彭望舒

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

20世紀60年代，隨著飛機在使用過程中暴露出來的腐蝕和腐蝕疲勞問題越來越嚴重，人們逐漸考慮腐蝕環(huán)境對飛機結構使用壽命的影響，提出了飛機結構環(huán)境譜和飛機結構載荷/環(huán)境譜的編制方法和要求。然而由于飛機實際服役年限很長，通常要達到30a左右，故而真實地模擬使用環(huán)境進行長期的環(huán)境試驗在當前是不現(xiàn)實的，也會因試驗周期過長而使試驗失去意義。為了縮短試驗時間，需要進行加速腐蝕試驗，形成加速腐蝕環(huán)境譜[1]。

20世紀80年代，北大西洋公約組織(AGARD)先后組織了8個國家10個研究機構，針對典型飛機結構連接件，展開了濕熱、鹽霧、鹽霧、SO2等典型環(huán)境對疲勞壽命影響的系統(tǒng)研究。模擬了飛機結構疲勞關鍵部位在地面停放時所承受的綜合腐蝕環(huán)境，比較真實地實現(xiàn)了實際情況下的腐蝕損傷再現(xiàn)[2,3]。20世紀80后期，美國先后制定了與腐蝕相關的一系列標準和規(guī)范，如MIL-A-008866B，MIL-A-87221，MIL-A-8860B(AS)，MIL-F-7179，MIL-STD-1568，MIL-HDBK-5，MIL-IIDBK-729等，并制定了涂層加速腐蝕環(huán)境譜及試驗程序(CASS譜)，并闡述其加速腐蝕環(huán)境譜的編制方法[4]。

國內對飛機結構腐蝕疲勞定壽的研究起步較晚, 雖然在70年代中期就開展了有關材料損傷容限分析及一些與環(huán)境相關的腐蝕與防護的研究工作，但這些研究工作無論從研究的深度還是實際應用的可能性和國外先進研究水平相比都有一定的差距。真正系統(tǒng)的研究是進入80年代以后，人們才逐漸考慮腐蝕環(huán)境對飛機結構的影響，并開始結合軍用飛機的腐蝕及壽命問題開展了腐蝕損傷普查、載荷譜與環(huán)境譜的編制、材料的多種環(huán)境條件下的試驗、結構件的腐蝕疲勞試驗和服役飛機機體結構的疲勞試驗等方面的基礎研究和應用研究工作。但到目前為止，在國內飛機環(huán)境譜編制、工程簡化及試驗實施方法等研究還處于探索階段，主要存在如下3方面的不足：

1)收集的環(huán)境數(shù)據(jù)量較少，還沒有建立較為完整的飛機環(huán)境數(shù)據(jù)庫，局限性較大；

2)對環(huán)境數(shù)據(jù)的分析帶有一定的經驗性和片面性，還沒有形成完善的統(tǒng)計分析方法；

3)環(huán)境譜的編制方面隨意性較大，數(shù)據(jù)處理方法不夠規(guī)范，對相同服役地區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)分析處理后，不同的研究人員得出的結果往往相差很大，沒有形成相對公認的方法。

本文以某沿海地區(qū)的濕熱環(huán)境譜為依據(jù)，闡述濕熱試驗加速腐蝕環(huán)境譜的構建過程，并引進圖像處理技術，對濕熱試驗的加速腐蝕環(huán)境譜的試驗結果進行評價，最終將該方法應用于直升機型號研制工作中。

1 環(huán)境譜

飛機環(huán)境譜是研究飛機結構腐蝕疲勞的基礎，而環(huán)境譜可大致分為地面停放環(huán)境譜、空中飛行環(huán)境譜和局部部位環(huán)境譜。這三者之中存在著一定的聯(lián)系，據(jù)有關機種的使用資料統(tǒng)計，軍用飛機的停放時間可占全部日歷壽命時間的96%以上，因此飛機的停放環(huán)境是影響飛機腐蝕的主要原因之一，故而地面停放環(huán)境譜是編制飛機環(huán)境譜的基礎[5,6]?？罩酗w行環(huán)境往往與地面停放環(huán)境存在著較大不同，如飛機材料的腐蝕疲勞、直升機結構的低溫振動等等。

以某型直升機為例，通過對停放環(huán)境的調研、測量、分析，編制直升機使用環(huán)境譜，然后按照腐蝕損傷等效原則，將使用環(huán)境譜轉化成便于開展元件與模擬件加速腐蝕試驗的當量環(huán)境譜。

加速腐蝕試驗中往往包括鋼材料、鋁合金材料、防護涂層的加速腐蝕試驗，然后對其腐蝕結果進行等級評價，基于腐蝕損傷等級相同的原則，構建不同材料的環(huán)境譜與標準腐蝕溶液配方之間的加速當量關系。圖1為某型直升機的加速腐蝕環(huán)境譜的構建思路。

圖1 某型直升機加速腐蝕環(huán)境譜構建思路框圖

2 構建環(huán)境譜

在選取某一地域位置的基礎上，根據(jù)環(huán)境參數(shù)簡化原則和影響腐蝕的各種因素，將機場氣象臺站多年的氣象數(shù)據(jù)(包括每天的溫度、濕度、雨量、雨時，每月的霧日、霧時及各對應時刻的風向、風速和污染物及其含量等)進行統(tǒng)計，給出的服役氣候環(huán)境要素以月、季、年為周期的變化規(guī)律，可以得到各個機場的月譜、年譜及月平均譜和累積年譜。圖2為地面停放環(huán)境譜編制流程圖。

圖2 地面停放環(huán)境譜編制流程圖

下面以某沿海地區(qū)為例，以該地區(qū)氣象資料為原始數(shù)據(jù)[7]，建立該地區(qū)的溫濕度環(huán)境譜。為增加數(shù)據(jù)的可靠性，其溫濕度環(huán)境譜中包含了該地區(qū)近10年的停放溫濕度數(shù)據(jù)，可根據(jù)該環(huán)境譜折算出實驗室的當量時間。

表1 溫濕度環(huán)境譜

3 加速腐蝕環(huán)境譜

為了使編制的地面停放環(huán)境譜能夠有效地應用于直升機結構和典型動部件腐蝕控制工程領域，必須給出在腐蝕試驗中可行的當量加速腐蝕環(huán)境譜，使地面停放環(huán)境譜所造成的直升機結構腐蝕損傷當量地折算成在實驗室能夠再現(xiàn)的當量加速腐蝕環(huán)境譜，而得出在實驗室內人工擬定的環(huán)境條件下，加速腐蝕試驗多長時間能等效機場自然環(huán)境中服役多少個日歷年對飛機結構的腐蝕損傷。

然而不同的材料腐蝕的機理不同，為了使編制的地面停放環(huán)境譜準確地折算成實驗室加速腐蝕環(huán)境譜，需對不同的材料進行加速腐蝕當量折算，大致可分為：鋁合金、鋼材料、有機涂層的加速腐蝕環(huán)境譜。

3.1 加速腐蝕環(huán)境譜的編制原則

編制合理的加速腐蝕環(huán)境譜必須遵循以下幾個原則：

1)針對具體結構對象，包含地面停放產生腐蝕的主要因素及作用情況，再現(xiàn)實際服役過程出現(xiàn)的腐蝕損傷形式與特征以及腐蝕產物的組成成分，使得地面停放環(huán)境譜與加速腐蝕環(huán)境譜之間保持嚴格的腐蝕等損傷當量關系；

2)大大縮短實際環(huán)境下腐蝕歷程的時間，使加速腐蝕試驗周期和費用減少到工程可接受的范圍；

3)通過合理的準則和方法建立加速腐蝕環(huán)境譜與地面停放環(huán)境之間的當量關系，加速譜應盡量簡化，以保證試驗環(huán)境易于實現(xiàn)與控制。

工程上通常是測定不同溫度、濕度下的典型金屬材料腐蝕電流來建立不同組合對應的當量折算系數(shù)，其實施的步驟如下：

1)編制地面停放環(huán)境譜，選定加速腐蝕環(huán)境譜；

2)將每年地面環(huán)境譜的作用時間折算為θ=40℃，RH為90%的標準潮濕空氣的作用時間t1；

3)將每小時加速腐蝕環(huán)境譜的作用時間折算為θ=40℃，RH為90%的標準潮濕空氣的作用時間t2；

4)t1/t2為當量加速關系β，即加速腐蝕環(huán)境譜作用β相當于實際環(huán)境中使用1a；

5)同一種材料在不同腐蝕介質中的腐蝕試驗，要通過當量關系轉化到同一種腐蝕介質上來，以便簡化結構件的加速腐蝕試驗過程，便于實驗室內對腐蝕試驗條件的控制。

3.2 當量折算

周希沅[8]從腐蝕原理出發(fā)，認為電化學反應總是伴隨著電荷的轉移與傳遞，電荷的轉移量與反應物質的變化量(即腐蝕程度)有著嚴格的等量關系，服從法拉第定律。即以腐蝕電流Ic作為度量的尺度是較為準確及嚴格的。而自然環(huán)境結構中的腐蝕電流Ic測量往往很困難，為工程上便于實現(xiàn)，可把環(huán)境譜用人工環(huán)境控制箱再現(xiàn)自然環(huán)境腐蝕性，把Ic的測量轉移到實驗室內進行，測出試驗件對應的腐蝕電流Ic，分析測量得到的Ic值及其變化規(guī)律。

3.2.1 單一環(huán)境當量關系折算

為了便于實驗室內實行試驗加速，折算時一般往腐蝕性較強的試驗條件上折算。如試驗溫度為20℃、相對濕度70%，測算出該試驗件的腐蝕電流為Ic(20,70)；溫度40℃、相對濕度90%時測得的腐蝕電流為Ic(40,90)。選擇溫度為40℃、相對濕度90%的試驗條件作為加速試驗的基準條件，則定義其當量折算系數(shù)為：

(1)

如此便可得到該試驗件的當量折算系數(shù)。表2為某型直升機的鋼材料溫濕譜的腐蝕當量折算系數(shù)。

表2 鋼材料溫濕譜的腐蝕當量折算系數(shù)

結合表1與表2則可折算出實驗室的加速腐蝕當量時間。經計算可知鋼材料在該沿海地區(qū)經受10年的溫濕度環(huán)境，其腐蝕程度相當于溫度40℃、濕度90%的條件下的530h。

然而值得注意的是，不同的材料、不同的腐蝕介質濃度、不同的介質成分含量，其腐蝕當量折算系數(shù)并不相同。但對于同類型的金屬材料，由于其腐蝕失效模式基本相同，故其腐蝕折算系數(shù)α的分散性并不大[9]。某型直升機曾做過鋼材料、鋁材料在不同濃度的NaCl溶液、HNO3、HCl、H2SO4中的折算系數(shù)，在此不作贅述。

3.2.2 綜合環(huán)境當量折算

飛機在服役時，不可能是單一環(huán)境的作用，往往伴隨著多種環(huán)境的綜合作用，參考文獻[10]可初步估算加速腐蝕環(huán)境譜的綜合折算系數(shù)α。

加速腐蝕環(huán)境譜的綜合折算系數(shù)α滿足

(2)

4 基于圖像處理技術的腐蝕等級評價方法

因加速腐蝕環(huán)境譜的構建是建立在理論分析的基礎上，故而其與材料在真實環(huán)境下的腐蝕情況會有一定的偏差，因此腐蝕等級的評價與驗證工作是環(huán)境譜構建中的不可或缺的一部分。

對于有機涂層的加速腐蝕環(huán)境譜的驗證，劉文珽[1]利用GB 9277-88色漆涂層老化的評價，以目測的方式判斷外場服役1-6a的飛機典型部位腐蝕損傷形貌，并與實驗室加速1-5個周期的模擬試件對比，發(fā)現(xiàn)加速腐蝕環(huán)境下腐蝕1個周期相當于外場服役1a，從而驗證了該種當量加速關系。但該方法用肉眼觀察腐蝕情況，主觀因素較大，其驗證的方式不夠嚴謹。

近幾年，由于高分辨率數(shù)碼成像技術的發(fā)展，在工業(yè)應用過程中獲得高清晰的金屬腐蝕形貌圖像已經很容易實現(xiàn)，而金屬表面腐蝕形貌圖像是判別腐蝕類型，分析腐蝕程度，研究腐蝕規(guī)律與特征的重要依據(jù)。故而采用圖像處理技術的腐蝕等級評價方法對于深入研究腐蝕規(guī)律和評價腐蝕等級具有重要的意義。

4.1 腐蝕圖像數(shù)字化矩陣

由于采集到的腐蝕圖像是模擬圖像，因此腐蝕圖像的數(shù)字化是計算機進行腐蝕圖像處理之前必經的基本步驟，目的是把真實的腐蝕圖像轉變成計算機能夠接受和識別的處理格式，即特定的數(shù)據(jù)矩陣。以下為該函數(shù)離散的M×N的矩陣：

F=

(3)

4.2 腐蝕圖像灰度處理

灰度圖像是包含灰度級(亮度)的圖像，在28(即256)級灰度圖像的數(shù)據(jù)矩陣中，該矩陣的每一個像素點所對應的灰度值通常在0～255之間。其中0代表黑色，255代表白色，1～254分別代表黑色到白色之間的各級過渡色(灰色)。利用圖像的灰度處理可以反映材料表面腐蝕的基本狀況。圖3為鋁合金加速腐蝕局部灰度圖像及數(shù)字矩陣。

圖3 鋁合金加速腐蝕局部灰度圖像及數(shù)字矩陣

4.3 腐蝕圖像預處理

腐蝕圖像采集完畢后，光照條件、轉換器件的精度以及在傳輸過程中的信息的損失和噪聲干擾等因素，都會影響圖像質量。而單憑腐蝕圖像進行分析評價則主觀性太強，不方便工程應用。因此，對金屬材料腐蝕圖像進行預處理之后，需要進行腐蝕圖像的數(shù)值特征提取，客觀地用于腐蝕程度的評價以及腐蝕類型模式識別。

圖像預處理和特征提取是腐蝕圖像進行診斷的基礎和關鍵。從腐蝕圖像中提取豐富的腐蝕信息，將這些信息進行定量描述，并轉變?yōu)橛嬎銠C能夠自動識別的信息，從中獲取知識，對腐蝕的類型和腐蝕的程度進行客觀而準確的診斷和評價。圖像采集數(shù)字化后，需要經過圖像截取、中值濾波、灰度變換、模糊增強、二值化處理，之后才能進行等級的評價。

4.4 金屬材料腐蝕等級評價系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)既包括硬件系統(tǒng)又包括軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要包括腐蝕圖像的采集裝置和圖像的處理設備；軟件系統(tǒng)主要是腐蝕圖像的預處理程序和腐蝕等級評價程序，最后參照國標或航標對材料的加速腐蝕等級進行評價。

5 結束語

1)系統(tǒng)地闡述了飛機加速腐蝕環(huán)境譜的構建流程，從腐蝕環(huán)境分析，環(huán)境譜和加速腐蝕環(huán)境譜的構建，加速當量關系的折算到腐蝕等級的評價；

2)根據(jù)某型直升機介紹了基于圖像處理技術的腐蝕等級評價方法，該方法從腐蝕形貌圖像中提取形貌特征參數(shù)，可以對腐蝕形貌進行定量化描述，相對于一般的肉眼的判斷，更為客觀和嚴謹，對深入研究腐蝕規(guī)律和評價腐蝕等級具有重要意義。