自然曝曬與加速老化試驗(yàn)下航空涂層失光率的當(dāng)量關(guān)系研究

王德，張?zhí)┓?，楊曉華，鄶有柱

自然曝曬與加速老化試驗(yàn)下航空涂層失光率的當(dāng)量關(guān)系研究

王德1，張?zhí)┓?，楊曉華1，鄶有柱2

（1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041；2.海軍92853部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125100）

研究航空涂層失光率的當(dāng)量加速關(guān)系。針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)涂覆的航空涂層光澤度失效問(wèn)題，開(kāi)展自然曝曬試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)，基于失光率的失效標(biāo)準(zhǔn)，分析涂層老化行為規(guī)律。建立了飛機(jī)涂層自然曝曬條件與實(shí)驗(yàn)室加速條件下的當(dāng)量加速關(guān)系。同類(lèi)涂層試驗(yàn)件在自然曝曬試驗(yàn)與加速老化試驗(yàn)下的失光率變化趨勢(shì)基本保持一致，得到的兩類(lèi)涂層試樣的加速老化當(dāng)量關(guān)系函數(shù)可為建立實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)和自然曝曬試驗(yàn)之間的當(dāng)量加速關(guān)系提供一定參考。

當(dāng)量關(guān)系；失光率；航空涂層

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面涂覆相應(yīng)的涂層，以保護(hù)金屬免受服役環(huán)境的影響，已經(jīng)成為腐蝕防護(hù)與控制的有效手段[1-4]。隨著飛機(jī)服役年限的增長(zhǎng)，在環(huán)境因素特別是海洋環(huán)境因素的影響下，飛機(jī)結(jié)構(gòu)上廣泛采用的有機(jī)類(lèi)航空涂層不可避免地會(huì)發(fā)生多種理化失效以及其他力學(xué)性能下降的現(xiàn)象，進(jìn)而喪失對(duì)金屬的防護(hù)功能。涂層失效后，腐蝕介質(zhì)直接侵蝕金屬表面，引起飛機(jī)結(jié)構(gòu)件腐蝕，使得結(jié)構(gòu)件使用壽命顯著降低[5-7]。

在實(shí)驗(yàn)室條件下開(kāi)展飛機(jī)結(jié)構(gòu)航空涂層的老化失效行為研究已經(jīng)成為一種常用的有效手段[8-9]，實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)和自然曝曬試驗(yàn)是考驗(yàn)航空涂層防護(hù)性能的兩種不同的試驗(yàn)方法，在二者之間建立可靠的當(dāng)量加速關(guān)系，對(duì)于涂層防護(hù)性能評(píng)價(jià)、維修周期以及壽命預(yù)測(cè)具有重要意義[10-13]。文中針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面的航空涂層，基于失光率的失效標(biāo)準(zhǔn)，建立飛機(jī)涂層自然曝曬與實(shí)驗(yàn)室加速老化條件下的當(dāng)量加速關(guān)系。并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其合理性。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件制備

為考察航空涂層光澤度的失效性能，以某型飛機(jī)主要受力構(gòu)件所用的鋁合金及合金鋼材料為基材加工試驗(yàn)件，并在表面涂覆不同體系的涂層，試驗(yàn)件規(guī)格如圖1所示。試驗(yàn)件類(lèi)型及數(shù)量見(jiàn)表1，并對(duì)兩類(lèi)涂層試驗(yàn)件進(jìn)行編號(hào)。

圖1 涂層試樣

表1 涂層試驗(yàn)件類(lèi)型及數(shù)量

Tab.1 Type and quantity of coating test pieces

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

為了模擬飛機(jī)在自然條件下地面停放時(shí)其表面涂層的光澤度失效過(guò)程，選擇青島地區(qū)某機(jī)場(chǎng)進(jìn)行自然曝曬試驗(yàn)。每類(lèi)試樣各6件，用粗漆包線分別綁于試驗(yàn)支架上，將支架置于建筑物樓頂，并固定，曝曬角約為45°。每4個(gè)月進(jìn)行取樣，進(jìn)行失光率測(cè)量。

王鵬[14]編制了青島地區(qū)聚氨酯涂層加速試驗(yàn)譜，該譜能夠比較真實(shí)地模擬青島地區(qū)的氣候特征。文中根據(jù)該加速老化試驗(yàn)譜進(jìn)行老化加速試驗(yàn)，試驗(yàn)共開(kāi)展8個(gè)周期。加速老化試驗(yàn)涂層試樣與自然曝曬試驗(yàn)的涂層試樣保持一致，每類(lèi)試樣各6件。在每周期循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，將試驗(yàn)件取出，清洗烘干，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 基于失光率的涂層老化行為規(guī)律分析

測(cè)量?jī)x器使用XGP60光澤度計(jì)，參考GB/T 1766—2008[15]對(duì)涂層表面60°光澤度進(jìn)行測(cè)量。在每個(gè)試樣表面選擇3處測(cè)試，并取平均值，失光率的計(jì)算為：

式中：為涂層的失光率；、分別為老化前、后的光澤度。

自然曝曬試驗(yàn)與加速老化試驗(yàn)的涂層試樣失光率測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2，兩類(lèi)涂層試樣的失光率曲線如圖2所示。

表2 自然曝曬與加速老化試驗(yàn)涂層試樣失光率變化

Tab.2 Change of light loss rate of coating sample in natural exposure and accelerated aging test

從圖2中可以看出，兩種試驗(yàn)下,Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)涂層試驗(yàn)件的失光率的變化趨勢(shì)均屬于先慢后快。同類(lèi)涂層試驗(yàn)件在自然曝曬試驗(yàn)與老化加速試驗(yàn)下的失光率變化趨勢(shì)基本保持一致，可以認(rèn)為自然曝曬試驗(yàn)與加速老化試驗(yàn)之間具有一定相關(guān)性。

2.2 基于失光率的加速老化當(dāng)量關(guān)系

通過(guò)三次函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后，擬合曲線比較符合失光率變化的趨勢(shì)，說(shuō)明擬合曲線能夠較為真實(shí)地模擬失光率在試驗(yàn)周期內(nèi)的總體變化情況，如圖3所示。對(duì)比同類(lèi)涂層在兩種試驗(yàn)環(huán)境下的失光率變化曲線，自然曝曬試驗(yàn)中涂層試樣的光澤度下降較快，失光率增長(zhǎng)速率略微快于加速老化試驗(yàn)。自然曝曬試驗(yàn)失光率曲線比加速老化試驗(yàn)失光率曲線更“凸”，說(shuō)明根據(jù)失光率這一指標(biāo)來(lái)看，自然環(huán)境下涂層老化速率比實(shí)驗(yàn)室條件下老化速率更快。這也說(shuō)明實(shí)驗(yàn)室條件的模擬自然條件的還原度同真實(shí)自然條件相比還存在一定的誤差。

圖2 Ⅰ、Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)件自然曝曬試驗(yàn)和加速老化試驗(yàn)下的失光率曲線

為分析其加速老化當(dāng)量關(guān)系，將加速老化試驗(yàn)（周期）和自然曝曬試驗(yàn)的單位（月）統(tǒng)一劃歸為單位時(shí)間（h）。通過(guò)多次取樣，計(jì)算達(dá)到同一失光率時(shí)，兩種試驗(yàn)方法所需要的不同時(shí)間之間的比例關(guān)系，得到含有多個(gè)樣本的當(dāng)量關(guān)系點(diǎn)。再對(duì)當(dāng)量加速關(guān)系點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到加速老化當(dāng)量關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖3 兩類(lèi)涂層試樣失光率擬合曲線

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)對(duì)比各函數(shù)的擬合程度，發(fā)現(xiàn)通過(guò)Fourier的一階函數(shù)進(jìn)行擬合的程度較好，R-square在0.985以上，因此選用該函數(shù)進(jìn)行擬合。兩類(lèi)涂層試樣采用的Fourier擬合函數(shù)形式為=()=0+1cosx+1sinx，其中各類(lèi)涂層試樣的擬合函數(shù)系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 各涂層試樣對(duì)應(yīng)的擬合函數(shù)系數(shù)

Tab.3 Fitting function coefficients of each coating sample

圖4 兩類(lèi)涂層試樣失光率當(dāng)量加速關(guān)系擬合曲線

3 結(jié)論

1）通過(guò)開(kāi)展自然曝曬試驗(yàn)和加速老化試驗(yàn)，對(duì)不同老化周期下航空涂層的失光率進(jìn)行了測(cè)量，較為直觀地觀察兩類(lèi)涂層試樣失光率的變化情況。根據(jù)失光率這一指標(biāo)來(lái)看，自然環(huán)境下涂層老化速率比實(shí)驗(yàn)室條件下老化速率更快。

2）同類(lèi)涂層試驗(yàn)件在自然曝曬試驗(yàn)與老化加速試驗(yàn)下的失光率變化總體趨勢(shì)基本一致，可以認(rèn)為自然曝曬試驗(yàn)與加速老化試驗(yàn)之間具有相關(guān)性。通過(guò)取樣擬合得到了兩類(lèi)涂層試驗(yàn)件在自然曝曬試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)之間的當(dāng)量關(guān)系函數(shù)，據(jù)此可在實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)時(shí)間下當(dāng)量得到自然曝曬試驗(yàn)的時(shí)間，為研究實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)和自然曝曬試驗(yàn)之間的當(dāng)量加速關(guān)系打下了基礎(chǔ)。

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Equivalent Relationship of Aviation Coatings Gloss Loss between Natural Exposure and Accelerated Aging Test

WANG De1, ZHANG Tai-feng1, YANG Xiao-hua1, KUAI You-zhu2

(1. Qingdao Campus of Naval Aviation University, Qingdao 266041, China; 2. Unit 92853 of Navy, Huludao 125100, China)

The paper aims to study on equivalent acceleration relation of gloss loss of aviation coatings. Aiming at the gloss failure of aviation coatings on aircraft structures, natural exposure test and laboratory accelerated aging test were carried out to analyze the aging behavior law of coatings based on the failure criterion of gloss loss. Equivalent acceleration relationship between natural exposure conditions and laboratory acceleration conditions of aircraft coatings was established. The general trend of gloss loss of similar coatings under natural exposure test and accelerated aging test is basically the same. The accelerated aging equivalence function of two kinds of coatings can provide some reference for establishing the equivalent accelerated relationship between laboratory accelerated aging test and natural exposure test.

equivalent relationship; gloss loss; aviation coatings

2020-01-02；

2020-02-21

10.7643/ issn.1672-9242.2020.05.013

V255.5

A

1672-9242(2020)05-0082-05

2020-01-02；

2020-02-21

王德（1986—），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)檠b備的腐蝕與防護(hù)。

WANG De (1986—), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: corrosion and protection of equipment.