劉治國 ， 齊 陽 ， 李旭東

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041）

0 引言

航空裝備結(jié)構(gòu)材料在服役過程中受服役典型環(huán)境因素作用而產(chǎn)生腐蝕失效，該腐蝕失效行為受多種服役環(huán)境因素綜合作用，而非單一介質(zhì)單獨(dú)作用，多種服役環(huán)境因素的綜合作用可以采用環(huán)境譜[1-2]表示。環(huán)境譜通常指的是航空裝備所受到溫度、濕度、雨露等氣象環(huán)境因素以及Cl－、S2－、飄塵等化學(xué)環(huán)境因素與時(shí)間的聯(lián)合作用及每種環(huán)境因素的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、發(fā)生頻率以及它們的組合結(jié)果。對(duì)于航空裝備而言，根據(jù)其使用規(guī)律，其受到的環(huán)境譜主要分為空中飛行環(huán)境譜和地面停放環(huán)境譜[3-4]，其中對(duì)航空裝備結(jié)構(gòu)材料腐蝕失效行為起主導(dǎo)作用的是地面停放環(huán)境譜。對(duì)艦載航空裝備而言，根據(jù)其駐艦情況，分析其腐蝕失效行為還需要考慮艦面停放環(huán)境譜。

在航空裝備研制過程中，為考核/提高其典型環(huán)境適應(yīng)性，在具體國軍標(biāo)考核之外，還需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行裝備的典型材料/結(jié)構(gòu)/涂層體系的環(huán)境考核試驗(yàn)。為縮短考核周期、降低研究經(jīng)費(fèi)并真實(shí)再現(xiàn)裝備服役過程中的典型環(huán)境歷程，目前國內(nèi)外采取的主要方法是設(shè)計(jì)、編制航空裝備典型結(jié)構(gòu)材料的仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜[5-6]，依據(jù)該加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜，開展腐蝕試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，考核/評(píng)估/再現(xiàn)航空裝備服役環(huán)境下腐蝕失效行為過程，并提出具體的設(shè)計(jì)/制造改進(jìn)措施。上述方法體系的核心是仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜的設(shè)計(jì)與編制，其中涉及航空裝備服役環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取、統(tǒng)計(jì)分析、簡化處理以及典型環(huán)境數(shù)據(jù)當(dāng)量折算計(jì)算等過程。

為此，本研究結(jié)合某型機(jī)機(jī)翼鋁合金材料環(huán)境適應(yīng)性研究，對(duì)該型飛機(jī)停放環(huán)境下大量環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、簡化處理與統(tǒng)計(jì)分析，編制停放環(huán)境譜，并基于等腐蝕損傷當(dāng)量關(guān)系理論[7-8]對(duì)停放環(huán)境譜進(jìn)行當(dāng)量加速，設(shè)計(jì)與編制該型機(jī)機(jī)翼主體鋁合金材料仿真加速腐蝕失效試驗(yàn)環(huán)境譜。通過上述工作，系統(tǒng)地闡述航空裝備結(jié)構(gòu)材料仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜的編制方法，為相關(guān)型號(hào)材料/結(jié)構(gòu)/涂層體系的環(huán)境適應(yīng)性研究提供理論借鑒思路。

1 機(jī)場停放環(huán)境譜

仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜的設(shè)計(jì)與編制，其母體根據(jù)是航空裝備的服役環(huán)境，因而首先對(duì)其服役環(huán)境進(jìn)行分析。航空裝備根據(jù)實(shí)際使用需求及使用規(guī)律，需周期性地在典型駐屯機(jī)場執(zhí)行作訓(xùn)任務(wù)，除飛行時(shí)間外主要在機(jī)場停放，艦載航空裝備還需在艦面條件下停放。航空裝備在停放環(huán)境下的腐蝕失效是一個(gè)涉及多因素、多步驟的復(fù)雜系統(tǒng)，其影響環(huán)境因素包括溫度、濕度、介質(zhì)成分（SO2、Cl－、NO2等）、降水（含降雨、霧、凝露等）、降塵、干濕交替狀態(tài)和交替頻次等。環(huán)境因素對(duì)其腐蝕失效行為的作用強(qiáng)弱規(guī)律不同[9-10]，因而部分環(huán)境因素是腐蝕失效行為主要誘因，其他因素是腐蝕失效行為次要誘因，應(yīng)結(jié)合文獻(xiàn)[11]中方法對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行篩選，進(jìn)而編制停放環(huán)境譜。

1.1 服役機(jī)場環(huán)境因素選取設(shè)計(jì)

根據(jù)航空裝備金屬材料電化學(xué)腐蝕機(jī)制以及文獻(xiàn)[11-13]中灰色關(guān)聯(lián)計(jì)算分析結(jié)果，影響航空裝備鋁合金材料腐蝕失效行為的氣象環(huán)境因素主要包括霧日數(shù)、濕度、降雨、溫度以及凝露，化學(xué)環(huán)境因素主要包括Cl－濃度、大氣中SO2濃度、雨水中Cl－含量、雨水中。據(jù)此，以某南方軍用機(jī)場為例，篩選該型航空裝備典型服役機(jī)場環(huán)境因素，用于其機(jī)場停放環(huán)境譜編制。

1.2 服役機(jī)場環(huán)境因素簡化處理設(shè)計(jì)

篩選得到的多個(gè)氣象環(huán)境因素、化學(xué)環(huán)境因素在單個(gè)日歷年中作用過程漫長，某些情況下，若該環(huán)境因素低于某一閾值，則其對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕失效不起作用，因而需對(duì)篩選的環(huán)境因素進(jìn)行簡化處理，保留其對(duì)腐蝕失效起作用的時(shí)間。根據(jù)文獻(xiàn)[1, 14]中方法，不同環(huán)境因素簡化處理原則不同，具體為：1）相對(duì)濕度，取RH≥60%時(shí)間；2）溫度，T≥0 ℃，并分為7 個(gè)區(qū)段：0～10、10～15、15～20、20～25、25～30、30～35、35 ℃以上；3）凝露，統(tǒng)計(jì)其作用時(shí)間，計(jì)入RH≥60%時(shí)間；4）降雨，統(tǒng)計(jì)其作用時(shí)間與次數(shù)，計(jì)入RH≥60%時(shí)間；5）霧，統(tǒng)計(jì)其作用時(shí)間，計(jì)入RH≥60%時(shí)間；6）化學(xué)介質(zhì)，統(tǒng)計(jì)Cl－、SO2濃度年均值和作用時(shí)間。

1.3 機(jī)場停放環(huán)境譜編制

依據(jù)1.1 和1.2 中方法、原則進(jìn)行篩選、簡化，量化計(jì)算機(jī)場多年各環(huán)境數(shù)據(jù)作用時(shí)間，編制機(jī)場環(huán)境因素月譜、年譜，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到具有一定置信度的環(huán)境因素平均譜和累積年譜，即機(jī)場停放環(huán)境譜，主要由不同溫度下的雨譜、霧露譜和溫濕譜構(gòu)成，具體數(shù)據(jù)處理過程如圖1 所示，編制得到的主要環(huán)境因素譜和停放環(huán)境譜分別如表1～表4 所示。

圖 1 環(huán)境譜編制框圖Fig.1 Flow chart of environment spectrum preparation

表 1 機(jī)場雨譜Table 1 Rain spectrum of airport

表 2 機(jī)場霧、露譜Table 2 Fog and dew spectrum of airport

表 3 機(jī)場溫、濕度譜Table 3 Temperature and humidity spectrum of airport h

表 4 機(jī)場地面停放環(huán)境譜Table 4 Environment spectrum of airport

若航空裝備為艦載型，則其停放環(huán)境譜還需考慮其停放艦面過程中相關(guān)環(huán)境因素作用歷程，并與機(jī)場停放環(huán)境譜相類似，統(tǒng)計(jì)分析確定典型海域環(huán)境數(shù)據(jù)的作用強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、發(fā)生頻率及它們的組合作用結(jié)果，設(shè)計(jì)與編制艦載機(jī)艦面停放環(huán)境譜，此內(nèi)容在此不做詳述。

2 仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜設(shè)計(jì)

仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜的設(shè)計(jì)原則應(yīng)依據(jù)航空裝備材料腐蝕失效機(jī)理[11-13]和等腐蝕損傷當(dāng)量折算原理[7-8,15-17]進(jìn)行，目的是突出腐蝕的加速性，具體設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：1）與航空裝備停放環(huán)境譜保持嚴(yán)格的腐蝕損傷等當(dāng)量關(guān)系；2）用加重環(huán)境腐蝕因素的方法，如提高環(huán)境溫度、濕度及介質(zhì)濃度，提高腐蝕電流，降低腐蝕失效作用時(shí)間，以達(dá)到加速試驗(yàn)過程、減少試驗(yàn)時(shí)間目的；3）仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜盡量簡化，以保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境易于實(shí)現(xiàn)與控制。

具體而言，為了減少腐蝕試驗(yàn)時(shí)升溫、降溫、加濕、脫濕等技術(shù)要求所需用的試驗(yàn)時(shí)間，應(yīng)當(dāng)把不同溫度和濕度條件下的作用時(shí)間折算到同一溫度和相對(duì)濕度上；同一種材料在不同腐蝕環(huán)境介質(zhì)中的腐蝕失效時(shí)間，要通過當(dāng)量關(guān)系轉(zhuǎn)化到同一種腐蝕介質(zhì)上來，以便簡化仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜構(gòu)成，便于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)條件的實(shí)現(xiàn)與控制。綜上，設(shè)計(jì)確定仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜基本構(gòu)成如下：

1）濕熱環(huán)境：RH=90%、溫度T=40 ℃的高溫、潮濕空氣，模擬停放環(huán)境中的濕熱環(huán)境作用；

2）介質(zhì)環(huán)境：Cl－和S2－介質(zhì)，5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl 水溶液摻入稀H2SO4，使其pH=4±0.2，模擬停放環(huán)境中的鹽霧和含SO2工業(yè)廢氣或酸雨的作用；

3）載荷環(huán)境：高載預(yù)拉伸，模擬飛行中較大振動(dòng)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)表面，特別是鉚釘、緊固件與孔連接處涂層的作用，此時(shí)相關(guān)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)變形，部分涂層粘附力下降，涂層開裂從而喪失對(duì)材料表面的腐蝕防護(hù)作用。

3 仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜編制

設(shè)計(jì)好仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜環(huán)境因素構(gòu)成后，應(yīng)將機(jī)場停放環(huán)境譜中的溫濕度譜、雨譜、霧及凝露譜采用當(dāng)量折算方法[7-8,15-17]進(jìn)行折算計(jì)算，具體材料于不同環(huán)境介質(zhì)下的當(dāng)量折算系數(shù)應(yīng)開展電化學(xué)試驗(yàn)[18-19]獲取。本研究采用已獲取的鋁合金材料于不同溫濕度、不同介質(zhì)濃度下的當(dāng)量折算系數(shù)對(duì)1.3 節(jié)中的機(jī)場停放環(huán)境譜折算，得到一個(gè)仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜的作用周期（機(jī)場環(huán)境腐蝕失效1 a）t=23.26 min，其中，溶液中浸泡時(shí)間t浸泡=6.05 min，溶液外烘烤時(shí)間t烘烤=17.21 min。

上述過程為機(jī)場停放環(huán)境譜一個(gè)日歷年限下的當(dāng)量折算結(jié)果。但實(shí)際上，航空裝備每年有一定的空中飛行時(shí)間，空中飛行過程應(yīng)忽略地面停放環(huán)境對(duì)航空裝備鋁合金結(jié)構(gòu)材料腐蝕失效的影響。根據(jù)航空裝備使用規(guī)律，初步確定其年飛行強(qiáng)度為350 h，則在上述當(dāng)量折算過程中，應(yīng)當(dāng)扣除空中飛行的350 h，因此應(yīng)對(duì)上述計(jì)算得到的當(dāng)量折算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)修正，扣除飛行時(shí)間的加權(quán)系數(shù)為：

則機(jī)場停放環(huán)境譜折算的仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜為：

其中，溶液中浸泡時(shí)間t機(jī)場浸泡=5.81 min，溶液外烘烤時(shí)間t機(jī)場烘烤=16.52 min。

加速腐蝕環(huán)境譜中的干濕交表次數(shù)為表4 中霧和凝露及雨的作用次數(shù)之和，N=88.3+105.8≈194 次。即仿真加速腐蝕t=22.33×194÷60=72.2 h（約為3 d），相當(dāng)于該型航空裝備鋁合金結(jié)構(gòu)材料于機(jī)場環(huán)境在一個(gè)日歷當(dāng)量年（扣除空中飛行350 h）所遭受的環(huán)境腐蝕作用。

仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜如圖2 所示。

圖 2 7B04 鋁合金材料仿真加速腐蝕失效試驗(yàn)環(huán)境譜Fig.2 Accelerated corrosion test spectrum of 7B04 aluminum alloy

4 結(jié)論

1）仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜主要由RH=90%、溫度T=40 ℃的濕熱環(huán)境和5% NaCl 水溶液摻入稀H2SO4并使其pH=4± 0.2的介質(zhì)環(huán)境組成，包含了機(jī)場環(huán)境下典型腐蝕環(huán)境因素。

2）在仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜中，濕熱環(huán)境中烘烤時(shí)間為16.52 min，介質(zhì)中浸泡時(shí)間為5.81 min，二者交替194 次，共計(jì)72.2 h，相當(dāng)于鋁合金結(jié)構(gòu)材料在機(jī)場停放1 a（扣除飛行350 h）的腐蝕量。

3）仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜明顯縮短了腐蝕失效行為時(shí)間，起到了加速腐蝕作用。