某型機載電子干擾吊艙環(huán)境適應(yīng)性研究初探

張娜，陶東香，陳川

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，青島 266041）

引言

機載電子干擾吊艙是飛機電子干擾的核心設(shè)備，通常外掛于飛機機翼或機身底部，其結(jié)構(gòu)材料在服役過程中易受環(huán)境作用而產(chǎn)生腐蝕損傷。腐蝕損傷的產(chǎn)生易誘發(fā)兩方面問題[1-3]：一是在疲勞載荷作用下腐蝕損傷部位易誘發(fā)結(jié)構(gòu)疲勞裂紋萌生，縮短裂紋萌生壽命，降低裝備服役壽命；二是腐蝕損傷易誘發(fā)相關(guān)電氣線路故障，降低裝備使用的可靠性。上述兩方面問題隨著吊艙服役年限的增加而會愈發(fā)凸顯，問題產(chǎn)生的根本屬于機載電子干擾吊艙環(huán)境適應(yīng)性范疇，需在其研制過程中開展環(huán)境試驗，對其結(jié)構(gòu)及其防護(hù)體系進(jìn)行耐蝕性考核?？己朔绞饺舨扇≌鎸嵎郗h(huán)境并與裝備同壽的方式開展，則技術(shù)難度較大、研制周期較長、所需經(jīng)費較多，因而通常在實驗室采用模擬真實服役環(huán)境的仿真加速腐蝕試驗方法開展，為保證實驗室加速腐蝕試驗結(jié)果真實、可信、有效，前提需開展加速腐蝕與服役環(huán)境腐蝕之間的當(dāng)量折算關(guān)系研究[4-7]，這是解決機載電子干擾吊艙環(huán)境適應(yīng)性問題的前提。

為此，本文根據(jù)某新型機載電子干擾吊艙環(huán)境適應(yīng)性研究需要，以其主體結(jié)構(gòu)1Cr12Ni系列合金鋼材料為研究對象，針對其在服役環(huán)境中為電化學(xué)腐蝕、并受服役環(huán)境中Cl-和SO42-主導(dǎo)的現(xiàn)實，本文開展該材料試件于5 % NaCl溶液、4 mg/L H2SO4溶液以及標(biāo)準(zhǔn)自來水中電化學(xué)腐蝕試驗，利用極化曲線，獲得其在上述溶液中的腐蝕電流密度，進(jìn)而根據(jù)等腐蝕損傷當(dāng)量關(guān)系理論，獲取其在上述溶液中當(dāng)量折算系數(shù)，由此為新型機載電子干擾吊艙結(jié)構(gòu)材料后續(xù)實驗室加速腐蝕試驗的開展提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

1 當(dāng)量關(guān)系理論

當(dāng)量關(guān)系是聯(lián)系并等效航空裝備服役環(huán)境腐蝕與實驗室環(huán)境仿真加速腐蝕之間的橋梁，目前已成熟應(yīng)用于多型航空裝備環(huán)境適應(yīng)性的環(huán)境考核試驗方面。該關(guān)系理論的核心是腐蝕損傷等效，包括腐蝕損傷程度等效與腐蝕損傷模式等效，即航空材料在服役環(huán)境下和加速腐蝕環(huán)境下，腐蝕失效模式相似、腐蝕損傷程度相同時，服役環(huán)境作用時間T與加速腐蝕環(huán)境下作用的時間t之間的比值，表達(dá)形式為：

式中：

k— 通常稱為當(dāng)量折算系數(shù)，通常k＜1 ，T的單位為年，t的單位為小時，由此可見k的物理意義是航空材料加速環(huán)境下腐蝕1 h，其腐蝕失效模式與腐蝕損傷程度與其在服役環(huán)境下機場環(huán)境腐蝕k年的腐蝕量相同。

由上述可知，腐蝕損傷等效是當(dāng)量關(guān)系核心，因而腐蝕損傷表達(dá)方式不同，則當(dāng)量關(guān)系就可有不同實現(xiàn)方式，遵循腐蝕程度、等腐蝕損傷則等疲勞壽命的思想，確定不同環(huán)境間的當(dāng)量關(guān)系通常可以采用以下三種方法[4-8]：①當(dāng)量折算法；②腐蝕程度對比法；③疲勞強度對比法。上述三種方法中，當(dāng)量折算法是航空金屬材料不同環(huán)境下電化學(xué)腐蝕分析中采用的方法，該方法建立當(dāng)量關(guān)系遵循金屬材料電化學(xué)法拉第定律，即腐蝕損傷可以由腐蝕電流量化表示，采用航空金屬材料在不同介質(zhì)環(huán)境中腐蝕電流建立等效關(guān)系進(jìn)而進(jìn)行折算，由于機載電子干擾吊艙主體結(jié)構(gòu)1Cr12Ni系列合金鋼在含有腐蝕介質(zhì)的潮濕大氣環(huán)境中腐蝕類型是電化學(xué)腐蝕[8-11]，腐蝕損傷見式（2）量化：

式中：

ΔW—材料腐蝕損失質(zhì)量；

ε—電化當(dāng)量；

Q—材料腐蝕電量；

Ic—材料電化學(xué)腐蝕電流；

S—材料腐蝕區(qū)域的表面積；

—材料電化學(xué)腐蝕的電流密度。

依據(jù)式（2），同一航空材料兩種環(huán)境下電化學(xué)腐蝕，依托其腐蝕損失質(zhì)量相等關(guān)系式，由此即可推導(dǎo)出由不同環(huán)境下電流密度的當(dāng)量折算系數(shù)表達(dá)式[12,13]，推導(dǎo)過程不在此展開，具體見式（3）所示：

2 電化學(xué)腐蝕試驗

試驗材料為某新型機載電子干擾吊艙主體合金鋼結(jié)構(gòu)材料，為1Cr12Ni系列合金鋼。材料初始狀態(tài)如圖1中（a）所示，為后續(xù)試驗件制作需要，需對其進(jìn)行線切割，得到半徑為6 mm、高為9.8 mm的規(guī)則圓柱體，如圖1中（b）所示，對其進(jìn)行清洗后，使用環(huán)氧樹脂、三乙烯四胺、銅導(dǎo)線、10 mm的PVC管等，將其制成用于電化學(xué)試驗的試件，如圖2所示。

圖1 1Cr12Ni系列合金鋼材料

圖2 1Cr12Ni系列合金鋼電化學(xué)試件

電化學(xué)試驗采用標(biāo)準(zhǔn)三電極方式開展，試驗儀器為普林斯頓4000（PARSTA 4000），三電極分別為：工作電極是電化學(xué)試件（Work Electrode，簡稱WE），參比電極為飽和甘汞電極為（Reference Electrode，簡稱RE），對電極為鉑電極為（Counter Electrode，簡稱CE），電流測量方法設(shè)置為動電位掃描，參數(shù)設(shè)置為：采樣間隔為1 mV/s，掃描電壓為-0.8～0.4 V，靜置時間為1～2 h，電化學(xué)測量過程如圖3所示。

為保證試驗數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計意義，要求在同種典型環(huán)境條件下、同種試驗設(shè)置條件下，試驗重復(fù)5次。而本文為后續(xù)研究需要考量不同溶液介質(zhì)環(huán)境間1Cr12Ni系列合金鋼材料的當(dāng)量折算系數(shù)，故選取了三種典型介質(zhì)溶液環(huán)境條件，分別是試驗溶液分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5 %NaCl溶液、4 mg/L H2SO4溶液以及標(biāo)準(zhǔn)自來水。1Cr12Ni系列合金鋼材料試件于典型介質(zhì)溶液中電化學(xué)腐蝕后的表面形貌如圖4所示。

圖3 電化學(xué)測量過程示意圖

圖4 電化學(xué)試件腐蝕形貌

3 試驗結(jié)果及分析

1Cr12Ni系列合金鋼試件，不同溶液中電化學(xué)腐蝕開路電位和自腐蝕電流密度圖如圖5中所示。

相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計值如表1所示。

圖5 電化學(xué)腐蝕特性

表1 典型溶液中的電化學(xué)腐蝕參量

表2 典型溶液間當(dāng)量折算系數(shù)

依據(jù)式（3），以標(biāo)準(zhǔn)自來水中試驗數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，采用表1中數(shù)據(jù)計算，得到1Cr12Ni系列合金鋼材料在典型介質(zhì)環(huán)境條件下的當(dāng)量折算系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

對以上試驗結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明，電子干擾吊艙1Cr12Ni系列合金鋼在不同溶液中電化學(xué)腐蝕行為相似，但腐蝕熱力學(xué)或動力學(xué)存在差異，即含H2SO4電解質(zhì)對于該結(jié)構(gòu)鋼的腐蝕加速作用最為明顯，含NaCl電解質(zhì)的腐蝕加速作用較弱?；诖颂卣?，在進(jìn)行實驗室加速腐蝕試驗時，以不改變該結(jié)構(gòu)鋼的腐蝕機理為前提，通過調(diào)節(jié)電解質(zhì)中H2SO4濃度改變加速周期將會收到明顯效果。

4 結(jié)論

本文開展新型機載電子干擾吊艙1Cr12Ni系列合金鋼材料試件于5 % NaCl溶液、4 mg/L H2SO4溶液以及標(biāo)準(zhǔn)自來水中標(biāo)準(zhǔn)三電極電化學(xué)腐蝕試驗，量化分析了該材料于上述溶液中電化學(xué)腐蝕試驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合當(dāng)量折算法，計算出該材料于典型介質(zhì)溶液間的等腐蝕損傷的當(dāng)量關(guān)系。主要結(jié)論如下：

1）相對于在標(biāo)準(zhǔn)自來水中，H2SO4電解質(zhì)對于1Cr12Ni系列合金鋼的腐蝕加速作用最為明顯，含NaCl電解質(zhì)的腐蝕加速作用次之；

2）1Cr12Ni系列合金鋼材料相對于標(biāo)準(zhǔn)自來水，在5 % NaCl溶液、4 mg/L H2SO4溶液下腐蝕的當(dāng)量折算系數(shù)分別是0.219 4和0.073 5。