張娜，陶東香，陳川

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，青島 266041）

引言

機(jī)載電子干擾吊艙是飛機(jī)電子干擾的核心設(shè)備，通常外掛于飛機(jī)機(jī)翼或機(jī)身底部，其結(jié)構(gòu)材料在服役過(guò)程中易受環(huán)境作用而產(chǎn)生腐蝕損傷。腐蝕損傷的產(chǎn)生易誘發(fā)兩方面問(wèn)題[1-3]：一是在疲勞載荷作用下腐蝕損傷部位易誘發(fā)結(jié)構(gòu)疲勞裂紋萌生，縮短裂紋萌生壽命，降低裝備服役壽命；二是腐蝕損傷易誘發(fā)相關(guān)電氣線路故障，降低裝備使用的可靠性。上述兩方面問(wèn)題隨著吊艙服役年限的增加而會(huì)愈發(fā)凸顯，問(wèn)題產(chǎn)生的根本屬于機(jī)載電子干擾吊艙環(huán)境適應(yīng)性范疇，需在其研制過(guò)程中開(kāi)展環(huán)境試驗(yàn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)及其防護(hù)體系進(jìn)行耐蝕性考核?？己朔绞饺舨扇≌鎸?shí)服役環(huán)境并與裝備同壽的方式開(kāi)展，則技術(shù)難度較大、研制周期較長(zhǎng)、所需經(jīng)費(fèi)較多，因而通常在實(shí)驗(yàn)室采用模擬真實(shí)服役環(huán)境的仿真加速腐蝕試驗(yàn)方法開(kāi)展，為保證實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)、可信、有效，前提需開(kāi)展加速腐蝕與服役環(huán)境腐蝕之間的當(dāng)量折算關(guān)系研究[4-7]，這是解決機(jī)載電子干擾吊艙環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題的前提。

為此，本文根據(jù)某新型機(jī)載電子干擾吊艙環(huán)境適應(yīng)性研究需要，以其主體結(jié)構(gòu)1Cr12Ni系列合金鋼材料為研究對(duì)象，針對(duì)其在服役環(huán)境中為電化學(xué)腐蝕、并受服役環(huán)境中Cl-和SO42-主導(dǎo)的現(xiàn)實(shí)，本文開(kāi)展該材料試件于5 % NaCl溶液、4 mg/L H2SO4溶液以及標(biāo)準(zhǔn)自來(lái)水中電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，利用極化曲線，獲得其在上述溶液中的腐蝕電流密度，進(jìn)而根據(jù)等腐蝕損傷當(dāng)量關(guān)系理論，獲取其在上述溶液中當(dāng)量折算系數(shù)，由此為新型機(jī)載電子干擾吊艙結(jié)構(gòu)材料后續(xù)實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)的開(kāi)展提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

1 當(dāng)量關(guān)系理論

當(dāng)量關(guān)系是聯(lián)系并等效航空裝備服役環(huán)境腐蝕與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境仿真加速腐蝕之間的橋梁，目前已成熟應(yīng)用于多型航空裝備環(huán)境適應(yīng)性的環(huán)境考核試驗(yàn)方面。該關(guān)系理論的核心是腐蝕損傷等效，包括腐蝕損傷程度等效與腐蝕損傷模式等效，即航空材料在服役環(huán)境下和加速腐蝕環(huán)境下，腐蝕失效模式相似、腐蝕損傷程度相同時(shí)，服役環(huán)境作用時(shí)間T與加速腐蝕環(huán)境下作用的時(shí)間t之間的比值，表達(dá)形式為：

式中：

k— 通常稱(chēng)為當(dāng)量折算系數(shù)，通常k＜1 ，T的單位為年，t的單位為小時(shí)，由此可見(jiàn)k的物理意義是航空材料加速環(huán)境下腐蝕1 h，其腐蝕失效模式與腐蝕損傷程度與其在服役環(huán)境下機(jī)場(chǎng)環(huán)境腐蝕k年的腐蝕量相同。

由上述可知，腐蝕損傷等效是當(dāng)量關(guān)系核心，因而腐蝕損傷表達(dá)方式不同，則當(dāng)量關(guān)系就可有不同實(shí)現(xiàn)方式，遵循腐蝕程度、等腐蝕損傷則等疲勞壽命的思想，確定不同環(huán)境間的當(dāng)量關(guān)系通常可以采用以下三種方法[4-8]：①當(dāng)量折算法；②腐蝕程度對(duì)比法；③疲勞強(qiáng)度對(duì)比法。上述三種方法中，當(dāng)量折算法是航空金屬材料不同環(huán)境下電化學(xué)腐蝕分析中采用的方法，該方法建立當(dāng)量關(guān)系遵循金屬材料電化學(xué)法拉第定律，即腐蝕損傷可以由腐蝕電流量化表示，采用航空金屬材料在不同介質(zhì)環(huán)境中腐蝕電流建立等效關(guān)系進(jìn)而進(jìn)行折算，由于機(jī)載電子干擾吊艙主體結(jié)構(gòu)1Cr12Ni系列合金鋼在含有腐蝕介質(zhì)的潮濕大氣環(huán)境中腐蝕類(lèi)型是電化學(xué)腐蝕[8-11]，腐蝕損傷見(jiàn)式（2）量化：

式中：

ΔW—材料腐蝕損失質(zhì)量；

ε—電化當(dāng)量；

Q—材料腐蝕電量；

Ic—材料電化學(xué)腐蝕電流；

S—材料腐蝕區(qū)域的表面積；

—材料電化學(xué)腐蝕的電流密度。

依據(jù)式（2），同一航空材料兩種環(huán)境下電化學(xué)腐蝕，依托其腐蝕損失質(zhì)量相等關(guān)系式，由此即可推導(dǎo)出由不同環(huán)境下電流密度的當(dāng)量折算系數(shù)表達(dá)式[12,13]，推導(dǎo)過(guò)程不在此展開(kāi)，具體見(jiàn)式（3）所示：

2 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為某新型機(jī)載電子干擾吊艙主體合金鋼結(jié)構(gòu)材料，為1Cr12Ni系列合金鋼。材料初始狀態(tài)如圖1中（a）所示，為后續(xù)試驗(yàn)件制作需要，需對(duì)其進(jìn)行線切割，得到半徑為6 mm、高為9.8 mm的規(guī)則圓柱體，如圖1中（b）所示，對(duì)其進(jìn)行清洗后，使用環(huán)氧樹(shù)脂、三乙烯四胺、銅導(dǎo)線、10 mm的PVC管等，將其制成用于電化學(xué)試驗(yàn)的試件，如圖2所示。

圖1 1Cr12Ni系列合金鋼材料

圖2 1Cr12Ni系列合金鋼電化學(xué)試件

電化學(xué)試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)三電極方式開(kāi)展，試驗(yàn)儀器為普林斯頓4000（PARSTA 4000），三電極分別為：工作電極是電化學(xué)試件（Work Electrode，簡(jiǎn)稱(chēng)WE），參比電極為飽和甘汞電極為（Reference Electrode，簡(jiǎn)稱(chēng)RE），對(duì)電極為鉑電極為（Counter Electrode，簡(jiǎn)稱(chēng)CE），電流測(cè)量方法設(shè)置為動(dòng)電位掃描，參數(shù)設(shè)置為：采樣間隔為1 mV/s，掃描電壓為-0.8～0.4 V，靜置時(shí)間為1～2 h，電化學(xué)測(cè)量過(guò)程如圖3所示。

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)意義，要求在同種典型環(huán)境條件下、同種試驗(yàn)設(shè)置條件下，試驗(yàn)重復(fù)5次。而本文為后續(xù)研究需要考量不同溶液介質(zhì)環(huán)境間1Cr12Ni系列合金鋼材料的當(dāng)量折算系數(shù)，故選取了三種典型介質(zhì)溶液環(huán)境條件，分別是試驗(yàn)溶液分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5 %NaCl溶液、4 mg/L H2SO4溶液以及標(biāo)準(zhǔn)自來(lái)水。1Cr12Ni系列合金鋼材料試件于典型介質(zhì)溶液中電化學(xué)腐蝕后的表面形貌如圖4所示。

圖3 電化學(xué)測(cè)量過(guò)程示意圖

圖4 電化學(xué)試件腐蝕形貌

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1Cr12Ni系列合金鋼試件，不同溶液中電化學(xué)腐蝕開(kāi)路電位和自腐蝕電流密度圖如圖5中所示。

相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值如表1所示。

圖5 電化學(xué)腐蝕特性

表1 典型溶液中的電化學(xué)腐蝕參量

表2 典型溶液間當(dāng)量折算系數(shù)

依據(jù)式（3），以標(biāo)準(zhǔn)自來(lái)水中試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，采用表1中數(shù)據(jù)計(jì)算，得到1Cr12Ni系列合金鋼材料在典型介質(zhì)環(huán)境條件下的當(dāng)量折算系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明，電子干擾吊艙1Cr12Ni系列合金鋼在不同溶液中電化學(xué)腐蝕行為相似，但腐蝕熱力學(xué)或動(dòng)力學(xué)存在差異，即含H2SO4電解質(zhì)對(duì)于該結(jié)構(gòu)鋼的腐蝕加速作用最為明顯，含NaCl電解質(zhì)的腐蝕加速作用較弱。基于此特征，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)時(shí)，以不改變?cè)摻Y(jié)構(gòu)鋼的腐蝕機(jī)理為前提，通過(guò)調(diào)節(jié)電解質(zhì)中H2SO4濃度改變加速周期將會(huì)收到明顯效果。

4 結(jié)論

本文開(kāi)展新型機(jī)載電子干擾吊艙1Cr12Ni系列合金鋼材料試件于5 % NaCl溶液、4 mg/L H2SO4溶液以及標(biāo)準(zhǔn)自來(lái)水中標(biāo)準(zhǔn)三電極電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，量化分析了該材料于上述溶液中電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合當(dāng)量折算法，計(jì)算出該材料于典型介質(zhì)溶液間的等腐蝕損傷的當(dāng)量關(guān)系。主要結(jié)論如下：

1）相對(duì)于在標(biāo)準(zhǔn)自來(lái)水中，H2SO4電解質(zhì)對(duì)于1Cr12Ni系列合金鋼的腐蝕加速作用最為明顯，含NaCl電解質(zhì)的腐蝕加速作用次之；

2）1Cr12Ni系列合金鋼材料相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)自來(lái)水，在5 % NaCl溶液、4 mg/L H2SO4溶液下腐蝕的當(dāng)量折算系數(shù)分別是0.219 4和0.073 5。