航空金属材料仿真加速腐蚀试验环境谱编制方法研究

刘治国 ， 齐 阳 ， 李旭东

（海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041）

0 引言

航空装备结构材料在服役过程中受服役典型环境因素作用而产生腐蚀失效，该腐蚀失效行为受多种服役环境因素综合作用，而非单一介质单独作用，多种服役环境因素的综合作用可以采用环境谱[1-2]表示。环境谱通常指的是航空装备所受到温度、湿度、雨露等气象环境因素以及Cl－、S2－、飘尘等化学环境因素与时间的联合作用及每种环境因素的强度、持续时间、发生频率以及它们的组合结果。对于航空装备而言，根据其使用规律，其受到的环境谱主要分为空中飞行环境谱和地面停放环境谱[3-4]，其中对航空装备结构材料腐蚀失效行为起主导作用的是地面停放环境谱。对舰载航空装备而言，根据其驻舰情况，分析其腐蚀失效行为还需要考虑舰面停放环境谱。

在航空装备研制过程中，为考核/提高其典型环境适应性，在具体国军标考核之外，还需要在实验室内进行装备的典型材料/结构/涂层体系的环境考核试验。为缩短考核周期、降低研究经费并真实再现装备服役过程中的典型环境历程，目前国内外采取的主要方法是设计、编制航空装备典型结构材料的仿真加速腐蚀试验环境谱[5-6]，依据该加速腐蚀试验环境谱，开展腐蚀试验，依据试验结果，考核/评估/再现航空装备服役环境下腐蚀失效行为过程，并提出具体的设计/制造改进措施。上述方法体系的核心是仿真加速腐蚀试验环境谱的设计与编制，其中涉及航空装备服役环境数据的获取、统计分析、简化处理以及典型环境数据当量折算计算等过程。

为此，本研究结合某型机机翼铝合金材料环境适应性研究，对该型飞机停放环境下大量环境数据进行筛选、简化处理与统计分析，编制停放环境谱，并基于等腐蚀损伤当量关系理论[7-8]对停放环境谱进行当量加速，设计与编制该型机机翼主体铝合金材料仿真加速腐蚀失效试验环境谱。通过上述工作，系统地阐述航空装备结构材料仿真加速腐蚀试验环境谱的编制方法，为相关型号材料/结构/涂层体系的环境适应性研究提供理论借鉴思路。

1 机场停放环境谱

仿真加速腐蚀试验环境谱的设计与编制，其母体根据是航空装备的服役环境，因而首先对其服役环境进行分析。航空装备根据实际使用需求及使用规律，需周期性地在典型驻屯机场执行作训任务，除飞行时间外主要在机场停放，舰载航空装备还需在舰面条件下停放。航空装备在停放环境下的腐蚀失效是一个涉及多因素、多步骤的复杂系统，其影响环境因素包括温度、湿度、介质成分（SO2、Cl－、NO2等）、降水（含降雨、雾、凝露等）、降尘、干湿交替状态和交替频次等。环境因素对其腐蚀失效行为的作用强弱规律不同[9-10]，因而部分环境因素是腐蚀失效行为主要诱因，其他因素是腐蚀失效行为次要诱因，应结合文献[11]中方法对环境因素进行筛选，进而编制停放环境谱。

1.1 服役机场环境因素选取设计

根据航空装备金属材料电化学腐蚀机制以及文献[11-13]中灰色关联计算分析结果，影响航空装备铝合金材料腐蚀失效行为的气象环境因素主要包括雾日数、湿度、降雨、温度以及凝露，化学环境因素主要包括Cl－浓度、大气中SO2浓度、雨水中Cl－含量、雨水中。据此，以某南方军用机场为例，筛选该型航空装备典型服役机场环境因素，用于其机场停放环境谱编制。

1.2 服役机场环境因素简化处理设计

筛选得到的多个气象环境因素、化学环境因素在单个日历年中作用过程漫长，某些情况下，若该环境因素低于某一阈值，则其对铝合金结构腐蚀失效不起作用，因而需对筛选的环境因素进行简化处理，保留其对腐蚀失效起作用的时间。根据文献[1, 14]中方法，不同环境因素简化处理原则不同，具体为：1）相对湿度，取RH≥60%时间；2）温度，T≥0 ℃，并分为7 个区段：0～10、10～15、15～20、20～25、25～30、30～35、35 ℃以上；3）凝露，统计其作用时间，计入RH≥60%时间；4）降雨，统计其作用时间与次数，计入RH≥60%时间；5）雾，统计其作用时间，计入RH≥60%时间；6）化学介质，统计Cl－、SO2浓度年均值和作用时间。

1.3 机场停放环境谱编制

依据1.1 和1.2 中方法、原则进行筛选、简化，量化计算机场多年各环境数据作用时间，编制机场环境因素月谱、年谱，在此基础上进行统计处理，得到具有一定置信度的环境因素平均谱和累积年谱，即机场停放环境谱，主要由不同温度下的雨谱、雾露谱和温湿谱构成，具体数据处理过程如图1 所示，编制得到的主要环境因素谱和停放环境谱分别如表1～表4 所示。

图 1 环境谱编制框图Fig.1 Flow chart of environment spectrum preparation

表 1 机场雨谱Table 1 Rain spectrum of airport

表 2 机场雾、露谱Table 2 Fog and dew spectrum of airport

表 3 机场温、湿度谱Table 3 Temperature and humidity spectrum of airport h

表 4 机场地面停放环境谱Table 4 Environment spectrum of airport

若航空装备为舰载型，则其停放环境谱还需考虑其停放舰面过程中相关环境因素作用历程，并与机场停放环境谱相类似，统计分析确定典型海域环境数据的作用强度、持续时间、发生频率及它们的组合作用结果，设计与编制舰载机舰面停放环境谱，此内容在此不做详述。

2 仿真加速腐蚀试验环境谱设计

仿真加速腐蚀试验环境谱的设计原则应依据航空装备材料腐蚀失效机理[11-13]和等腐蚀损伤当量折算原理[7-8,15-17]进行，目的是突出腐蚀的加速性，具体设计应遵循以下几个原则：1）与航空装备停放环境谱保持严格的腐蚀损伤等当量关系；2）用加重环境腐蚀因素的方法，如提高环境温度、湿度及介质浓度，提高腐蚀电流，降低腐蚀失效作用时间，以达到加速试验过程、减少试验时间目的；3）仿真加速腐蚀试验环境谱尽量简化，以保证实验室内试验环境易于实现与控制。

具体而言，为了减少腐蚀试验时升温、降温、加湿、脱湿等技术要求所需用的试验时间，应当把不同温度和湿度条件下的作用时间折算到同一温度和相对湿度上；同一种材料在不同腐蚀环境介质中的腐蚀失效时间，要通过当量关系转化到同一种腐蚀介质上来，以便简化仿真加速腐蚀试验环境谱构成，便于实验室内腐蚀试验条件的实现与控制。综上，设计确定仿真加速腐蚀试验环境谱基本构成如下：

1）湿热环境：RH=90%、温度T=40 ℃的高温、潮湿空气，模拟停放环境中的湿热环境作用；

2）介质环境：Cl－和S2－介质，5%（质量分数）NaCl 水溶液掺入稀H2SO4，使其pH=4±0.2，模拟停放环境中的盐雾和含SO2工业废气或酸雨的作用；

3）载荷环境：高载预拉伸，模拟飞行中较大振动载荷对结构表面，特别是铆钉、紧固件与孔连接处涂层的作用，此时相关结构产生相对变形，部分涂层粘附力下降，涂层开裂从而丧失对材料表面的腐蚀防护作用。

3 仿真加速腐蚀试验环境谱编制

设计好仿真加速腐蚀试验环境谱环境因素构成后，应将机场停放环境谱中的温湿度谱、雨谱、雾及凝露谱采用当量折算方法[7-8,15-17]进行折算计算，具体材料于不同环境介质下的当量折算系数应开展电化学试验[18-19]获取。本研究采用已获取的铝合金材料于不同温湿度、不同介质浓度下的当量折算系数对1.3 节中的机场停放环境谱折算，得到一个仿真加速腐蚀试验环境谱的作用周期（机场环境腐蚀失效1 a）t=23.26 min，其中，溶液中浸泡时间t浸泡=6.05 min，溶液外烘烤时间t烘烤=17.21 min。

上述过程为机场停放环境谱一个日历年限下的当量折算结果。但实际上，航空装备每年有一定的空中飞行时间，空中飞行过程应忽略地面停放环境对航空装备铝合金结构材料腐蚀失效的影响。根据航空装备使用规律，初步确定其年飞行强度为350 h，则在上述当量折算过程中，应当扣除空中飞行的350 h，因此应对上述计算得到的当量折算结果进行加权修正，扣除飞行时间的加权系数为：

则机场停放环境谱折算的仿真加速腐蚀试验环境谱为：

其中，溶液中浸泡时间t机场浸泡=5.81 min，溶液外烘烤时间t机场烘烤=16.52 min。

加速腐蚀环境谱中的干湿交表次数为表4 中雾和凝露及雨的作用次数之和，N=88.3+105.8≈194 次。即仿真加速腐蚀t=22.33×194÷60=72.2 h（约为3 d），相当于该型航空装备铝合金结构材料于机场环境在一个日历当量年（扣除空中飞行350 h）所遭受的环境腐蚀作用。

仿真加速腐蚀试验环境谱如图2 所示。

图 2 7B04 铝合金材料仿真加速腐蚀失效试验环境谱Fig.2 Accelerated corrosion test spectrum of 7B04 aluminum alloy

4 结论

1）仿真加速腐蚀试验环境谱主要由RH=90%、温度T=40 ℃的湿热环境和5% NaCl 水溶液掺入稀H2SO4并使其pH=4± 0.2的介质环境组成，包含了机场环境下典型腐蚀环境因素。

2）在仿真加速腐蚀试验环境谱中，湿热环境中烘烤时间为16.52 min，介质中浸泡时间为5.81 min，二者交替194 次，共计72.2 h，相当于铝合金结构材料在机场停放1 a（扣除飞行350 h）的腐蚀量。

3）仿真加速腐蚀试验环境谱明显缩短了腐蚀失效行为时间，起到了加速腐蚀作用。