基于电化学阻抗的直升机涂层日历寿命评估方法

李健，吴云章，李伯舒，高延达

（1.陆军航空兵研究所，北京101121；2.陆军航空装备引进办公室，北京100020）

装备通用质量特性及寿命评估

基于电化学阻抗的直升机涂层日历寿命评估方法

李健1，吴云章1，李伯舒2，高延达1

（1.陆军航空兵研究所，北京101121；2.陆军航空装备引进办公室，北京100020）

目的研究直升机涂层在使用过程中的日历寿命评估方法。方法分析影响直升机涂层日历寿命的主要因素，给出涂层日历寿命分散性和差异性的原因，确定关键评估技术。以某型高原直升机涂层日历寿命评估为例，开展8个周期的加速试验，选取电化学阻抗模值（|Z|f=0.1Hz）描述涂层性能退化失效过程。结果涂层电化学阻抗模值与加速周期满足函数关系。结论应力疲劳影响涂层性能退化，在环境因素和较高局部应力共同作用下，涂层性能退化更明显。该涂层性能不满足6年高原日历寿命。

涂层；日历寿命；直升机；性能退化

直升机寿命一般指机体结构寿命，包括基于飞行使用载荷的疲劳寿命和基于腐蚀介质环境作用的日历寿命[1]。两者缺一不可，以先到者确定直升机到寿。由直升机外场使用统计数据知，翻修期和日历寿命到寿时飞行疲劳寿命还有很大的余量。因此，直升机日历寿命的评估至关重要。直升机处于腐蚀环境中，腐蚀因素多、耦合作用，很难有一套完整的日历寿命理论和工程应用方法。直升机金属机件参照文献[2]依据法拉第定律和金属腐蚀影响因素给出的金属腐蚀损伤日历寿命计算公式进行计算。

直升机机体铝合金(LY12CZ)承力件不仅有表面阳极化膜、还涂有底漆或底漆加面漆(或胶)。涂层起到隔离环境介质与基体金属发生化学或电化学反应的作用,只有涂层失效后,基体金属才开始腐蚀。因此，直升机涂层日历寿命[3]的研究非常有必要。

涂层对直升机结构抵抗环境腐蚀有着举足轻重的作用。涂层遭受太阳辐射、降水、氧及离子等环境因素和力学载荷的作用，周期性的湿热使其在金属表面周期性的收缩或膨胀而发生疲劳。界面处的水分子进入涂层/金属界面、金属内部，导致涂层附着力的持续降低，涂层性能退化、脱落失效，导致金属基体腐蚀，最终导致结构腐蚀失效。

直升机涂层外场服役环境失效周期长、过程复杂，很难通过现场跟踪试验开展研究。文中探讨直升机涂层日历寿命及评估关键技术，以高原环境直升机涂层日历寿命为例，以涂层的特定频率电化学阻抗模值为参数实现直升机涂层性能退化、日历寿命评定技术。

1 直升机涂层日历寿命评估的关键技术

图1 直升机涂层日历寿命与直升机日历寿命的关系

直升机涂层和金属机件在实际使用过程中经历的停放/使用环境相同，很难根据外场和目视直接判断涂层的日历寿命。因此，与金属腐蚀日历寿命[4]相似需解决以下三个技术参数和相关的技术内容及解决方法：涂层性能退化容限DC；使用环境谱；性能退化曲线。

影响其日历寿命的腐蚀介质成分也很多，如图2所示。直升机日历寿命问题面临着长周期、多区域、多因素耦合作用，属于多学科多部门共同完成的复杂系统工程[5]。目前国内外常用的方法是把复杂环境下的诸多腐蚀介质成分简化成很少的几种介质成分，或用少数介质成分代替，进行日历寿命试验[6—7]。

图2 环境对直升机日历寿命的作用

2 直升机涂层日历寿命评估方法

2.1 涂层腐蚀的失效判据

涂层腐蚀的失效判据：涂层破裂，使金属本体裸露；涂层表面大面积起泡，起泡处在正常环境下不能恢复原状；电化学阻抗谱（EIS）测试技术量化评估涂层性能退化失效过程[8]。

基于外场目视的前两种判据不能定量地描述涂层的失效。文献[9—10]给出了涂层失效判据的研究结果，在户外暴露或户内加速试验过程中涂层试样特定频率电化学阻抗模值|Z|f=0.1Hz小于3×106Ω时（该铝合金基材的阻抗模值），铝合金已经开始腐蚀，由此认定|Z|f=0.1Hz＜3×106Ω为有机涂层开始失效的判据。

2.2 环境谱

直升机涂层与机体共同处于相同的环境中，其日历寿命包括地面停放时间和空中飞行时间，且地面停放时间小于总寿命时间的97%，直升机平时飞行高度为离地1000～2000 m，只有少数极限条件接近6000 m。因此，空中飞行环境与地面停放环境，除了应力作用外，腐蚀环境因素基本接近，作用1个周期约相当于外场实际暴露1年。根据高原机场环境数据[11—12]，借鉴当量加速关系，针对CASS谱中的温度模块和紫外模块进行修正。

1）温度交变试验谱。拉萨自然环境试验站近5年观测的最高气温为32.0℃，最低气温为－20.0℃。按照GJB 150和实测数据设置，温度交变子试验的最高温度设置为35℃，保温2 h，最低温度设置为－20℃，保温2 h。

2）紫外照射试验谱。针对直升机机身下表面蒙皮和桨叶上表面紫外辐射量，先确定拉萨地区年均紫外辐射量，通过相似比例的方法确定有效作用于蒙皮的紫外辐射量，并与辐射箱转换计算，得到试验紫外线辐射谱：辐照强度Q=(60±10)W/m2，温度t= (55±10)℃，时间为192 h。

3）周期浸润试验谱。周期浸润试验谱由“当量折算法”确定[6,13]，并根据拉萨地区实际环境中大气污染物含量实测数据和作用时间对GJB 150周期浸润模块进行修正。得到该机场条件下的周期浸润试验谱。

4）疲劳试验谱。轴向恒幅试验载荷应力水平需要根据直升机实际服役受力状态确定，通过关键部位使用1年对应的应力谱向最大应力水平进行当量折算。某进口型直升机蒙皮应力水平参考国内同类型直升机设计水平和美国F-18飞机设计疲劳试验，应力水平定为（σmax，σmin）=（110，20）MPa，作用次数依据直升机年平均起落次数为500次。

最终确定蒙皮室内加速谱见表1。旋翼实际飞行过程中面临着挥舞、摆振、变距等问题，桨叶的疲劳应力及三维状态难以测算，试验也难以模拟其空中飞行状态。文中去掉疲劳试验模块，考察其性能退化规律，得桨叶室内加速谱见表2。

表1 蒙皮高原环境实验室加速试验谱

表2 桨叶高原环境实验室加速试验谱

2.3 试验件制作

蒙皮试验件选择直升机常用材料LY12CZ进行表面阳极化，喷涂锌黄环氧底漆H06-2+丙烯酸聚氨酯漆SB04-1涂层，按照“蒙皮+铆钉”和“蒙皮+螺钉”进行装配，共3件，如图3所示。桨叶试验件采用未使用的桨叶后段件，沿桨叶长度方向截取130 mm，宽度方向140 mm（从叶尖开始）的试验段，按实际工艺进行喷漆，共3件，如图4所示。

图3 蒙皮试验件结构

图4 截断桨叶试验件

3 直升机涂层日历寿命试验

委托北京航空材料研究院进行试验件试验、测试[12,14—15]，在外场可观测到腐蚀产物和起泡、开裂、剥落、基体腐蚀、失光、粉化、泛金等现象。可采用Nikon D50数码相机在荧光灯下对试验件表面的宏观腐蚀现象进行拍照记录，如图5所示。在看到此现象之前，涂层性能已经发生老化失效，使用Princeton Applied Research Model 273A恒电位仪和Signal Recovery 5210锁相放大器进行电化学阻抗测试。

图5 蒙皮试验件上表面连接部位腐蚀照片

在经历1～8个周期加速试验后，蒙皮试验件螺钉区域的特定频率（0.1 Hz）电化学阻抗模值见表3；铆钉中间区域特定频率电化学阻抗模值见表4。与原始情况相比，涂层的电化学阻抗模值均有大幅度下降。与螺钉结构的情况相比，铆钉结构有机涂层电化学阻抗模值有明显的下降，且下降幅度较大。在环境因素和较高的局部应力共同作用下，涂层性能退化更为明显。3#试验件涂层性能在第6个周期结束时，接近电化学阻抗模值失效判据；第8个周期结束时，低于失效判据一个数量级，完全失效。取表3和表4中特定频率电化学阻抗模值作为衡量指标，通过拟合分析知，ln|Z|f=0.1Hz与加速周期T呈现线性关系，拟合函数为：

表3 蒙皮试验件上表面螺钉区域特定频率电化学阻抗模值

表4 蒙皮试验件上表面铆钉区域特定频率电化学阻抗模值

桨叶后段件试验件的电化学阻抗模值见表5；在经过8个周期的温度交变、紫外辐射和周期浸润试验，其防护性能未发生显著降低。8个周期后性能指标仅降低一个数量级。

表5 桨叶后段件试验件上表面特定频率电化学阻抗模值

取表5特定频率电化学阻抗模值作为衡量指标，通过拟合分析知，ln|Z|f=0.1Hz与加速周期T呈现线性关系，拟合函数为：

式（2）反应了涂层未加疲劳试验的性能退化规律，与式（1）相比，斜率明显小很多，数据退化缓慢。表明环境因素和应力疲劳共同作用对涂层性能、日历寿命影响更大。

4 结论

1）给出了直升机涂层日历寿命评估的关键技术。涂层在制备和加速试验过程中均表现出分散性，涂层的日历寿命也具有分散性。

2）针对直升机涂层开展日历寿命评估研究，以某高原直升机为例，开展评估对比试验。应力疲劳对涂层性能影响大。在环境因素和较高的局部应力共同作用下，涂层性能退化明显。

3）电化学阻抗模值与加速老化周期之间满足函数关系，即涂层的性能退化曲线可以用函数式进行表达。

4）依据涂层电化学阻抗模值，该直升机涂层在高原区域的日历寿命为6～8年。为安全起见，应取6年进行控制。

[1]张栋.确定飞机机体日历寿命的方法[J].航空学报, 1999,20(6):558—561.

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[3]张福泽.金属涂层的日历寿命计算公式和试验方法[J].航空学报,2016,37(2):390—396.

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[5]蒋祖国.飞机结构腐蚀疲劳[M].北京:航空工业出版社,1992:20—90.

[6]张福泽.飞机停放日历寿命腐蚀温度谱的编制方法和相应腐蚀介质的确定[J].航空学报,2001,22(4):359—361.

[7]张福泽,叶序彬,宋军.飞机日历寿命试验的介质成分确定和加速方法[J].航空学报,2008,29(4):873—879.

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[14]骆晨,李宗原,孙志华.直升机旋翼桨叶有机涂层防护性能在户内加速试验中的变化[J].装备环境工程, 2016,13(1):1—7.

[15]骆晨,李宗原,孙志华.直升机蒙皮典型结构有机涂层防护性能在模拟高原大气环境中的变化[J].装备环境工程,2017,13(3):8—13.

Estimate Method for Calendar Life of Helicopter′s Coating Based on Electrochemical Impedance

LI Jian1,WU Yun-zhang1,LI Bo-shu2,GAO Yan-da1
(1.Army Aviation Research Institute,Beijing 101121,China; 2.Army Aviation Equipment Import Office,Beijing 100020,China)

ObjectiveTo study the estimate method for calendar life of helicoper’s coating during application.MethodsThe main factors affecting calendar life of helicopter’s coating were analyzed.The reasons for dispersibility and difference of the coating were given.The key estimate technology was determined.The assessment on the calendar life of a plateau helicoper’s coating was taken as an example to carry out 8 cycles of accelerated testing to select electrochemical impedance modulus(|Z|f=0.1Hz)to describe the performance degradation process of the coating.ResultsElectrochemical impedance modulus and accelerating cycles met the function relationshipConclusionsStress fatigue affects the performance degradation of coating.Under the combined action of the environmental factors and higher local stress,the performance degradation of coating is obvious.This coating’s performance does not satisfy the 6 years of calendar life in the Plateau’s Parking Environment.

coating;calendar life;helicopter;performance degradation

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.016

TJ85；TG174.4

A

1672-9242(2017)07-0079-04

2017-04-26；

2017-05-17

李健（1974—），男，北京人，硕士，高级工程师，主要研究方向为直升机日历寿命和可靠性等。