直升機(jī)結(jié)構(gòu)外部涂層在海洋環(huán)境中的加速環(huán)境譜研究

劉成臣，魯國(guó)富，王浩偉
（中國(guó)特種飛行器研究所，荊門448035）

針對(duì)某海域環(huán)境特點(diǎn)，參考國(guó)內(nèi)外環(huán)境譜編制方面的技術(shù)成果，提出了適合某海域服役直升機(jī)外部涂層的加速環(huán)境譜。該譜由濕熱暴露、紫外光照、鹽霧三個(gè)環(huán)境模塊組成。給出了各環(huán)境模塊試驗(yàn)條件的確定方法和與艦面環(huán)境實(shí)際暴露時(shí)間的當(dāng)量關(guān)系。通過典型鋁合金件的試驗(yàn)室加速試驗(yàn)和艦面暴露試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了該加速譜的合理性與當(dāng)量關(guān)系的準(zhǔn)確性。

直升機(jī)；涂層；環(huán)境譜；日歷壽命

直升機(jī)在護(hù)航期間一直處于高溫、高濕的海洋環(huán)境下，鋁合金作為直升機(jī)的主體結(jié)構(gòu)材料遭受鹽霧、飛濺海水以及干/濕交替循環(huán)侵蝕，腐蝕威脅嚴(yán)重，極大的影響了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)壽命［1-4］。為提高鋁合金的防護(hù)性能，一般會(huì)采用涂層，涂層失效將會(huì)使金屬基體暴露在海洋環(huán)境中，導(dǎo)致基體腐蝕從而影響飛行安全。因此在飛機(jī)日歷壽命評(píng)定時(shí)，開展腐蝕關(guān)鍵件涂層有效性評(píng)定是不可或缺的步驟［5］。

我國(guó)軍機(jī)壽命一般在25 a左右，在自然環(huán)境中評(píng)估涂層的有效性需要很長(zhǎng)的周期，無法滿足工程研制需求，因此必須采用加速腐蝕試驗(yàn)的方法，以期在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到評(píng)估飛機(jī)服役若干年后涂層防腐性能的目的。而加速環(huán)境譜的編制和加速試驗(yàn)時(shí)間與外場(chǎng)暴露年限的當(dāng)量關(guān)系的確定是日歷壽命評(píng)定的重要前提。

本工作以課題組采集的某海域環(huán)境數(shù)據(jù)編制了涂層加速環(huán)境譜并確定了當(dāng)量關(guān)系，在護(hù)航艦面開展了自然暴露試驗(yàn)的同時(shí)在試驗(yàn)室條件下開展了加速腐蝕試驗(yàn)，并通過自然暴露試驗(yàn)與加速試驗(yàn)的對(duì)比對(duì)加速環(huán)境譜和當(dāng)量關(guān)系的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 某海域環(huán)境特點(diǎn)

表1為課題組通過衛(wèi)星反演技術(shù)獲得的某海域14 a間的年均溫濕度譜。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示該海域年均太陽總輻射量為Q=4 687 MJ·m2，年均太陽輻射強(qiáng)度為Qz=306 W/m2，其中紫外線含量為6.53%。由表1可知，該海域溫度長(zhǎng)期保持在30℃左右，濕度保持在70%左右，屬于典型的高溫高濕環(huán)境。

2 涂層加速環(huán)境譜編制

2.1 環(huán)境譜基本構(gòu)成

分析某海域服役環(huán)境特點(diǎn)，在該海域服役飛機(jī)涂層主要受海洋大氣中的鹽霧、高溫高濕環(huán)境以及陽光中的紫外線影響，同時(shí)借鑒國(guó)外飛機(jī)涂層加速試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)［5］，選取濕熱暴露試驗(yàn)、紫外老化試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)三個(gè)譜塊組成加速試驗(yàn)譜。

表1 某海域年均溫-濕度譜Tab.1 Average annual temperature-humidity spectrum in certain sea area

2.2 各環(huán)境模塊試驗(yàn)參數(shù)

（1）溫濕暴露試驗(yàn)環(huán)境條件

濕熱環(huán)境基本取決于氣候條件。由于某海域其溫度、濕度環(huán)境與美國(guó)艦載機(jī)服役的海洋環(huán)境類似，故采用美國(guó)艦載機(jī)的加速環(huán)境譜CASS譜中溫濕度譜塊的試驗(yàn)條件［5］，即溫度為43 ℃；相對(duì)濕度為95%～100%；試驗(yàn)設(shè)備為 H1200C 溫濕交變?cè)囼?yàn)箱。

（2）紫外照射試驗(yàn)環(huán)境條件

紫外作用時(shí)間取決于紫外試驗(yàn)箱中試驗(yàn)件表面上的紫外輻射強(qiáng)度和外場(chǎng)真實(shí)環(huán)境中一個(gè)暴露周期接受的紫外輻射量。當(dāng)試驗(yàn)箱紫外線輻射強(qiáng)度60 W/m2，外場(chǎng)真實(shí)環(huán)境的暴露周期平均紫外輻射強(qiáng)度為Qz時(shí)，每個(gè)試驗(yàn)周期所需的紫外線照射時(shí)間為：

某海域年均紫外總輻射強(qiáng)度為306 MJ/m2，可得：

即紫外照射子試驗(yàn)作用時(shí)間為1 417 h。

紫外照射造成的涂層老化還與光照溫度有關(guān)，本文參考GB 2424取T=（55±10）℃。

（3）鹽霧試驗(yàn)環(huán)境條件

鹽霧的作用時(shí)間也主要取決于氣候環(huán)境，參照文獻(xiàn)［5］的鹽霧環(huán)境，外部涂層的鹽霧環(huán)境試驗(yàn)條件為：

鹽霧溶液：5% NaCl溶液；

溫度：T=35℃；

試驗(yàn)設(shè)備：DCTD1200P鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱。

2.3 當(dāng)量關(guān)系

（1）溫濕暴露試驗(yàn)

參考CASS譜濕熱暴露時(shí)間（CASS譜濕熱試驗(yàn)7d相當(dāng)于自然環(huán)境老化1 a），確定溫濕加速試驗(yàn)時(shí)間為7d。

（2）紫外照射試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)紫外照射時(shí)間的計(jì)算與式（1）相同，為1 417 h。

（3）鹽霧試驗(yàn)

參照文獻(xiàn)［5］的鹽霧環(huán)境，每周期作用7d，相當(dāng)于在亞熱帶沿海地區(qū)和濕熱地區(qū)服役1 a。

2.4 加速環(huán)境譜

艦上試驗(yàn)的檢測(cè)周期為一個(gè)月，為方便對(duì)比，在每個(gè)試驗(yàn)?zāi)K時(shí)間都上都乘以了1/12的因子，故加速環(huán)境譜1個(gè)循環(huán)相當(dāng)于飛機(jī)在某海域服役1個(gè)月，12個(gè)循環(huán)相當(dāng)于1 a，見圖1。

圖1 涂層加速環(huán)境譜Fig.1 The accelerated test environment spectrum of coating

3 加速環(huán)境譜及當(dāng)量關(guān)系驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述加速環(huán)境譜的可行性與當(dāng)量關(guān)系的準(zhǔn)確性，取艦上自然暴露6個(gè)月與加速試驗(yàn)6周期后的試驗(yàn)件進(jìn)行腐蝕程度對(duì)比。試驗(yàn)件尺寸見圖2，厚度為3.5mm，材料為L(zhǎng)Y12CZ。自然暴露試驗(yàn)6個(gè)月后的試驗(yàn)件形貌見圖3。加速腐蝕6周期后的腐蝕微觀形貌見圖4。

圖2 試驗(yàn)件幾何尺寸Fig.2 Geometry of test piece

圖3 涂層試驗(yàn)件自然暴露6個(gè)月后外觀形貌Fig.3 The morphology of coating after nature test for 6 months

圖4 涂層試驗(yàn)件加速腐蝕6周期后微觀形貌Fig.4 The microstructure of coating after accelerated corrosion test for 6 weeks

由圖3可知，通過艦上暴露試驗(yàn)，涂層并未在宏觀上發(fā)生明顯變化，未發(fā)生涂層開裂及脫落等嚴(yán)重失效現(xiàn)象。圖4為涂層微觀形貌圖，可知涂層并未發(fā)生嚴(yán)重失效，劃痕處也未見腐蝕擴(kuò)展，但通過對(duì)色差測(cè)量知，涂層的色差已發(fā)生較小變化，故選用色差改變量作為腐蝕損傷的量化依據(jù)，對(duì)艦上自然環(huán)境暴露和實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)件進(jìn)行分區(qū)色差數(shù)據(jù)采集，并對(duì)兩組色差改變量參數(shù)進(jìn)行分布驗(yàn)證和來源一致性檢驗(yàn)，若不滿足來源一致性檢驗(yàn)，則選取其他加速周期下色差改變量重新驗(yàn)證，直至滿足來源一致性檢驗(yàn)。

3.1 自然環(huán)境暴露下涂層色差變化及其分布

采用對(duì)自然環(huán)境暴露與實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕環(huán)境中色差的變化 ΔE 值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并剔除異常數(shù)據(jù)，剔除方法采用四分位檢驗(yàn)法中的1.5IQR，超出此限的數(shù)為異常點(diǎn)。利用χ2檢驗(yàn)驗(yàn)證色差變化數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。表2為自然暴露試驗(yàn)后涂層色差的ΔE值，表3為ΔE值的數(shù)據(jù)區(qū)間和χ2值。

表2 自然暴露試驗(yàn)后涂層色差變化Tab.2 Chromatic aberration of coating after nature test

表3 ΔE值的數(shù)據(jù)區(qū)間Tab.3 The data interval ofΔE

ΔE值分為6區(qū)間，計(jì)算得到均值為0.698，方差σA為0.347，χ2=4.474＜χ20.05=7.815，故顯著度水平0.05情況下ΔE值符合正態(tài)分布。

3.2 加速腐蝕試驗(yàn)下涂層結(jié)構(gòu)色差變化及其分布

加速腐蝕6周期后的涂層色差變化如表4所示，數(shù)據(jù)區(qū)間如表5。

表4 加速試驗(yàn)后涂層色差變化Tab.4 Chromatic aberration of coating after accelerated test

表5 ΔE值的數(shù)據(jù)區(qū)間Tab.5 The data interval ofΔE

ΔE值分為6區(qū)間，計(jì)算得到均值為0.523，方差σB為0.375，χ2=7.547＜χ20.05=7.815，故顯著度水平0.05情況下涂層結(jié)構(gòu)色差變化符合正態(tài)分布。

3.3 涂層結(jié)構(gòu)腐蝕當(dāng)量關(guān)系

（a）F檢驗(yàn)

故通過F檢驗(yàn)，兩組帶涂層試驗(yàn)件的色差參數(shù)（實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)與亞丁灣自然環(huán)境暴露試驗(yàn)）在顯著度為0.05情況下方差相同。

（b）t檢驗(yàn)

通過t檢驗(yàn)，兩組涂層結(jié)構(gòu)色差數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)與亞丁灣自然環(huán)境暴露試驗(yàn)）在顯著度為0.05情況下均值相同。

結(jié)果通過F分布和t分布檢驗(yàn)，可得出兩組數(shù)據(jù)的均值和方差在95%置信度下一致，即涂層結(jié)構(gòu)加速腐蝕老化6周期對(duì)色差參數(shù)的影響相當(dāng)于亞丁灣自然環(huán)境暴露6個(gè)月。為使當(dāng)量關(guān)系結(jié)果更具說服力，又對(duì)加速腐蝕12個(gè)周期和自然暴露12個(gè)月的數(shù)據(jù)通過以上方法進(jìn)行檢驗(yàn)，加速腐蝕12周期后的涂層色差數(shù)據(jù)如表6，自然暴露12個(gè)月后涂層色差數(shù)據(jù)如表7。

加速腐蝕環(huán)境下腐蝕12周期涂層色差的均值為2.21，方差為0.95。自然環(huán)境暴露下12個(gè)月涂層色差均值為2.38，方差為1.04。

經(jīng)過F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)兩組數(shù)據(jù)的均值和方差在95%置信度下一致，可以認(rèn)為本文所編制的某海域外部涂層環(huán)境譜及對(duì)應(yīng)的當(dāng)量關(guān)系是合理的。

表6 加速試驗(yàn)后涂層色差變化Tab.6 Chromatic aberration of coating after accelerated test for 12 cycles

表7 自然暴露試驗(yàn)12個(gè)月后涂層色差變化Tab.7 Chromatic aberration of coating after nature test for 12 months

4 結(jié)論

本工作依據(jù)某海域環(huán)境特點(diǎn)及涂層失效環(huán)境因素編制的某海域涂層加速環(huán)境譜可行，所提出的當(dāng)量關(guān)系準(zhǔn)確。本方法可能適合海軍飛機(jī)結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)日歷壽命及涂層的有效性評(píng)估。

［1］張有宏.飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷及其對(duì)壽命的影響［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［2］郭敏驍，封志華，徐偉，等.環(huán)境因素與飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命［J］.裝備環(huán)境工程，2004（5）：73-77.

［3］胡芳友，王茂才，溫景林.沿海飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕與防護(hù)［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2003（2）：97-100.

［4］劉文珽，賀小帆.飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕/老化控制與日歷延壽技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［5］劉文珽，李玉海.飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命體系評(píng)定技術(shù)［M］.北京：航空科學(xué)出版社，2004.

Accelerated Corrosion Enviroment Spectrum of Surface Coating on Helicopter Structure

LIU Cheng-chen，LU Guo-fu，WANG Hao-wei
（China Special Vehicle Research Institute，Jingmen 448035，China）

An accelerated environmental spectrum for the outer coating of helicopter is presented，combined with the environmental features in a certain area and referred to existing research results.The spectrum is composed of hothumid enviroment，ultravillet radiation and salt spray.The method for determining the parameters of every process and the equivalent relation between the accelerated spectrum and the nature environment are presented.The rationality of equivalent relation between the accelerated corrosion enviroment spectrum and the enviroment on the deck was validated by corrosion degree of the coating.

helicopter；coating；accelerated corrosion environmental spectrum；calendar life

TG174.4；V216.5

A

1005-748X（2015）11-1082-04

10.11973/fsyfh-201511015

2014-11-12

海裝“十二五”預(yù)研項(xiàng)目資助（20105010101）

劉成臣（1985-），工程師，碩士，從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)和控制工作，15827884833，liu87295612@163.com