張福澤空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

金屬涂層的日歷壽命計算公式和試驗方法

張福澤*
空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

通過涂層腐蝕損傷試驗研究，發(fā)現涂層有與金屬腐蝕溫度-時間(T-H)曲線一致的T-H曲線，而且還有相同的使用環(huán)境譜。由于金屬日歷壽命計算公式正是根據T-H曲線和使用環(huán)境譜推導出來的，因此涂層的日歷壽命計算公式與金屬日歷壽命計算公式相同。通過試驗研究，還發(fā)現金屬涂層對試驗溫度敏感且有規(guī)律，由此獲得涂層日歷壽命的有效試驗方法是提高試驗溫度。為驗證上述結論，進行了鋁涂層日歷壽命的理論計算和試驗實例對比研究。

金屬涂層； 日歷壽命； 溫度-時間曲線； 腐蝕損傷； 環(huán)境譜

文獻[1]通過對法拉第定律和金屬腐蝕影響因素研究，并經過嚴密的數學推導，給出了金屬腐蝕損傷日歷壽命計算公式。有了這個公式，設計師就可以在機械的設計階段，像預測金屬疲勞壽命一樣，預測出金屬在腐蝕環(huán)境下的日歷壽命。經多方試驗驗證，這個模型適用、有效。但一個機械的日歷壽命不僅取決于金屬本體的腐蝕日歷壽命，還取決于金屬防護涂層的有效日歷壽命，防護涂層不失效，金屬就不會腐蝕，機械日歷壽命就可以增長。因此在研究機械設備日歷壽命時，還要研究防護涂層的日歷壽命。目前國內外在金屬涂層日歷壽命理論計算方面，尚沒有找到直接計算的模型和確定方法，因此工程上無法給出日歷壽命。

本文通過金屬涂層的使用環(huán)境和失效性能曲線分布規(guī)律研究，給出金屬涂層日歷壽命計算可用金屬本體日歷壽命計算公式的結論。

為了討論方便，現把文獻[1]的金屬日歷壽命計算公式轉述如下，即

(1)

式中：Hi為腐蝕機件在某一介質環(huán)境中，在第i級溫度下，腐蝕到損傷容限Dc時的時間；hi為在使用溫度譜中，第i級溫度對應的時間；λ為金屬腐蝕到損傷容限Dc時使用溫度譜的總循環(huán)塊數；k為使用溫度-濕度譜的溫度級數；m為濕度級數。

1 金屬涂層與金屬本體的比較

1.1 金屬涂層與金屬本體所處使用環(huán)境比較

在金屬日歷壽命計算式(1)建立時，是以腐蝕環(huán)境中的溫度和濕度作為重復施加的主要腐蝕變量因素的，其他腐蝕因素放到試驗溶液中。這樣就把腐蝕問題變成溫度和濕度的“疲勞”了。為此文獻[2]研究給出了一種符合金屬日歷壽命計算式(1)要求的溫度-濕度譜。由于金屬涂層是附在金屬表面上的，且處于同一個腐蝕環(huán)境之中，因此，溫度-濕度譜既是金屬日歷壽命計算的外部條件，也是涂層日歷壽命計算的外部條件。在腐蝕環(huán)境譜上，涂層與金屬的日歷壽命計算是一致的，因此，金屬日歷壽命計算式(1)的外部條件要求，防護涂層都能滿足。

1.2 金屬涂層與金屬本體兩種性能曲線規(guī)律比較

1.2.1 金屬涂層失效的溫度-時間(T-H)曲線測試研究[3]

1) 金屬涂層腐蝕試驗的試件

該試驗選擇了航空常用材料LY12CZ和30CrMnSiA的防護涂層進行研究。試件的涂層和表面處理皆與飛機結構處理一致，如表1所示。

2) 金屬涂層腐蝕試驗的介質和濃度d

試驗介質以海南陵水的腐蝕介質成份為基準(d=1)，試驗的腐蝕介質成份、濃度及pH值如表2 所示。

表1 金屬涂層

表2 介質的成分和含量

3) 金屬涂層腐蝕試驗的溫度和濕度

① 試驗溫度T為：8 ℃、30 ℃、50 ℃、70 ℃和-50 ℃；② 試驗濕度RH為100%。

4) 金屬涂層腐蝕試驗的失效判據

① 涂層破裂，使金屬本體裸露；② 涂層表面大面積起泡，起泡處在正常環(huán)境下不能恢復原狀，使涂層作用失效。

5) 金屬涂層腐蝕試驗的T-H曲線

LY12CZ和30CrMnSiA涂層純腐蝕(加-50 ℃ 的冷凍試驗)和腐蝕疲勞(加-50 ℃的疲勞載荷)的T-H曲線分別如圖1和圖2(橫坐一個試驗周期為7天)所示。標

圖1 LY12CZ涂層純腐蝕和腐蝕疲勞的T-H曲線

(d=20, RH=100%)

Fig.1 Pure corrosion and corrosion fatigue T-H curves of LY12CZ coating (d=20, RH=100%)

1.2.2 3種金屬材料的T-H曲線

為了便于比較，在此列出文獻[4]對LY12CZ、LC4CS和30CrMnSiA這3種金屬的試驗T-H曲線，如圖3所示[5-7]。

圖3 3種金屬材料的試驗T-H曲線[5-7]

Fig.3 Test T-H curves of three kinds of metal materials[5-7]

1.2.3 金屬涂層與金屬的T-H曲線比較

從圖1～圖3可看出，高于8 ℃的金屬涂層T-H曲線和金屬T-H曲線，在腐蝕失效(或一定腐蝕量)下，腐蝕時間H隨腐蝕溫度T降低而增加，并近似線性變化，在這一變化規(guī)律上，它們是一致的，但涂層T-H曲線線性關系更好些。

圖2 30CrMnSiA涂層純腐蝕和腐蝕疲勞的T-H曲線(d=20, RH=100%)

Fig.2 Pure corrosion and corrosion fatigue T-H curves of 30CrMnSiA coating (d=20, RH=100%)

低于8 ℃的3條金屬T-H曲線，H隨T的降低呈快速增加的趨勢，即類似于疲勞極限部分。但低于8 ℃的4條涂層T-H曲線，由于試驗時間太長，沒有繼續(xù)試下去，因此類似于疲勞極限的部分沒顯現出來。不過，文獻[1]在建立金屬日歷壽命計算式(1)時，主要用的是金屬T-H曲線的近似線性部分，因此這對研究防護涂層日歷壽命計算公式是否可用金屬的計算式(1)是不受影響的。

1.3 金屬涂層日歷壽命計算公式

通過防護涂層與金屬本體的使用環(huán)境和T-H曲線比較，發(fā)現二者都是相同的。即防護涂層也有式(1)建立的條件，因此式(1)也適用于防護涂層日歷壽命計算。但金屬本體與防護涂層的失效模式不同，前者以腐蝕損傷容限Dc為失效模式，后者以防護涂層破裂為失效模式，這對確定式(1)中的參數Hi和λ值是不同的，但其他參數是相同的。這樣本文就把防護涂層和金屬本體日歷壽命理論計算公式統(tǒng)一為式(1)，從而解決了防護涂層日歷壽命的理論計算難題。

2 確定金屬涂層日歷壽命的試驗方法

2.1 編制金屬涂層試驗溫度-濕度譜

2.1.1 編制規(guī)則

1) 金屬涂層試驗的溫度-濕度譜必須是高溫-高濕譜。這是在試驗方法研究中獲得的，一般高溫-高濕譜比使用溫度-濕度譜相應級別高2倍左右，具體數據視不同涂層和試驗時間長短而定。

2) 金屬涂層試驗的高溫-高濕譜必須是等腐蝕損傷的譜。這里的等腐蝕損傷是指與使用溫度-濕度譜等損傷，只有這樣才能保證用高溫-高濕譜試出的日歷壽命與使用環(huán)境的日歷壽命相等。

2.1.2 高溫-高濕譜編制

金屬涂層試驗的高溫-高濕譜的具體編制，是由定壽機械所處地區(qū)的實測和統(tǒng)計值編制的。表3 為海南陵水地區(qū)的使用溫度-濕度譜，表4為高溫-高濕譜(根據試驗需要，各級的T還可提高1倍)。這兩個譜的溫度和濕度級別相差很大，試驗時間由10.7個月縮短至1.66個月，但它們是等腐蝕損傷的，理論上講，它們試出的日歷壽命是相等的。

表3 海南陵水5年原始3維環(huán)境譜

表4 海南陵水1年3維環(huán)境譜

表5 海南陵水環(huán)境的介質成分和含量

2.2 試驗介質溶液的配制

試驗介質溶液要根據定壽機械所在地區(qū)的實測和統(tǒng)計的介質成份和含量進行配制。如表5海南陵水濃度(d=1)的試驗介質成份和含量所示。

2.3 選用疲勞載荷譜

由于低溫疲勞會影響壽命[8-9]，因此在日歷壽命試驗中，不僅要模擬地面停放的腐蝕介質、溫度、濕度等多種因素的影響，而且還要模擬高空-50 ℃ 的疲勞載荷的影響。編制疲勞載荷譜是疲勞定壽領域的問題，日歷壽命試驗的疲勞載荷要根據試件狀況和試驗設備水平，將疲勞試驗中的疲勞載荷譜進行適當修改，才可直接應用。

2.4 金屬涂層試件

對于金屬涂層試件，必須保證涂層的金屬和噴涂工藝與定壽裝備一致。試件的尺寸視試驗溫度-濕度箱尺寸而定，最好進行全尺寸構件的試驗。

2.5 金屬涂層日歷壽命試驗

金屬涂層日歷壽命試驗要根據所編制的溫度-濕度譜、配制的試驗介質溶液和修改的疲勞載荷譜進行。由于該試驗的介質成份和含量是使用環(huán)境(d=1)值，試驗的高溫-高濕譜是按使用環(huán)境的溫度-濕度譜等損傷換算獲得的，從損傷理論上講，它們的損傷值是相等的，日歷壽命也應該相等，因此說，該試驗結果就是使用日歷壽命，不需要再“當量折算”了。

3 LY12CZ鋁涂層的日歷壽命計算和試驗對比研究

為了考驗用式(1)計算的涂層日歷壽命與試驗的日歷壽命之間差別的真實性和公信度，本文的計算和試驗是在互不知情下分別進行的。

3.1 日歷壽命理論計算值

1) LY12CZ試件和涂層如表6所示。

表6 LY12CZ鋁合金的試件和涂層

2) LY12CZ涂層的T-H曲線

為了計算涂層的日歷壽命，首次進行了LY12CZ鋁合金涂層(按表6)的T-H曲線測試研究。

① 涂層的T-H曲線試驗的介質成份、含量和濃度按表2(d=1狀態(tài))進行。

② 涂層的T-H曲線試驗的溫度T分別為25 ℃、50 ℃、65 ℃。

③ 涂層試驗結果：由于該試驗是用海南陵水d=1的真實介質成份和含量進行的，因此試驗時間較長(1年)，試驗數據見表7，試驗T-H曲線見圖4。

表7 LY12CZ鋁涂層試驗數據

圖4 LY12CZ涂層的試驗T-H曲線

Fig.4 Test T-H curve of LY12CZ coating

3) LY12CZ鋁涂層日歷壽命計算

① 計算公式取式(1)。

② 式(1)中的hi值：取試驗譜表8中的溫度40 ℃、50 ℃、60 ℃對應的時間，分別為168.0 h、185.9 h、186.4 h。

③ 式(1)中的Hi值：由圖4的鋁涂層T-H曲線，查得溫度40 ℃、50 ℃、60 ℃對應的涂層失效時間Hi分別為5 628 h、5 040 h、4 418 h(1 cycle=168 h)。

④ LY12CZ鋁涂層日歷壽命計算結果。

將獲得的hi和Hi各值分別代入式(1)中，由于該計算用的溫度-濕度譜是一個日歷年的譜，它的相對濕度RH只有1級(100%)，即式中(1)的m=1，因此可算得LY12CZ鋁涂層日歷壽命值。然后將該計算值存放在不參與計算和試驗的人那里，并封存起來。

3.2 日歷壽命試驗值

1) LY12CZ試件和涂層

試件尺寸為：48 mm×23 mm×6 mm，涂層參數同表6，共4件。

2) 試驗溫度-濕度譜如表8所示。

表8 LY12CZ涂層的試驗譜

3) 試驗介質的成份和含量如表5所示。

4) 試驗

① 試驗進程和檢查

將選定的LY12CZ鋁涂層試件(4件)放入按表5 配制的試驗溶液中，然后在溫度-濕度箱內按表8所示溫度譜進行試驗。試驗采用一個循環(huán)塊的(一個日歷年)循環(huán)方式進行。試驗共進行14個循環(huán)塊，在完成第12個循環(huán)塊后，發(fā)現LY12CZ涂層已有起泡、塌陷現象，涂層局部細微區(qū)域已經存在破損現象，有誘發(fā)金屬本體腐蝕趨勢。在完成第13個循環(huán)塊后，涂層局部區(qū)域已有開裂、破損脫落現象。涂層開裂處的金屬已有近0.3 mm2的腐蝕面積，當第14個循環(huán)塊完成后，這種現象更加嚴重，終止試驗。

② 試驗結論

根據防護涂層失效標準和試驗檢查結果，相關專家認為，這次LY12CZ鋁涂層的試驗是成功的，涂層試驗失效周期應是第12試驗循環(huán)塊，即12日歷年。

3.3 日歷壽命的理論計算值與試驗值比較

該項涂層日歷壽命計算與試驗對比研究是由不同人、不同時間、在不同單位互不通氣的情況下完成的。首先，由理論計算人算出涂層的計算日歷壽命值，將它封存起來；然后，由試驗者按計算用的環(huán)境譜進行試驗，給出涂層的試驗日歷壽命值；最后，在一次日歷壽命專業(yè)會上揭封，宣布封存的計算值與試驗值。對比的結果是：LY12CZ鋁涂層的計算日歷壽命為9.18年，試驗的日歷壽命為12年，試驗值比計算值高23.5%。這說明涂層的日歷壽命計算公式和試驗方法是相通、相融適用的。

4 結 論

金屬涂層的日歷壽命試驗，要用使用環(huán)境的介質成份與含量(d=1)和高溫-高濕譜進行試驗。由于本高溫-高濕譜與使用環(huán)境的溫度-濕度譜是等損傷的，這樣不僅可降低試驗時間，而且試出的壽命就是涂層的使用壽命。不需要采用誤差很大的“當量折算”，從而解決了國際腐蝕領域中的“當量折算”難題。

通過對LY12CZ鋁涂層日歷壽命理論計算與試驗對比的研究結果分析，發(fā)現涂層的試驗日歷壽命值(12年)比理論計算值(9.18年)高23.5%。這個結果說明涂層的日歷壽命計算式(1)和試驗方法是相通相融的，是可以接受的。由此，金屬涂層的日歷壽命可以通過真實使用環(huán)境的介質和溫度-濕度譜的計算、試驗給出，這也是本領域的新突破。

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張福澤 男， 中國工程院院士。主要研究方向： 飛機壽命。

Tel: 010-66713310

E-mail: zhangfuzemail@163.com

Received： 2015-09-30； Revised： 2015-11-28； Accepted： 2015-12-14； Published online： 2015-12-22 14:59

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151222.1459.006.html

*Corresponding author. Tel.： 010-66713310 E-mail: zhangfuzemail@163.com

Calculation formula and test method of calendar life of metalliccoating

ZHANG Fuze*

AeronauticalArmamentsResearchInstitute,EquipmentAcademyofAirForce,Beijing100076,China

Through research on the test of coating corrosion damage, this paper finds out that the temperature-time (T-H) curve of coating corrosion and theT-Hcurve of metallic corrosion are consistent, and they have the same service environment spectrum. Since the calculation formula of metallic calendar life is deduced from the distribution regularities and service environment spectrum ofT-Hcurve, the calculation formula of coating’s calendar life is the same as that of the metallic calendar life. It is also revealed that metallic coating is sensitive to test temperature with some regularities. Hence, an effective test method to have the calendar life of coating is to increase the temperature of the test. To verify the above-mentioned conclusion, a comparative study of theoretical calculation and test of the calendar life of aluminum coating is also conducted.

metallic coating; calendar life; temperature-time curve; corrosion damage; environment spectrum

2015-09-30；退修日期：2015-11-28；錄用日期：2015-12-14； < class="emphasis_bold">網絡出版時間：

時間： 2015-12-22 14:59

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151222.1459.006.html

.Tel.： 010-66713310 E-mail: zhangfuzemail@163.com

張福澤． 金屬涂層的日歷壽命計算公式和試驗方法[J]． 航空學報, 2016, 37(2): 390-396. ZHANG F Z. Calculation formula and test method of calendar life of metallic coating[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 390-396.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0339

V215.5

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