直升機(jī)加速腐蝕環(huán)境譜研究

彭望舒

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

20世紀(jì)60年代，隨著飛機(jī)在使用過程中暴露出來的腐蝕和腐蝕疲勞問題越來越嚴(yán)重，人們逐漸考慮腐蝕環(huán)境對飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用壽命的影響，提出了飛機(jī)結(jié)構(gòu)環(huán)境譜和飛機(jī)結(jié)構(gòu)載荷/環(huán)境譜的編制方法和要求。然而由于飛機(jī)實(shí)際服役年限很長，通常要達(dá)到30a左右，故而真實(shí)地模擬使用環(huán)境進(jìn)行長期的環(huán)境試驗(yàn)在當(dāng)前是不現(xiàn)實(shí)的，也會(huì)因試驗(yàn)周期過長而使試驗(yàn)失去意義。為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，需要進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)，形成加速腐蝕環(huán)境譜[1]。

20世紀(jì)80年代，北大西洋公約組織(AGARD)先后組織了8個(gè)國家10個(gè)研究機(jī)構(gòu)，針對典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接件，展開了濕熱、鹽霧、鹽霧、SO2等典型環(huán)境對疲勞壽命影響的系統(tǒng)研究。模擬了飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞關(guān)鍵部位在地面停放時(shí)所承受的綜合腐蝕環(huán)境，比較真實(shí)地實(shí)現(xiàn)了實(shí)際情況下的腐蝕損傷再現(xiàn)[2,3]。20世紀(jì)80后期，美國先后制定了與腐蝕相關(guān)的一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)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，并制定了涂層加速腐蝕環(huán)境譜及試驗(yàn)程序(CASS譜)，并闡述其加速腐蝕環(huán)境譜的編制方法[4]。

國內(nèi)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞定壽的研究起步較晚, 雖然在70年代中期就開展了有關(guān)材料損傷容限分析及一些與環(huán)境相關(guān)的腐蝕與防護(hù)的研究工作，但這些研究工作無論從研究的深度還是實(shí)際應(yīng)用的可能性和國外先進(jìn)研究水平相比都有一定的差距。真正系統(tǒng)的研究是進(jìn)入80年代以后，人們才逐漸考慮腐蝕環(huán)境對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，并開始結(jié)合軍用飛機(jī)的腐蝕及壽命問題開展了腐蝕損傷普查、載荷譜與環(huán)境譜的編制、材料的多種環(huán)境條件下的試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)件的腐蝕疲勞試驗(yàn)和服役飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)等方面的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究工作。但到目前為止，在國內(nèi)飛機(jī)環(huán)境譜編制、工程簡化及試驗(yàn)實(shí)施方法等研究還處于探索階段，主要存在如下3方面的不足：

1)收集的環(huán)境數(shù)據(jù)量較少，還沒有建立較為完整的飛機(jī)環(huán)境數(shù)據(jù)庫，局限性較大；

2)對環(huán)境數(shù)據(jù)的分析帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性和片面性，還沒有形成完善的統(tǒng)計(jì)分析方法；

3)環(huán)境譜的編制方面隨意性較大，數(shù)據(jù)處理方法不夠規(guī)范，對相同服役地區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)分析處理后，不同的研究人員得出的結(jié)果往往相差很大，沒有形成相對公認(rèn)的方法。

本文以某沿海地區(qū)的濕熱環(huán)境譜為依據(jù)，闡述濕熱試驗(yàn)加速腐蝕環(huán)境譜的構(gòu)建過程，并引進(jìn)圖像處理技術(shù)，對濕熱試驗(yàn)的加速腐蝕環(huán)境譜的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終將該方法應(yīng)用于直升機(jī)型號(hào)研制工作中。

1 環(huán)境譜

飛機(jī)環(huán)境譜是研究飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞的基礎(chǔ)，而環(huán)境譜可大致分為地面停放環(huán)境譜、空中飛行環(huán)境譜和局部部位環(huán)境譜。這三者之中存在著一定的聯(lián)系，據(jù)有關(guān)機(jī)種的使用資料統(tǒng)計(jì)，軍用飛機(jī)的停放時(shí)間可占全部日歷壽命時(shí)間的96%以上，因此飛機(jī)的停放環(huán)境是影響飛機(jī)腐蝕的主要原因之一，故而地面停放環(huán)境譜是編制飛機(jī)環(huán)境譜的基礎(chǔ)[5,6]。空中飛行環(huán)境往往與地面停放環(huán)境存在著較大不同，如飛機(jī)材料的腐蝕疲勞、直升機(jī)結(jié)構(gòu)的低溫振動(dòng)等等。

以某型直升機(jī)為例，通過對停放環(huán)境的調(diào)研、測量、分析，編制直升機(jī)使用環(huán)境譜，然后按照腐蝕損傷等效原則，將使用環(huán)境譜轉(zhuǎn)化成便于開展元件與模擬件加速腐蝕試驗(yàn)的當(dāng)量環(huán)境譜。

加速腐蝕試驗(yàn)中往往包括鋼材料、鋁合金材料、防護(hù)涂層的加速腐蝕試驗(yàn)，然后對其腐蝕結(jié)果進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)，基于腐蝕損傷等級(jí)相同的原則，構(gòu)建不同材料的環(huán)境譜與標(biāo)準(zhǔn)腐蝕溶液配方之間的加速當(dāng)量關(guān)系。圖1為某型直升機(jī)的加速腐蝕環(huán)境譜的構(gòu)建思路。

圖1 某型直升機(jī)加速腐蝕環(huán)境譜構(gòu)建思路框圖

2 構(gòu)建環(huán)境譜

在選取某一地域位置的基礎(chǔ)上，根據(jù)環(huán)境參數(shù)簡化原則和影響腐蝕的各種因素，將機(jī)場氣象臺(tái)站多年的氣象數(shù)據(jù)(包括每天的溫度、濕度、雨量、雨時(shí)，每月的霧日、霧時(shí)及各對應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)向、風(fēng)速和污染物及其含量等)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，給出的服役氣候環(huán)境要素以月、季、年為周期的變化規(guī)律，可以得到各個(gè)機(jī)場的月譜、年譜及月平均譜和累積年譜。圖2為地面停放環(huán)境譜編制流程圖。

圖2 地面停放環(huán)境譜編制流程圖

下面以某沿海地區(qū)為例，以該地區(qū)氣象資料為原始數(shù)據(jù)[7]，建立該地區(qū)的溫濕度環(huán)境譜。為增加數(shù)據(jù)的可靠性，其溫濕度環(huán)境譜中包含了該地區(qū)近10年的停放溫濕度數(shù)據(jù)，可根據(jù)該環(huán)境譜折算出實(shí)驗(yàn)室的當(dāng)量時(shí)間。

表1 溫濕度環(huán)境譜

3 加速腐蝕環(huán)境譜

為了使編制的地面停放環(huán)境譜能夠有效地應(yīng)用于直升機(jī)結(jié)構(gòu)和典型動(dòng)部件腐蝕控制工程領(lǐng)域，必須給出在腐蝕試驗(yàn)中可行的當(dāng)量加速腐蝕環(huán)境譜，使地面停放環(huán)境譜所造成的直升機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷當(dāng)量地折算成在實(shí)驗(yàn)室能夠再現(xiàn)的當(dāng)量加速腐蝕環(huán)境譜，而得出在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工擬定的環(huán)境條件下，加速腐蝕試驗(yàn)多長時(shí)間能等效機(jī)場自然環(huán)境中服役多少個(gè)日歷年對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷。

然而不同的材料腐蝕的機(jī)理不同，為了使編制的地面停放環(huán)境譜準(zhǔn)確地折算成實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕環(huán)境譜，需對不同的材料進(jìn)行加速腐蝕當(dāng)量折算，大致可分為：鋁合金、鋼材料、有機(jī)涂層的加速腐蝕環(huán)境譜。

3.1 加速腐蝕環(huán)境譜的編制原則

編制合理的加速腐蝕環(huán)境譜必須遵循以下幾個(gè)原則：

1)針對具體結(jié)構(gòu)對象，包含地面停放產(chǎn)生腐蝕的主要因素及作用情況，再現(xiàn)實(shí)際服役過程出現(xiàn)的腐蝕損傷形式與特征以及腐蝕產(chǎn)物的組成成分，使得地面停放環(huán)境譜與加速腐蝕環(huán)境譜之間保持嚴(yán)格的腐蝕等損傷當(dāng)量關(guān)系；

2)大大縮短實(shí)際環(huán)境下腐蝕歷程的時(shí)間，使加速腐蝕試驗(yàn)周期和費(fèi)用減少到工程可接受的范圍；

3)通過合理的準(zhǔn)則和方法建立加速腐蝕環(huán)境譜與地面停放環(huán)境之間的當(dāng)量關(guān)系，加速譜應(yīng)盡量簡化，以保證試驗(yàn)環(huán)境易于實(shí)現(xiàn)與控制。

工程上通常是測定不同溫度、濕度下的典型金屬材料腐蝕電流來建立不同組合對應(yīng)的當(dāng)量折算系數(shù)，其實(shí)施的步驟如下：

1)編制地面停放環(huán)境譜，選定加速腐蝕環(huán)境譜；

2)將每年地面環(huán)境譜的作用時(shí)間折算為θ=40℃，RH為90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的作用時(shí)間t1；

3)將每小時(shí)加速腐蝕環(huán)境譜的作用時(shí)間折算為θ=40℃，RH為90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的作用時(shí)間t2；

4)t1/t2為當(dāng)量加速關(guān)系β，即加速腐蝕環(huán)境譜作用β相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境中使用1a；

5)同一種材料在不同腐蝕介質(zhì)中的腐蝕試驗(yàn)，要通過當(dāng)量關(guān)系轉(zhuǎn)化到同一種腐蝕介質(zhì)上來，以便簡化結(jié)構(gòu)件的加速腐蝕試驗(yàn)過程，便于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對腐蝕試驗(yàn)條件的控制。

3.2 當(dāng)量折算

周希沅[8]從腐蝕原理出發(fā)，認(rèn)為電化學(xué)反應(yīng)總是伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移與傳遞，電荷的轉(zhuǎn)移量與反應(yīng)物質(zhì)的變化量(即腐蝕程度)有著嚴(yán)格的等量關(guān)系，服從法拉第定律。即以腐蝕電流Ic作為度量的尺度是較為準(zhǔn)確及嚴(yán)格的。而自然環(huán)境結(jié)構(gòu)中的腐蝕電流Ic測量往往很困難，為工程上便于實(shí)現(xiàn)，可把環(huán)境譜用人工環(huán)境控制箱再現(xiàn)自然環(huán)境腐蝕性，把Ic的測量轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，測出試驗(yàn)件對應(yīng)的腐蝕電流Ic，分析測量得到的Ic值及其變化規(guī)律。

3.2.1 單一環(huán)境當(dāng)量關(guān)系折算

為了便于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)行試驗(yàn)加速，折算時(shí)一般往腐蝕性較強(qiáng)的試驗(yàn)條件上折算。如試驗(yàn)溫度為20℃、相對濕度70%，測算出該試驗(yàn)件的腐蝕電流為Ic(20,70)；溫度40℃、相對濕度90%時(shí)測得的腐蝕電流為Ic(40,90)。選擇溫度為40℃、相對濕度90%的試驗(yàn)條件作為加速試驗(yàn)的基準(zhǔn)條件，則定義其當(dāng)量折算系數(shù)為：

(1)

如此便可得到該試驗(yàn)件的當(dāng)量折算系數(shù)。表2為某型直升機(jī)的鋼材料溫濕譜的腐蝕當(dāng)量折算系數(shù)。

表2 鋼材料溫濕譜的腐蝕當(dāng)量折算系數(shù)

結(jié)合表1與表2則可折算出實(shí)驗(yàn)室的加速腐蝕當(dāng)量時(shí)間。經(jīng)計(jì)算可知鋼材料在該沿海地區(qū)經(jīng)受10年的溫濕度環(huán)境，其腐蝕程度相當(dāng)于溫度40℃、濕度90%的條件下的530h。

然而值得注意的是，不同的材料、不同的腐蝕介質(zhì)濃度、不同的介質(zhì)成分含量，其腐蝕當(dāng)量折算系數(shù)并不相同。但對于同類型的金屬材料，由于其腐蝕失效模式基本相同，故其腐蝕折算系數(shù)α的分散性并不大[9]。某型直升機(jī)曾做過鋼材料、鋁材料在不同濃度的NaCl溶液、HNO3、HCl、H2SO4中的折算系數(shù)，在此不作贅述。

3.2.2 綜合環(huán)境當(dāng)量折算

飛機(jī)在服役時(shí)，不可能是單一環(huán)境的作用，往往伴隨著多種環(huán)境的綜合作用，參考文獻(xiàn)[10]可初步估算加速腐蝕環(huán)境譜的綜合折算系數(shù)α。

加速腐蝕環(huán)境譜的綜合折算系數(shù)α滿足

(2)

4 基于圖像處理技術(shù)的腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)方法

因加速腐蝕環(huán)境譜的構(gòu)建是建立在理論分析的基礎(chǔ)上，故而其與材料在真實(shí)環(huán)境下的腐蝕情況會(huì)有一定的偏差，因此腐蝕等級(jí)的評(píng)價(jià)與驗(yàn)證工作是環(huán)境譜構(gòu)建中的不可或缺的一部分。

對于有機(jī)涂層的加速腐蝕環(huán)境譜的驗(yàn)證，劉文珽[1]利用GB 9277-88色漆涂層老化的評(píng)價(jià)，以目測的方式判斷外場服役1-6a的飛機(jī)典型部位腐蝕損傷形貌，并與實(shí)驗(yàn)室加速1-5個(gè)周期的模擬試件對比，發(fā)現(xiàn)加速腐蝕環(huán)境下腐蝕1個(gè)周期相當(dāng)于外場服役1a，從而驗(yàn)證了該種當(dāng)量加速關(guān)系。但該方法用肉眼觀察腐蝕情況，主觀因素較大，其驗(yàn)證的方式不夠嚴(yán)謹(jǐn)。

近幾年，由于高分辨率數(shù)碼成像技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)應(yīng)用過程中獲得高清晰的金屬腐蝕形貌圖像已經(jīng)很容易實(shí)現(xiàn)，而金屬表面腐蝕形貌圖像是判別腐蝕類型，分析腐蝕程度，研究腐蝕規(guī)律與特征的重要依據(jù)。故而采用圖像處理技術(shù)的腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)方法對于深入研究腐蝕規(guī)律和評(píng)價(jià)腐蝕等級(jí)具有重要的意義。

4.1 腐蝕圖像數(shù)字化矩陣

由于采集到的腐蝕圖像是模擬圖像，因此腐蝕圖像的數(shù)字化是計(jì)算機(jī)進(jìn)行腐蝕圖像處理之前必經(jīng)的基本步驟，目的是把真實(shí)的腐蝕圖像轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)能夠接受和識(shí)別的處理格式，即特定的數(shù)據(jù)矩陣。以下為該函數(shù)離散的M×N的矩陣：

F=

(3)

4.2 腐蝕圖像灰度處理

灰度圖像是包含灰度級(jí)(亮度)的圖像，在28(即256)級(jí)灰度圖像的數(shù)據(jù)矩陣中，該矩陣的每一個(gè)像素點(diǎn)所對應(yīng)的灰度值通常在0～255之間。其中0代表黑色，255代表白色，1～254分別代表黑色到白色之間的各級(jí)過渡色(灰色)。利用圖像的灰度處理可以反映材料表面腐蝕的基本狀況。圖3為鋁合金加速腐蝕局部灰度圖像及數(shù)字矩陣。

圖3 鋁合金加速腐蝕局部灰度圖像及數(shù)字矩陣

4.3 腐蝕圖像預(yù)處理

腐蝕圖像采集完畢后，光照條件、轉(zhuǎn)換器件的精度以及在傳輸過程中的信息的損失和噪聲干擾等因素，都會(huì)影響圖像質(zhì)量。而單憑腐蝕圖像進(jìn)行分析評(píng)價(jià)則主觀性太強(qiáng)，不方便工程應(yīng)用。因此，對金屬材料腐蝕圖像進(jìn)行預(yù)處理之后，需要進(jìn)行腐蝕圖像的數(shù)值特征提取，客觀地用于腐蝕程度的評(píng)價(jià)以及腐蝕類型模式識(shí)別。

圖像預(yù)處理和特征提取是腐蝕圖像進(jìn)行診斷的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。從腐蝕圖像中提取豐富的腐蝕信息，將這些信息進(jìn)行定量描述，并轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別的信息，從中獲取知識(shí)，對腐蝕的類型和腐蝕的程度進(jìn)行客觀而準(zhǔn)確的診斷和評(píng)價(jià)。圖像采集數(shù)字化后，需要經(jīng)過圖像截取、中值濾波、灰度變換、模糊增強(qiáng)、二值化處理，之后才能進(jìn)行等級(jí)的評(píng)價(jià)。

4.4 金屬材料腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)既包括硬件系統(tǒng)又包括軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要包括腐蝕圖像的采集裝置和圖像的處理設(shè)備；軟件系統(tǒng)主要是腐蝕圖像的預(yù)處理程序和腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)程序，最后參照國標(biāo)或航標(biāo)對材料的加速腐蝕等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5 結(jié)束語

1)系統(tǒng)地闡述了飛機(jī)加速腐蝕環(huán)境譜的構(gòu)建流程，從腐蝕環(huán)境分析，環(huán)境譜和加速腐蝕環(huán)境譜的構(gòu)建，加速當(dāng)量關(guān)系的折算到腐蝕等級(jí)的評(píng)價(jià)；

2)根據(jù)某型直升機(jī)介紹了基于圖像處理技術(shù)的腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)方法，該方法從腐蝕形貌圖像中提取形貌特征參數(shù)，可以對腐蝕形貌進(jìn)行定量化描述，相對于一般的肉眼的判斷，更為客觀和嚴(yán)謹(jǐn)，對深入研究腐蝕規(guī)律和評(píng)價(jià)腐蝕等級(jí)具有重要意義。