彈上設(shè)備濕熱試驗典型失效機(jī)理分析及建議

周潔，陳津虎，趙帥帥，張濤

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

導(dǎo)彈武器裝備具有“長期貯存，一次使用”的特點，在其貯存期內(nèi)，要反復(fù)經(jīng)歷裝卸、運輸、貯存、待機(jī)、檢測、維修和戰(zhàn)備值班等過程[1]。在這些過程中，裝備會受到自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境的影響。自然環(huán)境主要包括高溫、低溫、低氣壓、濕熱、鹽霧、霉菌、砂塵、輻射等；誘發(fā)環(huán)境主要包括振動、沖擊等。彈上設(shè)備安裝在導(dǎo)彈內(nèi)部，在貯存期內(nèi)，會受到這些環(huán)境的影響，由此引起外部損傷和內(nèi)部應(yīng)力的變化，造成相關(guān)材料發(fā)生腐蝕、老化、霉變，導(dǎo)致電氣性能、力學(xué)性能、密封性能和物化性能退化，甚至失效，最終導(dǎo)致貯存可靠性、戰(zhàn)備完好性和系統(tǒng)效能的降低。在諸多的環(huán)境因素中，濕熱是影響武器裝備貯存可靠性的重要因素。由此發(fā)展起來的濕熱試驗是考核裝備耐濕熱環(huán)境影響能力的一種試驗方法[2-3]，其在研制、定型階段發(fā)揮了重要的作用。

為了提高彈上設(shè)備耐濕熱環(huán)境的能力，彈上設(shè)備通常要進(jìn)行“三防”（防濕熱、防霉菌、防鹽霧）設(shè)計[4]。通過采取防腐蝕的結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇耐腐蝕的原材料，對基材表面進(jìn)行“三防”處理，以提高裝備的環(huán)境適應(yīng)能力，使其滿足在機(jī)載、陸基、海洋等環(huán)境服役的彈上設(shè)備的使用或長期貯存的需求。文中總結(jié)了某型號彈上設(shè)備在濕熱鑒定試驗過程中發(fā)生的典型外觀不合格現(xiàn)象，通過建立故障樹，分析了濕熱試驗對彈上設(shè)備外觀的影響機(jī)理，總結(jié)了彈上設(shè)備濕熱試驗后外觀發(fā)生不合格的原因，并給出了彈上設(shè)備適應(yīng)濕熱大氣的相關(guān)建議。

濕熱環(huán)境對裝備的影響大部分是溫度和濕度綜合作用的結(jié)果。溫、濕度的變化，會使裝備及其材料內(nèi)部或表面出現(xiàn)凝露、吸附、吸收、擴(kuò)散、呼吸等物理現(xiàn)象[5]，會產(chǎn)生凝露和游離水，從而引起材料吸潮膨脹、物理強(qiáng)度降低和電氣絕緣性能降低等材料性質(zhì)的改變；導(dǎo)致金屬發(fā)生氧化或電化學(xué)腐蝕、加速化學(xué)反應(yīng)等表面效應(yīng)，造成金屬腐蝕生銹；導(dǎo)致元器件發(fā)生漏電、電接觸不良、短路或擊穿等。由溫、濕度引起的物理現(xiàn)象及其產(chǎn)生原因、特點、影響因素見表1[5-8]。

1 問題概述

某型號彈上設(shè)備的濕熱鑒定試驗按GJB 150.9A—2009[5]的要求進(jìn)行，外觀合格判據(jù)為：允許金屬結(jié)構(gòu)件輕度變暗和變黑，但不得腐蝕；金屬結(jié)合處無腐蝕；允許涂漆層光澤顏色減退和有少量直徑不大于0.5mm的氣泡，但不應(yīng)有起皺，開裂及涂漆層脫落現(xiàn)象，且基底金屬不得出現(xiàn)腐蝕；非金屬材料無明顯泛白、膨脹、起泡、皺裂、脫落及麻坑等。

在濕熱鑒定試驗過程中發(fā)現(xiàn)的不合格項，80%以上是產(chǎn)品的外觀不符合要求，主要的不合格現(xiàn)象為：金屬腐蝕生銹；表面涂層起泡、脫落。文中主要介紹3種典型的外觀不合格現(xiàn)象。

按照上述試驗條件進(jìn)行濕熱試驗后發(fā)現(xiàn)，某彈上電子設(shè)備側(cè)面位于測試插頭接口X4-X7邊緣棱角處的漆層出現(xiàn)起泡，如圖1a所示；電子設(shè)備電連接器安裝螺釘下方外殼表面出現(xiàn)腐蝕生銹現(xiàn)象，如圖1b所示；溫度傳感器電連接器的螺釘出現(xiàn)腐蝕生銹現(xiàn)象，如圖1c所示。

2 失效機(jī)理分析

2.1 側(cè)面漆層起泡

對該彈上電子設(shè)備側(cè)面進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)起泡現(xiàn)象的漆層均為內(nèi)接電連接器口側(cè)面漆層，且上下端面起泡程度不同，上端面起泡程度比下端面嚴(yán)重。

針對側(cè)面漆層起泡的失效原因，建立了側(cè)面漆層起泡故障樹[9]，如圖2所示。

圖2 側(cè)面漆層起泡故障樹Fig.2 Fault tree of foaming on the side paint

1）防護(hù)措施不到位因素（X1）分析。升溫階段，由于產(chǎn)品的熱慣性，產(chǎn)品溫度的上升滯后于試驗箱的溫度，其表面會產(chǎn)生凝露[6]。電纜插頭外殼上下端面與產(chǎn)品表面漆層之間形成窄縫（見圖3a）。窄縫處空間狹小，凝水在其間不斷聚集、靜滯，使得漆層與插頭端面接觸的部位長時間浸潤于凝水當(dāng)中，并處于高低溫交變循環(huán)的試驗狀態(tài)，加大了漆層參與濕熱試驗的嚴(yán)酷度，可能會造成漆層起泡。從上述分析可知，不能排除由于防護(hù)措施不到位造成漆層起泡的原因。

圖3 電連接器與電纜插頭連接狀態(tài)Fig.3 Connection status between electrical connector and cable plug: a) built-in electrical connector; b) external electrical connector

2）噴漆工藝不符合要求因素（X2）分析。經(jīng)查，操作者按照工藝流程，使用規(guī)定的工藝參數(shù)進(jìn)行噴涂作業(yè)，噴漆工藝符合要求。此外，若噴涂工藝不符合要求，濕熱試驗后，設(shè)備外殼漆層整體會出現(xiàn)均勻起泡現(xiàn)象，通過觀察設(shè)備濕熱試驗后的起泡現(xiàn)象可知，噴漆工藝符合要求。該工藝已成熟應(yīng)用在其他航天產(chǎn)品上，且多批次產(chǎn)品均進(jìn)行過與該設(shè)備相同試驗條件的濕熱試驗，未發(fā)生類似問題。從上述分析可以說明噴漆工藝符合要求。因此，可以排除該因素。

3）試驗參數(shù)設(shè)置錯誤因素（X3）、試驗運行過程參數(shù)控制異常因素（X4）分析。對該濕熱試驗過程進(jìn)行復(fù)查，該濕熱試驗是按照GJB 150A—2009進(jìn)行的，試驗設(shè)備以及使用的控制、測量傳感器均在檢定期內(nèi)，并且工作正常。溫濕度允差滿足GJB 150.1A—2009要求，操作人員為持證上崗，且在有效期內(nèi)，試驗條件加載正確，試驗數(shù)據(jù)合理可信。因此，可以排除試驗參數(shù)設(shè)置錯誤、試驗運行過程參數(shù)控制異常因素。

綜合上述分析，防護(hù)措施不到位是造成側(cè)面漆層起泡的原因。在交變濕熱試驗過程中，升溫階段，受試產(chǎn)品表面會產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，加大了漆層參與濕熱試驗的嚴(yán)酷度，導(dǎo)致漆層軟化、膨脹，膜分子單元間隙增大。水分子通過膜分子單元增大的間隙，不斷浸入底漆與面漆中間。水分子進(jìn)入固體材料內(nèi)部后，會改變固體材料的晶格形狀，導(dǎo)致固體材料晶格內(nèi)部膨脹變形，使外層面漆起泡[10-14]。連接器上下端面起泡的差異主要是電連接器端面與框架接觸寬度有差異所致。下側(cè)接觸面小或無接觸，凝水不易聚集，因此輕微起泡或無起泡。與內(nèi)接電連接器相比，外接電連接器與周圍漆層（見圖3b）之間空間較大，不會有凝水聚集，因此沒有出現(xiàn)起泡現(xiàn)象。

2.2 外殼表面腐蝕生銹現(xiàn)象

拆卸螺釘附件后，進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)螺釘未出現(xiàn)腐蝕生銹現(xiàn)象。采用電子顯微鏡對其外殼進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)殼體側(cè)面靠近法蘭盤平面的根部轉(zhuǎn)角位置呈現(xiàn)黑色，無銀白色鍍層覆蓋，如圖4所示。

圖4 電連接器拆卸后外殼及鍍層腐蝕部位Fig.4 Schematic diagram of the corroded parts of shell and the coating after the electrical connector is disassembled

對電連接器鍍層異常和正常區(qū)域成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果分別如圖5、6所示。通過對電連接器鍍層正常區(qū)域和異常區(qū)域進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，鍍層異常區(qū)域含F(xiàn)e為14.98%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），氧為21.46%。因此可以確定電連接器外殼側(cè)面靠近法蘭盤平面的根部轉(zhuǎn)角位置的鐵基體材料存在腐蝕現(xiàn)象。

圖5 鍍層異常區(qū)域材料成分Fig.5 Material composition of abnormal area of the coating

針對電連接器外殼銹蝕，建立如圖7所示的故障樹[9]。

圖7 某電連接器外殼銹蝕故障樹Fig.7 Fault tree of a certain corroded electrical connector shell

1）設(shè)計選材不合理因素（X1）分析。該電連接器殼體材料為SPCC碳素鋼，其組裝完成后，隨彈上電子設(shè)備按照GJB 150A—2009進(jìn)行濕熱試驗。對該標(biāo)準(zhǔn)中的濕熱試驗條件與生產(chǎn)單位所執(zhí)行的GJB1217A—2009[15]進(jìn)行比對，濕熱試驗均為10個循環(huán)，累計240 h，試驗濕度要求兩者基本一致，均為95%±5%，GJB 1217A—2009的溫度變化幅度為25~65 ℃，而GJB 150A—2009為30~60 ℃。綜合比較可知，該電連接器所執(zhí)行的濕熱試驗標(biāo)準(zhǔn)的試驗條件相對鑒定試驗要略微嚴(yán)酷。因此，設(shè)計選材不合理的因素可以排除。

圖6 鍍層正常區(qū)域材料成分Fig.6 Material composition of normal area of the coating

2）鍍覆過程異常因素（X2）分析。經(jīng)查相關(guān)操作記錄，鍍覆操作人員為持證上崗，且在有效期內(nèi)。零件電鍍過程的工藝參數(shù)都在工藝規(guī)定范圍內(nèi)，無異常反饋。因此，排除鍍覆過程異常。

3）裝配工藝不合理因素（X3）分析。該裝配工藝按照工序卡片進(jìn)行，從未發(fā)現(xiàn)該等級產(chǎn)品在例行試驗濕熱或鹽霧項目中殼體腐蝕生銹的現(xiàn)象，且該工藝應(yīng)用多年，成熟可靠。因此，裝配工藝不合理因素可以排除。

4）裝配操作不當(dāng)因素（X4）分析。該批次裝配人員為持證上崗，且在有效期內(nèi)。該批次完工檢查流程卡相關(guān)檢測內(nèi)容正常，無異常情況。同時復(fù)查實際腐蝕生銹部位并非外殼翻鉚作用區(qū)域，因此裝配過程操作不當(dāng)因素可以排除。

5）檢驗過程操作不當(dāng)因素（X5）分析。產(chǎn)品完工檢查合格后，提交質(zhì)量部進(jìn)行逐批檢驗。其中進(jìn)行機(jī)械檢查項目時，要求檢驗人員將產(chǎn)品組裝成附件后，再與夾具進(jìn)行互換性對接，以模擬用戶實際使用狀態(tài)。組裝附件時需要采用工裝夾具將六角螺釘固定，再擰緊尾端螺母。從圖4腐蝕部位照片可以看出，發(fā)生生銹的部位為外殼根部。在進(jìn)行逐批檢驗的互換性項目測試時，需組裝六角螺釘附件，而組裝過程中使用工裝會對外殼鍍層造成磨損或損傷。通過復(fù)查發(fā)現(xiàn)，互換性項目測試時的專用工裝夾具曾出現(xiàn)過異常記錄，具體表現(xiàn)為端面及內(nèi)六方變形無法正常使用，現(xiàn)場作業(yè)人員為了保障生產(chǎn)，對原不合格工裝進(jìn)行了自行修理。由于返修后的工裝端面存在銳邊，該工裝使用時，其端面與外殼表面會直接接觸，其表面銳邊會對殼體產(chǎn)生一定正壓力與剪切力，導(dǎo)致接觸部位的鍍層產(chǎn)生破損。該電連接器銹蝕部位位于外殼轉(zhuǎn)角處，屬于專用工裝與外殼直接接觸部位范圍，因此檢驗過程中因檢驗工裝操作不當(dāng)致使外殼鍍層損傷的因素不可以排除。

6）試驗參數(shù)設(shè)置錯誤因素（X6）、試驗運行過程參數(shù)控制異常因素（X7）分析。同側(cè)面漆層起泡失效機(jī)理分析中的3），因此，可以排除該兩項因素。

綜合上述分析，檢驗過程操作不當(dāng)是造成電連接器安裝螺釘下方外殼表面出現(xiàn)腐蝕生銹現(xiàn)象的原因。電連接器基體為SPCC冷板鐵合金，鍍覆要求為鍍鎳。由于鐵的電極電位低于鎳，所以電鍍鎳層對于鐵合金為陰極性鍍層，即在出現(xiàn)腐蝕時，基體會優(yōu)先于鍍層出現(xiàn)腐蝕。對于陰極性鍍鎳層，鍍層完整時，可以有效將腐蝕物質(zhì)隔絕在外，能夠為基體提供良好的防護(hù)；當(dāng)鍍層完整性受到破壞，基體能接觸到腐蝕性物質(zhì)，耐蝕性會降低。

在裝配過程中，由于組裝附件時對工裝夾具操作不當(dāng)，致使外殼轉(zhuǎn)角處鍍層受損，鍍層損傷位置基體裸露在外。當(dāng)遇見由空氣中的水汽溶解二氧化碳形成的電解液，通常會發(fā)生如下反應(yīng)：

陽極Fe?4e=2Fe2+

陰極O2+H2O+4e=4OH?

生成的Fe2+是以4Fe(OH)2形式存在，在含水的空氣中會進(jìn)一步發(fā)生如下反應(yīng)：

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O

由于腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2、Fe(OH)3或者Fe2O3的體積為原來金屬Fe體積的數(shù)十倍，腐蝕物會沿著裂紋溢出，于是出現(xiàn)圖1b的現(xiàn)象。

2.3 螺釘銹蝕現(xiàn)象

觀察該電連接器的結(jié)構(gòu)，電纜罩與電纜夾通過螺釘、墊圈固定在一起，在使用時起到對線纜的夾緊固定作用，僅螺釘出現(xiàn)腐蝕生銹現(xiàn)象。針對電連接器螺釘銹蝕，建立故障樹[9]，如圖8所示。

圖8 某電連接器螺釘銹蝕故障樹Fig.8 Fault tree of a corroded electrical connector screw

1）螺釘自身質(zhì)量缺陷因素（X1）分析。經(jīng)復(fù)查，所用螺釘出廠檢驗記錄和入廠復(fù)驗記錄均合格。隨機(jī)抽取了10只庫存的鍍鋅螺釘進(jìn)行8 h鹽霧試驗。試驗后，螺釘表面無銹蝕現(xiàn)象（如圖9所示）。因此，螺釘自身質(zhì)量缺陷的可能因素X1可以排除。

圖9 鍍鋅螺釘8 h鹽霧試驗后外觀Fig.9 Appearance of galvanized screw after 8 h salt spray test

2）設(shè)計選材不合理因素（X2）分析。該螺釘屬于鋼質(zhì)鍍鋅螺釘，產(chǎn)品電纜罩和電纜夾零件為銅質(zhì)鍍鎳。鍍鋅層為陽極鍍層，電化學(xué)腐蝕過程中，通過腐蝕鍍鋅層來保護(hù)基體材料不被腐蝕，有腐蝕較慢的優(yōu)點，在一般大氣及工業(yè)大氣條件下具有較好的防護(hù)性能。該螺釘自身較小，外表面非平整平面，因此鍍層較薄，無法完全滿足更高耐腐蝕環(huán)境中使用的要求。因此，設(shè)計選材不合理因素X2不能排除。

3）試驗參數(shù)設(shè)置錯誤因素（X3）、試驗運行過程參數(shù)控制異常因素（X4）分析。同側(cè)面漆層起泡失效機(jī)理分析中的3），因此，可以排除該兩項因素。

綜合上述分析，設(shè)計選材不合理是造成螺釘銹蝕的原因。該電連接器所用螺釘鍍層結(jié)構(gòu)屬于鋼基體上鍍鋅，該鍍層在腐蝕介質(zhì)中為陽極性鍍層。鋅（標(biāo)準(zhǔn)電極電位－0.76 V）電極電位更負(fù)，是陽極，鐵（標(biāo)準(zhǔn)電極電位－0.44 V）是陰極。在發(fā)生腐蝕時，鋅鍍層先受到腐蝕。

鋅本身是較為活潑的金屬，鋅的表面與周圍的潮濕空氣接觸，會首先與潮濕水汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一層多孔的膠黏狀Zn(OH)2腐蝕產(chǎn)物。隨后，一部分Zn(OH)2會進(jìn)一步與大氣中的二氧化碳反應(yīng)，生成腐蝕產(chǎn)物ZnCO3；而另一部分Zn(OH)2在干燥環(huán)境下會失去結(jié)晶水，變成ZnO。ZnO和ZnCO3會進(jìn)一步發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)生一層薄的、非致密的、有一定黏附性的堿式碳酸鋅（Zn2(OH)2CO3）和氧化鋅的混合物，可以阻止鍍層進(jìn)一步腐蝕。

環(huán)境中的揮發(fā)性氣體（有機(jī)酸、硫化氫、氯化氫、氨等）以及外來的有機(jī)酸、鹽等物質(zhì)，在潮濕的環(huán)境下，對鋅鍍層的腐蝕起到加速作用，易產(chǎn)生白色腐蝕物質(zhì)，即白斑現(xiàn)象[16-17]。當(dāng)長時間處于潮濕環(huán)境時，鋅鍍層被腐蝕后，鋼基體在沒有鍍層防護(hù)的情況下，會和水、空氣產(chǎn)生氧化腐蝕現(xiàn)象，生成褐色的鐵的氧化物，主要成分為Fe2O3，即螺釘表現(xiàn)為銹蝕現(xiàn)象。

3 不合格原因總結(jié)

綜合上述分析，濕熱試驗過程中，產(chǎn)品外觀不符合要求的原因主要有以下幾種：

1）在產(chǎn)品設(shè)計階段，對環(huán)境適應(yīng)性分析不到位，未充分考慮到產(chǎn)品在使用條件下，在濕熱試驗過程中接插件尾罩與殼體間形成的積水效應(yīng)，造成漆膜起泡問題，使產(chǎn)品不能滿足外觀要求。

2）產(chǎn)品在生產(chǎn)或者檢驗過程中，由于使用了經(jīng)過異常處理的工裝，在進(jìn)行裝配操作時，致使產(chǎn)品表面的鍍層受損，產(chǎn)品鍍層的耐腐蝕性能下降，基底金屬暴露在大氣中，與空氣中的水、氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使產(chǎn)品不能滿足外觀要求。

3）在產(chǎn)品設(shè)計選材階段，產(chǎn)品的材質(zhì)不能完全滿足相應(yīng)耐濕熱腐蝕環(huán)境的使用要求。

4）產(chǎn)品表面有鍍層，在流轉(zhuǎn)、運輸、交付過程中，造成了鍍層的劃傷、破壞，使基底金屬暴露在大氣中，與空氣中的水、氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品不能滿足外觀要求。

4 彈上設(shè)備適應(yīng)濕熱大氣的相關(guān)建議

從以上分析可以看出，彈上設(shè)備濕熱試驗過程中受濕熱環(huán)境的影響，其外觀不合格的原因具有一定的規(guī)律。為了保證導(dǎo)彈的可靠性，使其能夠從貯存狀態(tài)直接轉(zhuǎn)入能使用狀態(tài)，提高其貯存可靠性、戰(zhàn)備完好性和系統(tǒng)效能，在產(chǎn)品設(shè)計、維護(hù)保養(yǎng)和貯存環(huán)境維護(hù)上就應(yīng)該科學(xué)管理，合理分配資源。

1）對于導(dǎo)彈這種具有“長期貯存、一次使用”特點的武器裝備，必須使其達(dá)到高可靠、長壽命的要求?？v觀各類導(dǎo)彈貯存及其延壽信息，許多貯存失效模式是由于受濕熱環(huán)境的影響。分析這些失效的原因，很大一部分是因設(shè)計不當(dāng)造成的。因此，在研制階段應(yīng)考慮產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)所經(jīng)歷的各種環(huán)境因素，從源頭做起，高度重視產(chǎn)品可靠性的設(shè)計工作，開展充分的設(shè)計驗證，保證產(chǎn)品可以滿足實際使用環(huán)境要求。

2）環(huán)境中的溫度、濕度、鹽霧、霉菌是影響彈上設(shè)備貯存可靠性的關(guān)鍵因素。在選材上，要選擇能夠提高環(huán)境適應(yīng)能力的元器件和原材料，避免使用某些不能滿足濕熱環(huán)境要求的材料。如碳鋼基體+鍍鋅的表面處理工藝，不能夠滿足濕熱環(huán)境條件下不發(fā)生銹蝕的要求，在全壽命周期內(nèi)有濕熱環(huán)境的產(chǎn)品不建議采用該材料。其次，在介質(zhì)隔離上，產(chǎn)品的表面應(yīng)該進(jìn)行“三防”設(shè)計。

3）各類彈上設(shè)備的貯存失效模式和失效機(jī)理可能存在差異，但其主導(dǎo)原因卻大同小異，都是由于環(huán)境應(yīng)力（溫濕度、電應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力）的作用，導(dǎo)致彈上設(shè)備的腐蝕、老化[18-19]。這2種失效是導(dǎo)彈貯存中最常見的失效，如能控制腐蝕、老化的發(fā)生，即可大幅度提高導(dǎo)彈的貯存可靠性。因此，必須采取措施控制貯存?zhèn)}庫、簡易庫房等處的貯存“大環(huán)境”，通過密封包裝、充氮氣等途徑來控制導(dǎo)彈的貯存“小環(huán)境”和“微環(huán)境”，從而盡量減小溫、濕度等環(huán)境因素給產(chǎn)品帶來的影響[20]。

5 結(jié)語

文中對某型號彈上設(shè)備在濕熱鑒定試驗過程中出現(xiàn)的典型外觀不合格現(xiàn)象，采用故障樹分析方法明確了失效原因，并對失效機(jī)理進(jìn)行了分析。給出了彈上設(shè)備適應(yīng)濕熱大氣的相關(guān)建議，為提高彈上設(shè)備的耐濕熱環(huán)境能力，進(jìn)而提高裝備的貯存可靠性、戰(zhàn)備完好性和系統(tǒng)效能提供了指導(dǎo)。