白生寶，肖迎春，劉馬寶，黃博，田媛

（1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究，西安 710065； 2.西安交通大學(xué)，西安 710049）

引言

我國(guó)是一個(gè)海域遼闊的國(guó)家，飛機(jī)的服役環(huán)境十分苛刻，長(zhǎng)期面臨海洋的高溫、高濕、高鹽、高強(qiáng)度太陽輻照等嚴(yán)酷環(huán)境考驗(yàn)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受到這些“四高”環(huán)境的作用，其金屬基體就會(huì)產(chǎn)生腐蝕損傷，在航空領(lǐng)域結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象非常普遍。飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕影響飛機(jī)的正常使用和合理維護(hù)，腐蝕損傷嚴(yán)重時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響到飛機(jī)的使用安全，由于結(jié)構(gòu)腐蝕引發(fā)的安全事故屢見不鮮，研究表明飛機(jī)事故中10~16 %與腐蝕有關(guān)[1-4]。同時(shí)，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的控制及修理費(fèi)用也是非常巨大，美國(guó)空軍腐蝕防護(hù)與控制辦公室研究表明，在空軍基地超過50 %的工作量與腐蝕有關(guān)，由于腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失也是居高不下[5,6]。

飛機(jī)上腐蝕損傷容易產(chǎn)生出現(xiàn)的部位主要集中在機(jī)身、機(jī)翼等結(jié)構(gòu)內(nèi)部和結(jié)構(gòu)連接處，以及機(jī)身密封艙等容易積水的部位。腐蝕具有的隱蔽性，常規(guī)檢測(cè)方法實(shí)施困難，存在局限[7]。

腐蝕損傷隱蔽性強(qiáng)，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)危害性大，并且維護(hù)費(fèi)用高，因此對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和擴(kuò)展監(jiān)控一直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[8-10]。國(guó)內(nèi)針對(duì)腐蝕損傷監(jiān)測(cè)需求，先后開展了基于光纖光柵、基于線性極化、阻抗、導(dǎo)波等傳感器技術(shù)的腐蝕損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)技術(shù)研發(fā)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試[11-15]。相較而言，智能涂層傳感器具有重量輕、尺寸小、靈敏度高、易于結(jié)構(gòu)集成等特點(diǎn)；基于智能涂層傳感器的監(jiān)測(cè)技術(shù)具有監(jiān)測(cè)參量單一、信息直觀、識(shí)別算法和診斷判據(jù)容易構(gòu)建和確定等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于智能涂層的腐蝕損傷監(jiān)測(cè)方法在飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力，容易實(shí)現(xiàn)飛機(jī)易發(fā)生腐蝕且不可達(dá)部位腐蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

本文針對(duì)西安交通大學(xué)研發(fā)的智能涂層傳感器特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了航空常用金屬材料試驗(yàn)件，通過腐蝕環(huán)境實(shí)驗(yàn)，對(duì)其監(jiān)測(cè)腐蝕的可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基于智能涂層的腐蝕監(jiān)測(cè)方法

1.1 智能涂層監(jiān)測(cè)傳感器及系統(tǒng)

智能涂層傳感器是利用納米技術(shù)對(duì)飛機(jī)廣泛使用的高性能防腐涂層進(jìn)行物理改性，采用特殊工藝制成具有“隨附損傷特性”、絕緣性、電參量可測(cè)試性—三位一體的智能涂層傳感器[16,17]（如圖1所示）。

圖1 智能涂層傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

腐蝕監(jiān)測(cè)的智能涂層分為三部分，既驅(qū)動(dòng)層，傳感層和保護(hù)層。驅(qū)動(dòng)層主要是納米化的鋅黃底漆，驅(qū)動(dòng)層的作用就是傳導(dǎo)基體表面行為和電絕緣，從而使得傳感層能夠正常工作，產(chǎn)生電阻變化信號(hào)。腐蝕監(jiān)測(cè)的傳感層既要感知由于驅(qū)動(dòng)層破壞引起的傳感層電阻變化，又要能夠感知由于傳感層腐蝕造成的電阻變化；保護(hù)層位于智能涂層的最外層，對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，可以采用飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)常規(guī)的表面防護(hù)措施。

智能涂層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、信號(hào)采集以及信息處理模塊。圖2為西安交通大學(xué)研發(fā)的智能涂層結(jié)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[16,17]。

圖2 智能涂層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 基于智能涂層的腐蝕監(jiān)測(cè)原理

當(dāng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕時(shí)，安裝在結(jié)構(gòu)上的智能涂層傳感器電阻值就會(huì)發(fā)生變化。通過智能涂層傳感器電阻值的變化，可以映射出結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的情況。因此，智能涂層傳感器的電阻變化量可以表征飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面腐蝕損傷情況，對(duì)智能涂層傳感器電阻變化量進(jìn)行采集和分析，就可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的監(jiān)測(cè)和診斷，從而及時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別和監(jiān)控飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕。

在腐蝕監(jiān)測(cè)過程中，當(dāng)飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)腐蝕引起涂層破壞時(shí)，因?yàn)闆]有循環(huán)閉合張開情況，在腐蝕發(fā)生的初期，智能涂層的電阻呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢(shì)。腐蝕的后期，由于涂層破壞嚴(yán)重，電阻急劇增大，并且呈現(xiàn)不規(guī)律性。由于腐蝕是一個(gè)緩慢過程，傳感器電阻在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生突變。

2 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)件及傳感器安裝

實(shí)驗(yàn)件采用航空常用鋁合金LY12CZ和30CrMnSi材料制作。智能涂層傳感器為西安交通大學(xué)研發(fā)，為單圈式環(huán)形監(jiān)測(cè)傳感器。采用航空材料專用粘結(jié)劑將智能涂層傳感器安裝在實(shí)驗(yàn)件上，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)件及傳感器安裝示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)室鹽霧環(huán)境試驗(yàn)

首先調(diào)試鹽霧試驗(yàn)箱，確保其能夠正常工作，鹽霧試驗(yàn)箱為無錫蘇南試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，如圖4所示。然后將安裝好智能涂層傳感器的F1（LY12CZ）和F2（30CrMnSi）兩組共4件試件放入鹽霧試驗(yàn)箱(如圖5所示)。試驗(yàn)箱中溫度設(shè)定為35 ℃，飽和空氣溫度設(shè)定為38 ℃，進(jìn)氣壓力控制在0.4 MPa，噴霧壓力控制在0.07~0.17 MPa，鹽水含鹽量為5 %。放置角度為30 °。腐蝕過程為連續(xù)96 h噴霧。腐蝕過程中每24 h采用西北工業(yè)大學(xué)研制PD12電爆電路測(cè)試儀（精確到10-3Ω）測(cè)量智能涂層傳感器電阻值變化，48 h和96 h后并對(duì)試件整體進(jìn)行拍照。

圖4 鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱

圖5 試件在放置情況

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過兩個(gè)96 h的連續(xù)加速腐蝕過程，LY12CZ鋁合金和30CrMnSi鋼試件都發(fā)生了不同程度的腐蝕，試驗(yàn)過程中對(duì)智能涂層傳感器電阻變化進(jìn)行了采集，見表1所示。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，30CrMnSi鋼結(jié)構(gòu)腐蝕較為嚴(yán)重，表面已經(jīng)被銹蝕完全覆蓋；鋁合金腐蝕程度較輕，表面也出現(xiàn)了腐蝕斑。30CrMnSi鋼的腐蝕包括銹蝕和電化學(xué)腐蝕，LY12CZ鋁合金的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，所以30CrMnSi鋼的表面充滿了銹蝕產(chǎn)物，而鋁合金表面出現(xiàn)暗斑，點(diǎn)蝕，表面光澤下降，試件和整體腐蝕情況見圖6、7。

圖6 F1組試件腐蝕變化全貌

表1 腐蝕試驗(yàn)傳感器電阻值變化

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前飛機(jī)腐蝕監(jiān)控需求，對(duì)基于智能涂層的飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明智能涂層傳感器電阻值的變化基本能反映腐蝕過程趨勢(shì)，可以通過智能涂層傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)表面腐蝕情況，基于智能涂層的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕實(shí)時(shí)監(jiān)控的有效技術(shù)途徑。但傳感器本身的耐腐蝕性、可靠性還需進(jìn)一步提升。

圖7 F2組試件腐蝕變化全貌