高速雨滴沖擊下飛行器蒙皮涂層損傷行為動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究*

沙明工，孫 瑩，李雨桐，劉一鳴，李玉龍

（1.西北工業(yè)大學(xué)民航學(xué)院，陜西 西安 710072；2.陜西省沖擊動(dòng)力學(xué)及工程應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；3.莫斯科航空學(xué)院（國立研究大學(xué)），俄羅斯 莫斯科 125993）

當(dāng)物體（超音速飛機(jī)、導(dǎo)彈、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪、螺旋槳葉片）高速通過雨區(qū)時(shí)，表面遭受雨滴沖擊而產(chǎn)生損傷的現(xiàn)象稱為雨蝕。雨蝕引起的損傷可以分為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷和功能損傷[1-2]。通常，雨蝕損傷在初期并不明顯，但會(huì)引起材料強(qiáng)度的退化、物理或力學(xué)性能降低，甚至產(chǎn)生局部剝落等現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)的功能特性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)顯著降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

隨著飛行器飛行速度的逐步提高，飛行器外部整流罩、擋風(fēng)玻璃、機(jī)尾翼前緣等結(jié)構(gòu)的涂層在長期服役過程中會(huì)受到嚴(yán)重的雨滴沖擊，導(dǎo)致涂層出現(xiàn)氣泡、開裂、軟化、脫落、變色、粉化等現(xiàn)象[3-7]。飛行器蒙皮涂層耐雨蝕性能是考量其主要功能的指標(biāo)之一[8]，而涂層的失效很可能會(huì)導(dǎo)致飛行器質(zhì)量安全事故，如飛機(jī)油箱涂層失效，會(huì)導(dǎo)致油箱滲油；進(jìn)氣道功能涂層的脫落會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)受異物沖擊損壞。同時(shí)，侵蝕后的表面會(huì)嚴(yán)重影響飛機(jī)機(jī)翼的層流效應(yīng)，導(dǎo)致層流轉(zhuǎn)向湍流，會(huì)對(duì)飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，從而增加燃料消耗[9]。Coto 等[10]以碳纖維增強(qiáng)聚合物為基體，利用物理氣相沉積（physical vapor deposition, PVD）單層/多層鈦涂層在雨蝕條件下進(jìn)行了抗沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，涂層厚度與表面附著力在不同的雨蝕條件下均會(huì)對(duì)涂層防護(hù)性能產(chǎn)生影響；而高速?zèng)_擊會(huì)引起更大的基體變形，即使在較厚的涂層表面上，由于其附著力較差，剝離速度也比薄涂層快。Gujba 等[11]研究了Ti-6Al-4V 材料的液滴侵蝕行為和材料損傷機(jī)理。認(rèn)為沖擊速度越高，侵蝕起始時(shí)間越快，最大侵蝕速率越大。利用掃描電鏡觀測侵蝕損傷形成的兩個(gè)階段發(fā)現(xiàn)：早期主要形貌為微裂紋、粗裂縫和不規(guī)則形狀的獨(dú)立坑蝕；而在液滴侵蝕的后期，材料的損傷形貌主要以剝離為主，是由水力滲透造成的。Bech 等[12]研究了商用渦輪葉片聚氨酯基面漆在旋轉(zhuǎn)臂雨蝕試驗(yàn)中四種液滴直徑對(duì)雨蝕結(jié)果的影響，建立了液滴尺寸與面漆壽命之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yàn)證了雨滴直徑是影響葉片損傷程度的主要參數(shù)之一。

此外, 對(duì)于風(fēng)力發(fā)電葉輪、直升機(jī)槳葉、先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇等復(fù)合多相材料葉片，由于在生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)一定概率的制造缺陷，例如粗糙度、孔隙率等，此時(shí)雨蝕就成為了葉片開裂的主要自然原因之一。風(fēng)能作為最重要的可再生能源之一，在踐行碳達(dá)峰、碳中和理念中起到關(guān)鍵作用。近年來，為了更好地利用風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷增大，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪直徑等結(jié)構(gòu)尺寸不斷增大[13]。此時(shí)葉輪具有更大的葉尖速度與接觸面積，極易受到雨滴沖擊而引起涂層的應(yīng)變和形變。雨滴高速撞擊面漆缺陷產(chǎn)生的拉-拉剪切疲勞破壞，導(dǎo)致葉輪前緣侵蝕（leading edge erosion, LEE），造成涂層疲勞侵蝕損傷，而后葉輪前緣基體也迅速出現(xiàn)破損、分層和剝離，葉輪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、空氣動(dòng)力學(xué)性能和負(fù)載能力下降，影響風(fēng)機(jī)發(fā)電效率和風(fēng)場的正常運(yùn)行與生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益[14]。然而，由于缺乏對(duì)雨蝕損傷失效理論與試驗(yàn)的研究，沒有明確定義的方法來設(shè)計(jì)抗雨蝕涂層。因此，雖然已有很多關(guān)于風(fēng)力葉輪雨蝕防護(hù)涂層的解決方案，但依然無法滿足特定領(lǐng)域的測試和驗(yàn)證[15-20]。Adler[21]指出，雨蝕研究的難點(diǎn)之一就是材料的剝離問題在短期內(nèi)難以建立合理的理論。同樣也很難構(gòu)建起微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)、液滴沖擊破壞以及材料剝離之間的統(tǒng)一關(guān)系。

綜上所述，在高速飛行器及工業(yè)用葉輪等的制造過程中，對(duì)涂層的耐雨蝕性能提出了更高的要求[3,18]。因此，針對(duì)涂層耐雨蝕損傷失效試驗(yàn)研究具有十分重要的工程意義。本文采用單射流試驗(yàn)裝置產(chǎn)生的高速射流對(duì)飛行器蒙皮涂層進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并對(duì)其損傷形貌進(jìn)行分析和表征，研究其損傷機(jī)理，為涂層的抗雨蝕性能設(shè)計(jì)提供必要的理論與技術(shù)支撐。

1 雨滴與飛行器蒙皮涂層高速?zèng)_擊過程

雨滴對(duì)飛行器蒙皮涂層高速?zèng)_擊過程實(shí)際上是雨滴直接撞擊固體表面產(chǎn)生動(dòng)態(tài)沖擊波的傳播過程。該沖擊過程包括兩個(gè)階段，即初始?jí)嚎s階段和側(cè)向噴射階段，如圖1 所示。當(dāng)液滴以法向角度撞擊材料表面時(shí)，液滴撞擊后發(fā)生變形，產(chǎn)生了沿著固體表面?zhèn)鞑サ娜鹄?，包含大約2/3 的碰撞能量，在垂直和水平分量上形成拉應(yīng)力和剪應(yīng)力[22]。而在固體內(nèi)部受損傷的區(qū)域會(huì)形成縱波和橫波，分別向液體和固體內(nèi)部傳播，如圖1(a)所示?？v波以壓縮-拉伸的形式傳播，在波前迅速擴(kuò)展時(shí)，會(huì)產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力。而橫波中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)垂直于傳播方向，這將對(duì)固體內(nèi)部造成剪應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力的作用[23]。此時(shí)，液固接觸邊界的擴(kuò)散速度大于液體內(nèi)部應(yīng)力波的傳播速度，中心液體被壓縮，形成瞬態(tài)高壓，稱為“水錘壓力”。水錘壓力持續(xù)時(shí)間很短，與液滴直徑、撞擊速度、可壓縮波速等參數(shù)有關(guān)，其大小與水滴直徑無關(guān)[24-25]。液固撞擊過程中產(chǎn)生的應(yīng)力造成材料損傷的起始和擴(kuò)展，加之應(yīng)力波在自由表面的反射以及在固體內(nèi)部的相互作用會(huì)導(dǎo)致波的疊加增強(qiáng)，從而造成固體內(nèi)部的損傷。

圖1 液固表面沖擊過程示意圖[21]Fig.1 Diagram of liquid-solid impact[21]

水錘壓力p用方程可表示為（預(yù)測接觸的初始階段所產(chǎn)生的壓力）[26]:

式中：v為液滴的沖擊速度，ρl和ρs分別為液體和固體基體的密度，cl和cs分別為液體和固體中的傳播聲速。

當(dāng)液滴內(nèi)部沖擊波速度即將超過液固接觸邊界的擴(kuò)展速度時(shí)，沖擊波脫離邊界，內(nèi)部高壓以高速側(cè)向射流的方式釋放，如圖1(b)所示。此時(shí)，液固撞擊進(jìn)入第二階段，壓縮液滴經(jīng)卸載波后迅速噴射而出，沿著固體表面形成幾倍于初始液固沖擊速度的側(cè)向射流。側(cè)向射流對(duì)材料表面的沖刷剪切作用會(huì)導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)，甚至造成材料表面剝離。之后，液體在固體表面形成穩(wěn)定的不可壓縮流，此時(shí)接觸中心點(diǎn)的壓力會(huì)降至Bernoulli 靜壓。

撞擊后沖擊波也通過多層分級(jí)在材料中傳播，其產(chǎn)生的損傷取決于材料彈性和粘彈性響應(yīng)、表面制備、涂層應(yīng)用和層間相互作用等因素。應(yīng)力波在涂層和基體表面的反射與透射傳播過程，如圖2(a)所示。當(dāng)與涂層接觸后，兩個(gè)不同的波陣面分別進(jìn)入液體和涂層，如圖2(b)所示，涂層中的法向入射波向涂層-基體界面?zhèn)鞑ィ渲幸徊糠謶?yīng)力波被反射回涂層，而另一部分被透射入基體內(nèi)?；谶@種反射、透射作用，應(yīng)力波會(huì)以不同的振幅在涂層中傳播，其強(qiáng)度取決于涂層和基體聲阻抗的相對(duì)大小[27]。假設(shè)采用一維彈性假設(shè)，得到應(yīng)力波的振幅近似關(guān)系式為：

圖2 應(yīng)力波在涂層中傳播過程示意圖Fig.2 Schematic diagrams of stress wave propagation process in coating

2 雨蝕試驗(yàn)過程

2.1 單射流模擬雨蝕試驗(yàn)平臺(tái)

飛行器蒙皮涂層雨蝕損傷失效行為研究的實(shí)驗(yàn)裝置根據(jù)試驗(yàn)速度要求可分為兩種：(1) 為了研究速度通常小于250 m/s 的連續(xù)雨滴沖擊作用下材料的抗雨蝕特性常用旋轉(zhuǎn)臂式裝置[28]。該裝置成本低且能夠模擬試樣在真實(shí)雨場中的損傷情況，但試樣的尺寸及速度受到轉(zhuǎn)臂強(qiáng)度的限制。(2) 針對(duì)超音速且速度小于1 000 m/s 的雨滴沖擊試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室條件下通常使用單射流模擬雨蝕裝置[21,29]，主要用于研究液固撞擊的基礎(chǔ)力學(xué)問題，該裝置具有場地較小、操作簡單、條件可控等優(yōu)點(diǎn)。

卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的單射流裝置（single impact jet apparatus, SIJA）采用如下射流發(fā)射原理：壓縮空氣使得內(nèi)部金屬壓片高速?zèng)_擊前置噴嘴中的液體，可產(chǎn)生速度90～700 m/s 的水射流。如圖3 所示，本文采用單滴射流裝置產(chǎn)生的高速射流對(duì)飛機(jī)蒙皮涂層的雨滴沖擊損傷行為進(jìn)行研究，包括氣室、炮管、子彈、密封墊、噴嘴、自來水、夾具、高速相機(jī)等。該裝置的工作原理：利用高壓氣體將5 mm 鉛彈以一定速度發(fā)射，碰撞墊圈擠壓密封腔內(nèi)自來水，產(chǎn)生高速射流。該裝置可實(shí)現(xiàn)不同沖擊速度、直徑的液滴在多個(gè)沖擊角度下模擬雨滴對(duì)材料的沖擊作用過程。

圖3 單射流沖擊試驗(yàn)裝置Fig.3 Single waterjet impact apparatus

為了能夠觀測射流的形態(tài)并計(jì)算射流的速度，試驗(yàn)中使用了Phantom VEO 1310 高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。利用球頭射流前端像素點(diǎn)的變化與標(biāo)定樣張像素點(diǎn)和距離關(guān)系可以得出射流的沖擊速度為：

式中：v為射流速度，υ 為拍攝幀率，X1和X2分別為液滴運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)的x軸坐標(biāo)值，N為通過標(biāo)定得到的1 mm 位移內(nèi)像素點(diǎn)的數(shù)量變化。在本次實(shí)驗(yàn)中N=3.4 mm-1，拍攝幀率為υ=210 000 Hz。

圖4 為射流速度與形態(tài)隨距離噴嘴位置的變化規(guī)律（以噴嘴為原點(diǎn)）：初始階段射流速度和射流直徑均逐漸增大，而后由于空氣阻力的作用，射流頭部逐漸變成穩(wěn)定的球形。由圖4 可知，當(dāng)射流距離為10 mm 時(shí)，射流速度與形態(tài)趨于穩(wěn)定；而隨著射流距離繼續(xù)增大，射流形態(tài)逐漸發(fā)散。由此，基于保證實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性及精確性考量，將試樣安裝在距離噴嘴10 mm 的位置上。為了保證實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，在同一射流速度下進(jìn)行至少3 次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中所使用的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)Table 1 Experimental parameters

圖4 射流形態(tài)及速度隨位移的變化Fig.4 Form and velocity of waterjet varied with stand-off distance

2.2 飛機(jī)蒙皮聚氨酯涂層規(guī)格及性能

飛機(jī)蒙皮涂層主要由無鉻高固體含量環(huán)氧底漆和高固體含量聚氨酯（PU）磁漆組成。其中，高固體含量聚氨酯磁漆又分為有光磁漆、半光磁漆和無光磁漆3 類，且均屬于熱固性聚氨酯，具有優(yōu)異的耐磨、耐候性，一般采用噴涂制造工藝，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造業(yè)。本實(shí)驗(yàn)中的涂層試樣由三種不同底漆和磁漆制作而成，均以3 mm 厚的T300 碳纖維編織材料為基體，底漆厚度為200 μm，磁漆厚度為300 μm，材料1 由丙烯酸聚氨酯底漆和聚氨酯無光磁漆制成；材料2 由環(huán)氧自干底漆和丙烯酸聚肪族聚氨酯磁漆制成；材料3 由無鉻高固體含量環(huán)氧底漆和無光高固體含量聚氨酯磁漆制成。原始涂層表面及其橫截面分層情況如圖5 所示，其中，A為面漆區(qū)域；B為底漆區(qū)域；余下部分為基體區(qū)域。

圖5 三種涂層試樣表面及橫截面Fig.5 Surfaces and cross-sections of three kinds of coating samples

為了探究涂層力學(xué)性能對(duì)抗雨蝕性能的影響，利用Hysitron TI980 納米壓痕儀器對(duì)涂層性能進(jìn)行觀測。其中，高分辨率試樣表面粗糙度如圖6 所示，材料1、材料2 和材料3 涂層的粗糙度依次降低。而測得的涂層硬度和壓痕模量見表2?？梢钥闯?，材料1、材料2、材料3 的壓痕模量和硬度性能依次降低。

表2 三種涂層的模量與硬度對(duì)比表Table 2 Indentation modulus and hardness of three kinds of coating samples

圖6 三種涂層納米壓痕顯微圖像Fig.6 Nano-indenter micrographs of three kinds of coating samples

3 飛機(jī)涂層的高速射流沖擊試驗(yàn)

3.1 沖擊后試樣的典型損傷模式與表征

圖7 為在490 m/s 沖擊速度和0°沖擊角度的情況下，三種涂層試樣的典型微觀損傷形貌顯微圖像?？梢钥闯?，針對(duì)3 種不同涂層材料，其典型損傷形貌均為由損傷區(qū)域包圍中央未損傷區(qū)域的環(huán)狀組成（Ⅰ），其中包括，表面擦傷（Ⅱ）、不規(guī)則凹坑（Ⅲ）等遞進(jìn)損傷。這種形貌的產(chǎn)生是由于疊加的靜水壓力提高涂層表面屈服強(qiáng)度，水錘壓力對(duì)中央圓形區(qū)域未造成損傷，但隨著液滴后續(xù)開始?jí)嚎s釋放時(shí)，液固接觸邊界處會(huì)產(chǎn)生2～3 倍于水錘壓力的高壓，造成表面凹陷。

圖7 三種涂層在光學(xué)顯微圖像Fig.7 Optical microscope micrographs of three kinds of coating samples

圖8 給出了通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）觀測三種涂層典型損傷區(qū)域得到的微觀形貌圖像?？梢钥闯?，損傷區(qū)域的典型微觀形貌為環(huán)狀損傷。

圖8 3 種損傷試樣的SEM 掃描電子顯微圖像Fig.8 SEM micrographs of three kinds of damaged samples

3.2 不同射流速度下的沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 為在15°沖擊角時(shí)，以360、430、490、555 和617 m/s 的射流速度沖擊材料3 涂層后得到的電子顯微鏡微觀形貌。在360 m/s 沖擊速度下，涂層未產(chǎn)生損傷，故沒有展示；從430 m/s 開始，涂層表面開始產(chǎn)生輕微擦傷，損傷面積為0.76 mm2；在490 m/s 沖擊速度下，損傷情況略微加劇，表面擦傷區(qū)域損傷面積增大至1.18 mm2，且整體呈現(xiàn)半環(huán)形包圍中央未損傷區(qū)域；在555 m/s 沖擊速度下，試樣產(chǎn)生大面積損傷，圓形損傷區(qū)域完全剝離露出底漆與部分基體，且基體部分受損產(chǎn)生凹坑，損傷面積擴(kuò)大至5.36 mm2；而當(dāng)沖擊速度達(dá)到617 m/s 時(shí)，涂層被完全破壞，表面材料呈現(xiàn)大面積圓形剝離并露出底漆與大部分基體，且基體局部產(chǎn)生斷裂狀挫傷，損傷面積增至22.22 mm2。除此之外，通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于3 種涂層在360 m/s 的沖擊速度下均未出現(xiàn)損傷，因此，可判定在15°沖擊角下，涂層表面出現(xiàn)損傷的速度閾值約為360 m/s。

圖9 在15°沖擊角時(shí)，以430，490，555 和617 m/s 的射流速度沖擊涂層材料3 后得到的電子顯微鏡微觀形貌Fig.9 Electron microscope micrographs after impacting the coating material 3 at the jet velocities of 360,430, 490, 555 and 617 m/s with an impact angle of 0°

基于超景深三維數(shù)碼顯微鏡VHX-5000 的三維輪廓掃描重構(gòu)功能，對(duì)試樣放大后局部結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行了觀察，創(chuàng)建了能夠分析測量試樣表面的高分辨三維圖像，由此獲得損傷體積。在求得體積平均值后，建立了3 種涂層損傷體積隨沖擊速度的變化，如圖10 所示?？梢缘贸?，隨著沖擊速度的提高，雨蝕造成的涂層損傷體積也在逐漸加劇，直到涂層試樣完全破壞。Gujba 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，沖擊速度越高，侵蝕起始時(shí)間越早，最大侵蝕速率越大。SEM 微觀圖像顯示，侵蝕損傷形貌的早期階段主要為微裂紋、凹凸和不規(guī)則形狀的孤立凹坑；而在液滴侵蝕的后期，涂層材料的剝離主要是由水力滲透造成的。

圖10 損傷體積隨沖擊速度的變化Fig.10 Relation between damaged volume and impact velocity

Imeson 等[30]和Nearing 等[31]通過繪制輸出信號(hào)電壓與沖擊力瞬時(shí)值之間的函數(shù)圖像，得到不同液滴直徑下二者之間的線性關(guān)系，獲得液滴沖擊產(chǎn)生的沖擊力瞬時(shí)近似值公式：

式中：F為沖擊力，m和d分別為液滴的質(zhì)量和直徑。由上述公式可知，在相同液滴直徑與質(zhì)量的條件下，沖擊速度決定著沖擊力的大小，即沖擊速度越大，液滴在接觸試樣時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力就越大，最終導(dǎo)致?lián)p傷程度逐漸加深。

除此之外，三種試樣中，材料1 涂層損傷體積增長相較其他兩種涂層較為穩(wěn)定，而材料2 與材料3 涂層在490 m/s 速度后損傷急劇加速。根據(jù)表面粗糙度和侵蝕起始發(fā)生之間的關(guān)系可以判斷，在相同沖擊速度下，即使涂層材料1 的模量與硬度最大，力學(xué)性能最為優(yōu)異，但其表面較多凹凸不平的突起會(huì)造成應(yīng)力的增加，致使材料更易發(fā)生初始侵蝕損傷；而涂層材料3 雖然力學(xué)性能最差，但其表面較為光滑，因而不易形成初始侵蝕損傷。由此可知，表面粗糙度是導(dǎo)致涂層材料產(chǎn)生初始侵蝕損傷的主要原因。

從圖9 可以發(fā)現(xiàn)，分層損傷面積可數(shù)倍于表面損傷尺寸，因此對(duì)于涂層材料的高速雨蝕損傷而言，直接通過表面環(huán)狀損傷來量化其受雨蝕損傷影響程度不夠精確。為了更直觀地表征雨滴沖擊速度對(duì)涂層雨蝕損傷結(jié)果的影響，利用金剛石線鋸將試樣沿表面環(huán)形損傷的軸線切開，然后在SEM 掃描電子顯微鏡下觀測試樣損傷區(qū)域剖面形貌顯微圖像，圖11、圖12 和圖13 展示了三種涂層在不同沖擊速度下所得到的SEM 剖面顯微圖像，每幅圖中第一行是整體損傷形貌觀測圖像，第二行是黃框標(biāo)注區(qū)域局部放大損傷形貌觀測圖像。圖中，A為面漆區(qū)域；B為底漆區(qū)域；余下部分為基體區(qū)域?？梢钥闯觯S著速度的提升，損傷深度也在逐漸增加；在490 m/s 速度下，損傷主要存在于面漆區(qū)域，表現(xiàn)為不規(guī)則輕微擦傷；在555 m/s 速度下，損傷達(dá)到底漆區(qū)域，此時(shí)由于涂層剝離而形成了凹坑；當(dāng)速度達(dá)到617 m/s 時(shí)，損傷延伸至基體區(qū)域，且損傷表面有明顯的犁削狀損傷。在涂層材料1 中，可以觀測到明顯的裂紋產(chǎn)生。由式(1)、(2)、(3)可知，隨著沖擊速度的增加，應(yīng)力波強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，水錘壓力變大，液體-涂層界面，涂層-基體界面法向入射、反射和透射應(yīng)力波產(chǎn)生的振幅導(dǎo)致了涂層的損傷破壞。

圖12 在沖擊角度為15°時(shí)不同沖擊速度下材料2 涂層的損傷SEM 顯微圖像Fig.12 SEM micrographs of the damaged coating of material 2 under the impact of different velocities at an impact angle of 15°

圖13 在沖擊角度為15°時(shí)不同沖擊速度下材料3 涂層的損傷SEM 顯微圖像Fig.13 SEM micrographs of the damaged coating of material 3 under the impact of different velocities at an impact angle of 15°

3.3 不同射流角度下的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖14 為涂層材料1 在沖擊速度為617 m/s，沖擊角度為0°、15°、30°下的電子顯微典型損傷微觀形貌圖像?？梢钥吹?，在0°沖擊角下，試樣表現(xiàn)為大面積剝離損傷基體完全暴露，且基體部分?jǐn)嗔巡橛休p微挫傷，外圍呈現(xiàn)環(huán)狀波浪式損傷，涂層被完全破壞，損傷面積為42.18 mm2；而在15°沖擊角下，試樣整體呈現(xiàn)帶狀波浪式損傷，中央?yún)^(qū)域出現(xiàn)凹坑且露出底漆，損傷面積相對(duì)0°沖擊角時(shí)減小至2.57 mm2；當(dāng)沖擊角度為30°時(shí)，試樣損傷表現(xiàn)為表面輕微擦傷，損傷面積僅為1.56 mm2。

圖14 涂層材料1 在不同沖擊角度下的損傷形貌Fig.14 Damage morphologies of coating material 1 at various impact angles

基于超景深三維數(shù)碼顯微鏡VHX-5 000 的三維輪廓掃描重構(gòu)功能，測得了損傷體積后得到的平均值，建立了三種涂層損傷體積隨沖擊角度的變化，如圖15 所示?？梢钥闯?，隨著沖擊角度的增加，雨蝕造成涂層的損傷情況在逐漸減弱，直到涂層試樣幾乎沒有損傷出現(xiàn)。這是由于損傷程度主要與垂直于試樣的速度分量有關(guān)。隨著沖擊角度的增加，沖擊速度在垂直方向上的分量逐漸減小，致使損傷程度逐步減?。怀酥?，隨著夾角增加，在液滴壓縮釋放之前，液固接觸在表面持續(xù)的時(shí)間也隨之增加，導(dǎo)致沖擊壓力的減小[32]，也是產(chǎn)生這一損傷趨勢的主要原因。

圖15 試樣損傷體積隨沖擊角度變化規(guī)律Fig.15 The relation between the damaged volume and impact angle

圖16、圖17 和圖18 為沖擊速度為617 m/s 時(shí)，不同沖擊角下三種試樣損傷的SEM 剖面形貌觀測圖像。可以看出，隨著沖擊角度的增加，損傷的深度在不斷減小。在0°沖擊角下，涂層損傷區(qū)域(C)完全剝離、破壞，基體大面積暴露，損傷剖面呈現(xiàn)出平臺(tái)狀。其中，在涂層材料2 的SEM 掃描電子顯微圖像中，可以明顯看到由于剪切波作用而產(chǎn)生的分層裂紋；在15°沖擊角下，三種涂層損傷呈現(xiàn)圓錐形截面，在高倍率的觀測下可以看到由于涂層剝離而產(chǎn)生的不規(guī)則凹坑以及犁削狀痕跡，損傷延伸至底漆區(qū)域(B)，且部分區(qū)域露出基體；而在30°沖擊角下，涂層損傷僅在面漆區(qū)域(A)產(chǎn)生，在涂層材料3 的高倍率觀測圖像中可以觀察到由于水錘壓力作用在涂層面漆上產(chǎn)生的初始裂紋。上述不同損傷情況是由于在較小沖擊角度時(shí)，應(yīng)力波反射和透射造成的影響較大，導(dǎo)致界面先分層再剝離；但隨著沖擊角度的增大，應(yīng)力波強(qiáng)度減弱，造成的損傷逐漸減小。

圖17 沖擊速度為617 m/s 時(shí)不同沖擊角度下三種材料2 涂層的損傷SEM 顯微圖像Fig.17 SEM micrographs of the damaged coating of material 2 under the impact of different angles at an impact velocity of 617 m/s

圖18 沖擊速度為617 m/s 時(shí)不同沖擊角度下材料3 涂層的損傷SEM 顯微圖像Fig.18 SEM micrographs of the damaged coating of material 3 under the impact of different angles at an impact velocity of 617 m/s

4 結(jié) 論

本文基于一級(jí)輕氣炮搭建了單射流雨蝕試驗(yàn)平臺(tái)，可產(chǎn)生200～700 m/s，直徑為4～7 mm 蘑菇頭形態(tài)的穩(wěn)定水射流。在不同射流速度和角度情況下，針對(duì)三種同樣厚度的飛機(jī)蒙皮涂層進(jìn)行了單射流沖擊試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蒙皮涂層單次水射流沖擊的典型損傷有以下規(guī)律：

(1) 三種蒙皮涂層在受到射流沖擊時(shí)呈現(xiàn)出幾乎一樣的損傷模式；主要表現(xiàn)為低速時(shí)的表面擦傷和高速時(shí)的界面分層損傷；

(2) 在沖擊角度不變的情況下，隨著沖擊速度的增加，三種涂層試樣的損傷面積逐漸增加，由輕微擦傷逐漸過渡至剝離損傷；其中，涂層在較大速度的沖擊下更容易出現(xiàn)大面積的分層損傷；

(3) 在沖擊速度不變的情況下，隨著沖擊角度的增大，法向速度分量逐漸減少，液滴接觸材料表面瞬時(shí)沖擊力隨著速度分量的產(chǎn)生也在減小，由此產(chǎn)生初始損傷的程度不同，最終導(dǎo)致3 種涂層試樣的損傷面積逐漸減小，由0°時(shí)的明顯損傷過渡至30°的輕微擦傷，甚至無損傷；

(4) 單射流沖擊涂層出現(xiàn)侵蝕損傷的閾值速度約為360 m/s；侵蝕損傷形貌的早期階段主要為微裂紋、凹凸和不規(guī)則形狀的孤立凹坑；而在液滴侵蝕的后期，材料的剝離模式是由水力滲透造成的；

(5) 三種涂層試樣在相同雨滴沖擊速度與角度下，雖然涂層材料1 的力學(xué)性能最佳，但由于其表面最為粗糙，故初始侵蝕損傷最為明顯；盡管涂層材料3 的力學(xué)性能最差，但其表面最為光滑，故最不易發(fā)生初始侵蝕損傷；由此可見，在材料自身特性參數(shù)中，表面粗糙度是影響材料雨蝕損傷程度的主要因素。

感謝博士研究生王旋、侯乃丹等對(duì)本文理論和實(shí)驗(yàn)部分工作的支持和幫助。