直升机结构外部涂层在海洋环境中的加速环境谱研究

直升机结构外部涂层在海洋环境中的加速环境谱研究

刘成臣，鲁国富，王浩伟
（中国特种飞行器研究所，荆门448035）

针对某海域环境特点，参考国内外环境谱编制方面的技术成果，提出了适合某海域服役直升机外部涂层的加速环境谱。该谱由湿热暴露、紫外光照、盐雾三个环境模块组成。给出了各环境模块试验条件的确定方法和与舰面环境实际暴露时间的当量关系。通过典型铝合金件的试验室加速试验和舰面暴露试验对比，验证了该加速谱的合理性与当量关系的准确性。

直升机；涂层；环境谱；日历寿命

直升机在护航期间一直处于高温、高湿的海洋环境下，铝合金作为直升机的主体结构材料遭受盐雾、飞溅海水以及干/湿交替循环侵蚀，腐蚀威胁严重，极大的影响了飞机的结构寿命［1-4］。为提高铝合金的防护性能，一般会采用涂层，涂层失效将会使金属基体暴露在海洋环境中，导致基体腐蚀从而影响飞行安全。因此在飞机日历寿命评定时，开展腐蚀关键件涂层有效性评定是不可或缺的步骤［5］。

我国军机寿命一般在25 a左右，在自然环境中评估涂层的有效性需要很长的周期，无法满足工程研制需求，因此必须采用加速腐蚀试验的方法，以期在短时间内达到评估飞机服役若干年后涂层防腐性能的目的。而加速环境谱的编制和加速试验时间与外场暴露年限的当量关系的确定是日历寿命评定的重要前提。

本工作以课题组采集的某海域环境数据编制了涂层加速环境谱并确定了当量关系，在护航舰面开展了自然暴露试验的同时在试验室条件下开展了加速腐蚀试验，并通过自然暴露试验与加速试验的对比对加速环境谱和当量关系的准确性进行了验证。

1 某海域环境特点

表1为课题组通过卫星反演技术获得的某海域14 a间的年均温湿度谱。实测数据显示该海域年均太阳总辐射量为Q=4 687 MJ·m2，年均太阳辐射强度为Qz=306 W/m2，其中紫外线含量为6.53%。由表1可知，该海域温度长期保持在30℃左右，湿度保持在70%左右，属于典型的高温高湿环境。

2 涂层加速环境谱编制

2.1 环境谱基本构成

分析某海域服役环境特点，在该海域服役飞机涂层主要受海洋大气中的盐雾、高温高湿环境以及阳光中的紫外线影响，同时借鉴国外飞机涂层加速试验的经验［5］，选取湿热暴露试验、紫外老化试验、盐雾试验三个谱块组成加速试验谱。

表1 某海域年均温-湿度谱Tab.1 Average annual temperature-humidity spectrum in certain sea area

2.2 各环境模块试验参数

（1）温湿暴露试验环境条件

湿热环境基本取决于气候条件。由于某海域其温度、湿度环境与美国舰载机服役的海洋环境类似，故采用美国舰载机的加速环境谱CASS谱中温湿度谱块的试验条件［5］，即温度为43 ℃；相对湿度为95%～100%；试验设备为 H1200C 温湿交变试验箱。

（2）紫外照射试验环境条件

紫外作用时间取决于紫外试验箱中试验件表面上的紫外辐射强度和外场真实环境中一个暴露周期接受的紫外辐射量。当试验箱紫外线辐射强度60 W/m2，外场真实环境的暴露周期平均紫外辐射强度为Qz时，每个试验周期所需的紫外线照射时间为：

某海域年均紫外总辐射强度为306 MJ/m2，可得：

即紫外照射子试验作用时间为1 417 h。

紫外照射造成的涂层老化还与光照温度有关，本文参考GB 2424取T=（55±10）℃。

（3）盐雾试验环境条件

盐雾的作用时间也主要取决于气候环境，参照文献［5］的盐雾环境，外部涂层的盐雾环境试验条件为：

盐雾溶液：5% NaCl溶液；

温度：T=35℃；

试验设备：DCTD1200P盐雾腐蚀试验箱。

2.3 当量关系

（1）温湿暴露试验

参考CASS谱湿热暴露时间（CASS谱湿热试验7d相当于自然环境老化1 a），确定温湿加速试验时间为7d。

（2）紫外照射试验

试验时紫外照射时间的计算与式（1）相同，为1 417 h。

（3）盐雾试验

参照文献［5］的盐雾环境，每周期作用7d，相当于在亚热带沿海地区和湿热地区服役1 a。

2.4 加速环境谱

舰上试验的检测周期为一个月，为方便对比，在每个试验模块时间都上都乘以了1/12的因子，故加速环境谱1个循环相当于飞机在某海域服役1个月，12个循环相当于1 a，见图1。

图1 涂层加速环境谱Fig.1 The accelerated test environment spectrum of coating

3 加速环境谱及当量关系验证

为验证上述加速环境谱的可行性与当量关系的准确性，取舰上自然暴露6个月与加速试验6周期后的试验件进行腐蚀程度对比。试验件尺寸见图2，厚度为3.5mm，材料为LY12CZ。自然暴露试验6个月后的试验件形貌见图3。加速腐蚀6周期后的腐蚀微观形貌见图4。

图2 试验件几何尺寸Fig.2 Geometry of test piece

图3 涂层试验件自然暴露6个月后外观形貌Fig.3 The morphology of coating after nature test for 6 months

图4 涂层试验件加速腐蚀6周期后微观形貌Fig.4 The microstructure of coating after accelerated corrosion test for 6 weeks

由图3可知，通过舰上暴露试验，涂层并未在宏观上发生明显变化，未发生涂层开裂及脱落等严重失效现象。图4为涂层微观形貌图，可知涂层并未发生严重失效，划痕处也未见腐蚀扩展，但通过对色差测量知，涂层的色差已发生较小变化，故选用色差改变量作为腐蚀损伤的量化依据，对舰上自然环境暴露和实验室加速腐蚀试验件进行分区色差数据采集，并对两组色差改变量参数进行分布验证和来源一致性检验，若不满足来源一致性检验，则选取其他加速周期下色差改变量重新验证，直至满足来源一致性检验。

3.1 自然环境暴露下涂层色差变化及其分布

采用对自然环境暴露与实验室加速腐蚀环境中色差的变化 ΔE 值进行统计，并剔除异常数据，剔除方法采用四分位检验法中的1.5IQR，超出此限的数为异常点。利用χ2检验验证色差变化数据符合正态分布。表2为自然暴露试验后涂层色差的ΔE值，表3为ΔE值的数据区间和χ2值。

表2 自然暴露试验后涂层色差变化Tab.2 Chromatic aberration of coating after nature test

表3 ΔE值的数据区间Tab.3 The data interval ofΔE

ΔE值分为6区间，计算得到均值为0.698，方差σA为0.347，χ2=4.474＜χ20.05=7.815，故显著度水平0.05情况下ΔE值符合正态分布。

3.2 加速腐蚀试验下涂层结构色差变化及其分布

加速腐蚀6周期后的涂层色差变化如表4所示，数据区间如表5。

表4 加速试验后涂层色差变化Tab.4 Chromatic aberration of coating after accelerated test

表5 ΔE值的数据区间Tab.5 The data interval ofΔE

ΔE值分为6区间，计算得到均值为0.523，方差σB为0.375，χ2=7.547＜χ20.05=7.815，故显著度水平0.05情况下涂层结构色差变化符合正态分布。

3.3 涂层结构腐蚀当量关系

（a）F检验

故通过F检验，两组带涂层试验件的色差参数（实验室加速试验与亚丁湾自然环境暴露试验）在显著度为0.05情况下方差相同。

（b）t检验

通过t检验，两组涂层结构色差数据（实验室加速试验与亚丁湾自然环境暴露试验）在显著度为0.05情况下均值相同。

结果通过F分布和t分布检验，可得出两组数据的均值和方差在95%置信度下一致，即涂层结构加速腐蚀老化6周期对色差参数的影响相当于亚丁湾自然环境暴露6个月。为使当量关系结果更具说服力，又对加速腐蚀12个周期和自然暴露12个月的数据通过以上方法进行检验，加速腐蚀12周期后的涂层色差数据如表6，自然暴露12个月后涂层色差数据如表7。

加速腐蚀环境下腐蚀12周期涂层色差的均值为2.21，方差为0.95。自然环境暴露下12个月涂层色差均值为2.38，方差为1.04。

经过F检验和t检验两组数据的均值和方差在95%置信度下一致，可以认为本文所编制的某海域外部涂层环境谱及对应的当量关系是合理的。

表6 加速试验后涂层色差变化Tab.6 Chromatic aberration of coating after accelerated test for 12 cycles

表7 自然暴露试验12个月后涂层色差变化Tab.7 Chromatic aberration of coating after nature test for 12 months

4 结论

本工作依据某海域环境特点及涂层失效环境因素编制的某海域涂层加速环境谱可行，所提出的当量关系准确。本方法可能适合海军飞机结构外部结构日历寿命及涂层的有效性评估。

［1］张有宏.飞机结构的腐蚀损伤及其对寿命的影响［D］.西安：西北工业大学，2007.

［2］郭敏骁，封志华，徐伟，等.环境因素与飞机结构寿命［J］.装备环境工程，2004（5）：73-77.

［3］胡芳友，王茂才，温景林.沿海飞机铝合金结构腐蚀与防护［J］.腐蚀科学与防护技术，2003（2）：97-100.

［4］刘文珽，贺小帆.飞机结构腐蚀/老化控制与日历延寿技术［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［5］刘文珽，李玉海.飞机结构日历寿命体系评定技术［M］.北京：航空科学出版社，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

海装“十二五”预研项目资助（20105010101）

刘成臣（1985-），工程师，硕士，从事飞机结构腐蚀防护和控制工作，15827884833，liu87295612@163.com