直升机加速腐蚀环境谱研究

彭望舒

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

20世纪60年代，随着飞机在使用过程中暴露出来的腐蚀和腐蚀疲劳问题越来越严重，人们逐渐考虑腐蚀环境对飞机结构使用寿命的影响，提出了飞机结构环境谱和飞机结构载荷/环境谱的编制方法和要求。然而由于飞机实际服役年限很长，通常要达到30a左右，故而真实地模拟使用环境进行长期的环境试验在当前是不现实的，也会因试验周期过长而使试验失去意义。为了缩短试验时间，需要进行加速腐蚀试验，形成加速腐蚀环境谱[1]。

20世纪80年代，北大西洋公约组织(AGARD)先后组织了8个国家10个研究机构，针对典型飞机结构连接件，展开了湿热、盐雾、盐雾、SO2等典型环境对疲劳寿命影响的系统研究。模拟了飞机结构疲劳关键部位在地面停放时所承受的综合腐蚀环境，比较真实地实现了实际情况下的腐蚀损伤再现[2,3]。20世纪80后期，美国先后制定了与腐蚀相关的一系列标准和规范，如MIL-A-008866B，MIL-A-87221，MIL-A-8860B(AS)，MIL-F-7179，MIL-STD-1568，MIL-HDBK-5，MIL-IIDBK-729等，并制定了涂层加速腐蚀环境谱及试验程序(CASS谱)，并阐述其加速腐蚀环境谱的编制方法[4]。

国内对飞机结构腐蚀疲劳定寿的研究起步较晚, 虽然在70年代中期就开展了有关材料损伤容限分析及一些与环境相关的腐蚀与防护的研究工作，但这些研究工作无论从研究的深度还是实际应用的可能性和国外先进研究水平相比都有一定的差距。真正系统的研究是进入80年代以后，人们才逐渐考虑腐蚀环境对飞机结构的影响，并开始结合军用飞机的腐蚀及寿命问题开展了腐蚀损伤普查、载荷谱与环境谱的编制、材料的多种环境条件下的试验、结构件的腐蚀疲劳试验和服役飞机机体结构的疲劳试验等方面的基础研究和应用研究工作。但到目前为止，在国内飞机环境谱编制、工程简化及试验实施方法等研究还处于探索阶段，主要存在如下3方面的不足：

1)收集的环境数据量较少，还没有建立较为完整的飞机环境数据库，局限性较大；

2)对环境数据的分析带有一定的经验性和片面性，还没有形成完善的统计分析方法；

3)环境谱的编制方面随意性较大，数据处理方法不够规范，对相同服役地区环境数据分析处理后，不同的研究人员得出的结果往往相差很大，没有形成相对公认的方法。

本文以某沿海地区的湿热环境谱为依据，阐述湿热试验加速腐蚀环境谱的构建过程，并引进图像处理技术，对湿热试验的加速腐蚀环境谱的试验结果进行评价，最终将该方法应用于直升机型号研制工作中。

1 环境谱

飞机环境谱是研究飞机结构腐蚀疲劳的基础，而环境谱可大致分为地面停放环境谱、空中飞行环境谱和局部部位环境谱。这三者之中存在着一定的联系，据有关机种的使用资料统计，军用飞机的停放时间可占全部日历寿命时间的96%以上，因此飞机的停放环境是影响飞机腐蚀的主要原因之一，故而地面停放环境谱是编制飞机环境谱的基础[5,6]。空中飞行环境往往与地面停放环境存在着较大不同，如飞机材料的腐蚀疲劳、直升机结构的低温振动等等。

以某型直升机为例，通过对停放环境的调研、测量、分析，编制直升机使用环境谱，然后按照腐蚀损伤等效原则，将使用环境谱转化成便于开展元件与模拟件加速腐蚀试验的当量环境谱。

加速腐蚀试验中往往包括钢材料、铝合金材料、防护涂层的加速腐蚀试验，然后对其腐蚀结果进行等级评价，基于腐蚀损伤等级相同的原则，构建不同材料的环境谱与标准腐蚀溶液配方之间的加速当量关系。图1为某型直升机的加速腐蚀环境谱的构建思路。

图1 某型直升机加速腐蚀环境谱构建思路框图

2 构建环境谱

在选取某一地域位置的基础上，根据环境参数简化原则和影响腐蚀的各种因素，将机场气象台站多年的气象数据(包括每天的温度、湿度、雨量、雨时，每月的雾日、雾时及各对应时刻的风向、风速和污染物及其含量等)进行统计，给出的服役气候环境要素以月、季、年为周期的变化规律，可以得到各个机场的月谱、年谱及月平均谱和累积年谱。图2为地面停放环境谱编制流程图。

图2 地面停放环境谱编制流程图

下面以某沿海地区为例，以该地区气象资料为原始数据[7]，建立该地区的温湿度环境谱。为增加数据的可靠性，其温湿度环境谱中包含了该地区近10年的停放温湿度数据，可根据该环境谱折算出实验室的当量时间。

表1 温湿度环境谱

3 加速腐蚀环境谱

为了使编制的地面停放环境谱能够有效地应用于直升机结构和典型动部件腐蚀控制工程领域，必须给出在腐蚀试验中可行的当量加速腐蚀环境谱，使地面停放环境谱所造成的直升机结构腐蚀损伤当量地折算成在实验室能够再现的当量加速腐蚀环境谱，而得出在实验室内人工拟定的环境条件下，加速腐蚀试验多长时间能等效机场自然环境中服役多少个日历年对飞机结构的腐蚀损伤。

然而不同的材料腐蚀的机理不同，为了使编制的地面停放环境谱准确地折算成实验室加速腐蚀环境谱，需对不同的材料进行加速腐蚀当量折算，大致可分为：铝合金、钢材料、有机涂层的加速腐蚀环境谱。

3.1 加速腐蚀环境谱的编制原则

编制合理的加速腐蚀环境谱必须遵循以下几个原则：

1)针对具体结构对象，包含地面停放产生腐蚀的主要因素及作用情况，再现实际服役过程出现的腐蚀损伤形式与特征以及腐蚀产物的组成成分，使得地面停放环境谱与加速腐蚀环境谱之间保持严格的腐蚀等损伤当量关系；

2)大大缩短实际环境下腐蚀历程的时间，使加速腐蚀试验周期和费用减少到工程可接受的范围；

3)通过合理的准则和方法建立加速腐蚀环境谱与地面停放环境之间的当量关系，加速谱应尽量简化，以保证试验环境易于实现与控制。

工程上通常是测定不同温度、湿度下的典型金属材料腐蚀电流来建立不同组合对应的当量折算系数，其实施的步骤如下：

1)编制地面停放环境谱，选定加速腐蚀环境谱；

2)将每年地面环境谱的作用时间折算为θ=40℃，RH为90%的标准潮湿空气的作用时间t1；

3)将每小时加速腐蚀环境谱的作用时间折算为θ=40℃，RH为90%的标准潮湿空气的作用时间t2；

4)t1/t2为当量加速关系β，即加速腐蚀环境谱作用β相当于实际环境中使用1a；

5)同一种材料在不同腐蚀介质中的腐蚀试验，要通过当量关系转化到同一种腐蚀介质上来，以便简化结构件的加速腐蚀试验过程，便于实验室内对腐蚀试验条件的控制。

3.2 当量折算

周希沅[8]从腐蚀原理出发，认为电化学反应总是伴随着电荷的转移与传递，电荷的转移量与反应物质的变化量(即腐蚀程度)有着严格的等量关系，服从法拉第定律。即以腐蚀电流Ic作为度量的尺度是较为准确及严格的。而自然环境结构中的腐蚀电流Ic测量往往很困难，为工程上便于实现，可把环境谱用人工环境控制箱再现自然环境腐蚀性，把Ic的测量转移到实验室内进行，测出试验件对应的腐蚀电流Ic，分析测量得到的Ic值及其变化规律。

3.2.1 单一环境当量关系折算

为了便于实验室内实行试验加速，折算时一般往腐蚀性较强的试验条件上折算。如试验温度为20℃、相对湿度70%，测算出该试验件的腐蚀电流为Ic(20,70)；温度40℃、相对湿度90%时测得的腐蚀电流为Ic(40,90)。选择温度为40℃、相对湿度90%的试验条件作为加速试验的基准条件，则定义其当量折算系数为：

(1)

如此便可得到该试验件的当量折算系数。表2为某型直升机的钢材料温湿谱的腐蚀当量折算系数。

表2 钢材料温湿谱的腐蚀当量折算系数

结合表1与表2则可折算出实验室的加速腐蚀当量时间。经计算可知钢材料在该沿海地区经受10年的温湿度环境，其腐蚀程度相当于温度40℃、湿度90%的条件下的530h。

然而值得注意的是，不同的材料、不同的腐蚀介质浓度、不同的介质成分含量，其腐蚀当量折算系数并不相同。但对于同类型的金属材料，由于其腐蚀失效模式基本相同，故其腐蚀折算系数α的分散性并不大[9]。某型直升机曾做过钢材料、铝材料在不同浓度的NaCl溶液、HNO3、HCl、H2SO4中的折算系数，在此不作赘述。

3.2.2 综合环境当量折算

飞机在服役时，不可能是单一环境的作用，往往伴随着多种环境的综合作用，参考文献[10]可初步估算加速腐蚀环境谱的综合折算系数α。

加速腐蚀环境谱的综合折算系数α满足

(2)

4 基于图像处理技术的腐蚀等级评价方法

因加速腐蚀环境谱的构建是建立在理论分析的基础上，故而其与材料在真实环境下的腐蚀情况会有一定的偏差，因此腐蚀等级的评价与验证工作是环境谱构建中的不可或缺的一部分。

对于有机涂层的加速腐蚀环境谱的验证，刘文珽[1]利用GB 9277-88色漆涂层老化的评价，以目测的方式判断外场服役1-6a的飞机典型部位腐蚀损伤形貌，并与实验室加速1-5个周期的模拟试件对比，发现加速腐蚀环境下腐蚀1个周期相当于外场服役1a，从而验证了该种当量加速关系。但该方法用肉眼观察腐蚀情况，主观因素较大，其验证的方式不够严谨。

近几年，由于高分辨率数码成像技术的发展，在工业应用过程中获得高清晰的金属腐蚀形貌图像已经很容易实现，而金属表面腐蚀形貌图像是判别腐蚀类型，分析腐蚀程度，研究腐蚀规律与特征的重要依据。故而采用图像处理技术的腐蚀等级评价方法对于深入研究腐蚀规律和评价腐蚀等级具有重要的意义。

4.1 腐蚀图像数字化矩阵

由于采集到的腐蚀图像是模拟图像，因此腐蚀图像的数字化是计算机进行腐蚀图像处理之前必经的基本步骤，目的是把真实的腐蚀图像转变成计算机能够接受和识别的处理格式，即特定的数据矩阵。以下为该函数离散的M×N的矩阵：

F=

(3)

4.2 腐蚀图像灰度处理

灰度图像是包含灰度级(亮度)的图像，在28(即256)级灰度图像的数据矩阵中，该矩阵的每一个像素点所对应的灰度值通常在0～255之间。其中0代表黑色，255代表白色，1～254分别代表黑色到白色之间的各级过渡色(灰色)。利用图像的灰度处理可以反映材料表面腐蚀的基本状况。图3为铝合金加速腐蚀局部灰度图像及数字矩阵。

图3 铝合金加速腐蚀局部灰度图像及数字矩阵

4.3 腐蚀图像预处理

腐蚀图像采集完毕后，光照条件、转换器件的精度以及在传输过程中的信息的损失和噪声干扰等因素，都会影响图像质量。而单凭腐蚀图像进行分析评价则主观性太强，不方便工程应用。因此，对金属材料腐蚀图像进行预处理之后，需要进行腐蚀图像的数值特征提取，客观地用于腐蚀程度的评价以及腐蚀类型模式识别。

图像预处理和特征提取是腐蚀图像进行诊断的基础和关键。从腐蚀图像中提取丰富的腐蚀信息，将这些信息进行定量描述，并转变为计算机能够自动识别的信息，从中获取知识，对腐蚀的类型和腐蚀的程度进行客观而准确的诊断和评价。图像采集数字化后，需要经过图像截取、中值滤波、灰度变换、模糊增强、二值化处理，之后才能进行等级的评价。

4.4 金属材料腐蚀等级评价系统

图像处理系统既包括硬件系统又包括软件系统。硬件系统主要包括腐蚀图像的采集装置和图像的处理设备；软件系统主要是腐蚀图像的预处理程序和腐蚀等级评价程序，最后参照国标或航标对材料的加速腐蚀等级进行评价。

5 结束语

1)系统地阐述了飞机加速腐蚀环境谱的构建流程，从腐蚀环境分析，环境谱和加速腐蚀环境谱的构建，加速当量关系的折算到腐蚀等级的评价；

2)根据某型直升机介绍了基于图像处理技术的腐蚀等级评价方法，该方法从腐蚀形貌图像中提取形貌特征参数，可以对腐蚀形貌进行定量化描述，相对于一般的肉眼的判断，更为客观和严谨，对深入研究腐蚀规律和评价腐蚀等级具有重要意义。