān)系確定方法；張福澤發(fā)展了以物理參量為基準(zhǔn)的加速腐蝕關(guān)系確定方法[11]；陳群志等[12-16]基于腐蝕損傷相同則力學(xué)性能相同的力學(xué)損傷對比法?；诟g電流法的加速腐蝕關(guān)系研究采用了金屬電化學(xué)腐蝕過程中腐蝕電流這一特征量，使得其研究結(jié)果再現(xiàn)性好，且符合腐蝕機(jī)理?，F(xiàn)有的基于腐蝕電流法的加速腐蝕關(guān)系存在兩個不足：一是受當(dāng)時技術(shù)條件的限制，認(rèn)為所有的鋁合金和合金鋼都是同一種加速腐蝕關(guān)系；二是忽略了腐蝕電流為隨機(jī)變量這一事實。

文中以飛機(jī)常用鋁合金LY12和ZL115為研究對象，進(jìn)行基于腐蝕電流的加速腐蝕關(guān)系確定方法的研究，得到LY12和ZL115在不同濃度NaCl溶液中相對于在蒸餾水中的加速腐蝕關(guān)系系數(shù)，為科學(xué)地確定飛機(jī)的日歷壽命提供試驗依據(jù)。

1 基于腐蝕電流的加速腐蝕關(guān)系可靠性模型

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，加速腐蝕關(guān)系系數(shù)可表示為：

式中：α濃度為某濃度與蒸餾水的加速腐蝕關(guān)系系數(shù)；I濃度為材料在某鹽濃度下的腐蝕電流；Izls為材料在蒸餾水條件下的基準(zhǔn)腐蝕電流。

由于材料內(nèi)部缺陷分布的不均勻性，實驗室測得的腐蝕電流往往是隨機(jī)變量，因此在進(jìn)行當(dāng)量加速腐蝕關(guān)系研究時，如何選取腐蝕電流值顯得尤為重要。雖然利用點估計法可以得到代表某一濃度下的腐蝕電流平均值，且滿足一致性和無偏性的要求，但是子樣均值并不能代表母體平均值μ，在一定的置信度水平下母體均值μ的區(qū)間估計為：

如圖1所示，如果腐蝕電流均值分別取置信下限和置信上限值，則在極端情況下兩種溶液之間的加速腐蝕關(guān)系就有四種取值，分別是：

圖1 考慮區(qū)間估計的加速腐蝕關(guān)系

以上四種取值法存在一種特殊情況，就是鹽溶液中的腐蝕電流取置信下限時，其數(shù)值比蒸餾水條件下腐蝕電流取置信上限的數(shù)值小。此時的加速腐蝕關(guān)系系數(shù)表示材料在鹽溶液中的腐蝕速率不如在蒸餾水中，這與事實不符，所以需要略去這一情況，反映在加速腐蝕關(guān)系系數(shù)上就是加速腐蝕關(guān)系系數(shù)小于 1時應(yīng)舍棄。這一特殊情況如圖2所示。

圖2 取值法1特殊情況

加速腐蝕關(guān)系系數(shù)α越小，說明加速腐蝕環(huán)境等效蒸餾水中的腐蝕作用時間變長，意味著加速腐蝕試驗時間增長。對于以考察環(huán)境對結(jié)構(gòu)完整性影響的加速試驗而言，加速腐蝕關(guān)系系數(shù)α應(yīng)使得試驗結(jié)果偏于危險，于是α為：

一般情況下取值法1的數(shù)值最小，但是在出現(xiàn)干涉區(qū)情況（如圖2所示）時，取值法1的數(shù)值不可取，應(yīng)該選取剩余 3種取值法中較小的值作為加速腐蝕關(guān)系系數(shù)。

2 實驗

2.1 試驗材料與方法

實驗材料為LY12和ZL115鋁合金，其化學(xué)成分見表1。

電化學(xué)試樣采用環(huán)氧樹脂封樣，測試面積為27 mm×27 mm。水磨砂紙打磨至1500#后，用拋光膏拋光，拋光后的電極表面用純凈水清洗，吹風(fēng)干燥后放入干燥器皿備用。試驗設(shè)備為 Princeton Applied Research?公司的電化學(xué)測試系統(tǒng)PARSTAT4000，實驗控制及參數(shù)確定通過 VersaStudio軟件完成，由計算機(jī)采集數(shù)據(jù)。掃描電位范圍分別從開路電位 Ecorr開始，負(fù)向掃描至－250 mV（vs. SCE），正向掃描至250 mV（vs. SCE）。掃描速度為0.1667 mV/s。實驗采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），對電極為鉑黑電極。

2.2 實驗結(jié)果

在不同濃度NaCl溶液下對LY12和ZL115試樣進(jìn)行電化學(xué)性能測試，每個濃度下做8個試驗件，其腐蝕電流和腐蝕電位數(shù)據(jù)見表2、表3。

由表3、表4可知，雖然試驗件都是在同一板材上獲取，但由于材料在組織、金像及缺陷分布上的不均勻，所測得的腐蝕電位和電流均是隨機(jī)變量；在鹽溶液中鋁合金的腐蝕電流隨著鹽濃度的增加而增加。

表1 LY12和ZL115的化學(xué)成分 %

表2 LY12在不同濃度NaCl溶液下腐蝕電流和腐蝕電位

表3 ZL115在不同濃度NaCl溶液下腐蝕電流和腐蝕電位

3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)常用鋁合金材料加速腐蝕關(guān)系系數(shù)α

對表3、表4數(shù)據(jù)取置信度為90%和95%按式（3）進(jìn)行計算，結(jié)果見表4和表5。

表4 LY12在不同濃度NaCl溶液與蒸餾水的加速腐蝕關(guān)系系數(shù)

表5 ZL115在不同濃度NaCl溶液與蒸餾水的加速腐蝕關(guān)系系數(shù)

4 結(jié)果與討論

1）圖3、4分別為LY12和ZL115鋁合金在不同濃度NaCl溶液中考慮三種置信度后的加速腐蝕關(guān)系系數(shù)隨鹽濃度的變化規(guī)律。一般地，由于鋁合金的腐蝕電流隨著鹽濃度的增加而增大，因此兩種材料鋁合金的加速腐蝕關(guān)系隨鹽濃度的增加而增大。

2）一般來說，置信度越高，加速腐蝕關(guān)系越小，表明試驗的時間越長，加速試驗嚴(yán)苛度變高，得到的日歷壽命結(jié)果將偏于安全。但由于材料的不均勻性使得腐蝕電流呈隨機(jī)特征，在按取值法 1計算 ZL115鋁合金材料在 3.5%和 7%NaCl溶液中的加速腐蝕關(guān)系系數(shù)時出現(xiàn)比低濃度時小的情況，因此認(rèn)為取值法1失效，按取值法2取值。圖4表明，對于ZL115鋁合金材料按取值法2取值后，在2%以后，置信度越高，加速腐蝕關(guān)系越大。

3）文獻(xiàn)[16]在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%下給出的鋁合金加速腐蝕關(guān)系為8.2644。文中的測試結(jié)果表明，兩種鋁合金材料的加速腐蝕關(guān)系系數(shù)在統(tǒng)計上存在較大的差異，在 3.5%鹽濃度下考慮 95%置信度的加速腐蝕關(guān)系系數(shù)：LY12鋁合金為3.53、ZL115為2.32。雖然文獻(xiàn)[16]給出的加速關(guān)系可以極大地縮短試驗時間，但是試驗結(jié)果偏于危險。

圖3 LY12在不同濃度NaCl溶液中考慮三種置信度后的加速腐蝕關(guān)系系數(shù)

圖4 ZL115在不同濃度NaCl溶液中考慮三種置信度對蒸餾水的加速腐蝕關(guān)系系數(shù)

5 結(jié)語

經(jīng)過試驗結(jié)果的論證，文中的基于腐蝕電流的加速腐蝕關(guān)系可靠性模型可以很好地為飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命的確定提供依據(jù)。