吳 瑜，張曉娟

(1.天津航空機電有限公司，天津 300301；2.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機在海洋環(huán)境服役時，將暴露于高溫、高濕、高鹽霧的嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境中。相關(guān)研究表明，結(jié)構(gòu)腐蝕為直升機結(jié)構(gòu)部位發(fā)生破壞的重要因素。因此，在直升機的使用壽命評定中必須考慮環(huán)境因素的影響。

然而由于直升機實際服役年限較長，通常要達(dá)到30年左右，使用環(huán)境惡劣，在實際使用環(huán)境下進(jìn)行腐蝕試驗無法滿足設(shè)計周期的要求。目前通常采用的方式是在實驗室環(huán)境下進(jìn)行加速腐蝕試驗，縮短試驗周期。為此，需要建立對應(yīng)的加速腐蝕環(huán)境譜。20世紀(jì)80年代，北大西洋公約組織(NATO)便開展了相關(guān)的腐蝕疲勞試驗研究。而美國國防部制定了涂層加速試驗環(huán)境譜及試驗程序(CASS譜)，并闡述其加速試驗環(huán)境譜的編制方法。但我國在環(huán)境譜編制、加速當(dāng)量折算方法等方面的研究還處于探索階段，主要存在如下方面的不足：收集的環(huán)境數(shù)據(jù)量較少，且較為分散，沒有建立較為完整的飛機環(huán)境數(shù)據(jù)庫；環(huán)境數(shù)據(jù)分析帶有一定的經(jīng)驗性和片面性，還未形成完善的統(tǒng)計分析方法；未形成相對公認(rèn)的方法，在環(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。

1 環(huán)境譜編制

1.1 環(huán)境譜編制原則

通過對美國空軍制定并應(yīng)用于F-18飛機結(jié)構(gòu)的涂層加速試驗環(huán)境譜及試驗程序(簡稱CASS譜)以及國內(nèi)已有型號加速環(huán)境譜編制情況的研究，得到編制合理的環(huán)境譜需滿足如下幾個原則：

1)相關(guān)性—針對具體結(jié)構(gòu)對象，包含使用時實際環(huán)境產(chǎn)生腐蝕的主要因素及作用情況，再現(xiàn)實際服役過程出現(xiàn)的腐蝕損傷形式、特征和腐蝕產(chǎn)物的組成成分；

2)加速性—大大縮短實際環(huán)境下腐蝕歷程的時間，使加速腐蝕試驗周期和費用減少到工程可接受的范圍；

3)可實施性—加速腐蝕試驗環(huán)境譜能夠在實驗室實現(xiàn)對應(yīng)的試驗技術(shù)，不宜過于復(fù)雜；

4)能通過合理的準(zhǔn)則和方法，建立加速試驗環(huán)境譜與地面停放環(huán)境之間的當(dāng)量加速關(guān)系。

此外，由于實際結(jié)構(gòu)形式多樣、環(huán)境條件變化多端，不可能針對每個結(jié)構(gòu)或某類環(huán)境建立對應(yīng)的加速環(huán)境譜，因此將細(xì)節(jié)類似、環(huán)境條件近似的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)歸并，不細(xì)究其環(huán)境的差別。需要指出，滿足上述要求的加速腐蝕試驗環(huán)境譜并不是唯一的，要統(tǒng)籌多種因素綜合確定。

1.2 環(huán)境譜編制技術(shù)途徑

通過開展沿海直升機服役環(huán)境條件的研究，對氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，加速腐蝕試驗相關(guān)資料和標(biāo)準(zhǔn)，如MIL-STD-810G《環(huán)境工程考慮和實驗室試驗》、HP 020 0008《環(huán)境技術(shù)條件》等進(jìn)行了分析，并了解了國內(nèi)航空行業(yè)開展環(huán)境試驗的總體情況、固定翼飛機機體結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗情況和GJB150A在國內(nèi)航空領(lǐng)域的應(yīng)用情況，分析得出了環(huán)境譜編制的主要技術(shù)途徑：

1)明確加速腐蝕試驗環(huán)境譜的編制原則，作為指導(dǎo)加速腐蝕試驗環(huán)境譜編制的依據(jù)；

2)對直升機結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析，明確結(jié)構(gòu)部位、結(jié)構(gòu)形式、材料、工藝、連接形式、密封和防腐處理措施等，特別關(guān)注其與外界環(huán)境的連通性；

3)對直升機結(jié)構(gòu)使用特點進(jìn)行分析，明確可能的使用剖面、服役地域及時間比例、服役地域環(huán)境特點以及維護(hù)修理措施等；

4)明確服役地域自然環(huán)境、機場環(huán)境、空中環(huán)境，給出各類環(huán)境因素的作用時間、頻次等，給出環(huán)境介質(zhì)組分、濃度、作用時間等，確定環(huán)境總譜；

5)在2)、3)、4)的基礎(chǔ)上，確定典型結(jié)構(gòu)部位的主要環(huán)境因素(介質(zhì)、組分、濃度、作用時間等)，及可能出現(xiàn)的主要腐蝕損傷形式；

6)對防護(hù)涂層加速腐蝕試驗方法進(jìn)行調(diào)研和分析，選取依據(jù)充分、經(jīng)過試驗驗證或被型號定延壽采用的加速腐蝕試驗環(huán)境譜作為參考譜，并明確該加速腐蝕環(huán)境譜的背景使用特點和使用環(huán)境，作為參考環(huán)境；

7)以已有的加速腐蝕試驗環(huán)境譜為基礎(chǔ)，結(jié)合本次研究對象的特點(結(jié)構(gòu)特點和環(huán)境特點)，初步確定各類加速環(huán)境譜的形式和構(gòu)成；

8)通過使用環(huán)境和參考環(huán)境的對比分析，以及典型環(huán)境參數(shù)的計算和分析，明確環(huán)境參數(shù)和作用時間等關(guān)鍵參數(shù)，初步擬定加速腐蝕試驗環(huán)境譜；

9)確定最終的加速腐蝕試驗環(huán)境譜。

1.3 使用環(huán)境譜

使用環(huán)境譜可分為兩類：服役環(huán)境譜、加速腐蝕當(dāng)量環(huán)境譜。服役環(huán)境譜又可以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，三者之間存在著一定的聯(lián)系。據(jù)有關(guān)機種的使用資料統(tǒng)計，軍用飛機的停放時間可占全部日歷壽命時間的97%以上，因此飛機的停放環(huán)境是影響飛機腐蝕的主要原因之一，故而地面停放環(huán)境譜為編制飛機環(huán)境譜的基礎(chǔ)。空中飛行環(huán)境往往與地面停放環(huán)境存在著較大不同，如飛機材料的腐蝕疲勞、直升機結(jié)構(gòu)的低溫振動等等。

本文以軍用直升機為例，通過對直升機停放環(huán)境的調(diào)研、測量、分析，編制直升機使用環(huán)境譜，并將使用環(huán)境譜轉(zhuǎn)化成便于開展元件與模擬件加速腐蝕試驗的當(dāng)量環(huán)境譜。因該機服役地區(qū)主要為渤海海域和黃海海域，未來可能在中國南海環(huán)境服役，對以上區(qū)域的環(huán)境譜進(jìn)行分析，最終環(huán)境總譜的編制以服役環(huán)境較為惡劣的青島和南海的環(huán)境數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合考慮其他海域的環(huán)境數(shù)據(jù)，得出符合該機實際的服役環(huán)境的年度雨、霧露、濕度總譜及大氣環(huán)境譜，如表1、表2所示。

表1 某直升機服役環(huán)境年度雨、霧露、濕度總譜

表2 某直升機服役環(huán)境年度大氣環(huán)境譜

2 結(jié)構(gòu)分區(qū)及環(huán)境譜塊分析

2.1 結(jié)構(gòu)分區(qū)

大量的研究和調(diào)研結(jié)果表明，同樣型號的直升機在不同服役地區(qū)的腐蝕損傷情況會有明顯的不同。而直升機同樣的結(jié)構(gòu)、材料與表面防護(hù)，在不同的結(jié)構(gòu)區(qū)域所形成的腐蝕損傷也不一樣。由此可見，直升機結(jié)構(gòu)的腐蝕與具體結(jié)構(gòu)部位的局部腐蝕環(huán)境是密不可分的。如對于外露上表面而言，直接承受外部自然環(huán)境因素和化學(xué)環(huán)境因素的作用，受溫濕、鹽霧、紫外、化學(xué)介質(zhì)的綜合作用，環(huán)境條件較為嚴(yán)酷。而外露下表面承受的溫度相對較低，濕度浸潤時間相對稍長，紫外作用時間相對較少。而內(nèi)部半封閉結(jié)構(gòu)，濕氣、鹽霧的滲入會導(dǎo)致水汽在局部凝結(jié)、聚積，從而產(chǎn)生局部的部分時間的浸泡。

因此針對不同區(qū)域的腐蝕環(huán)境，需要不同的加速環(huán)境譜進(jìn)行考核，不同區(qū)域的環(huán)境譜需在直升機停放環(huán)境譜的基礎(chǔ)上確定。通過對局部結(jié)構(gòu)的分析、歸納，將直升機典型結(jié)構(gòu)分為以下幾類：外部結(jié)構(gòu)上表面、外部結(jié)構(gòu)下表面、內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)及內(nèi)部半封閉結(jié)構(gòu)。

2.2 環(huán)境譜塊分析

美國空軍制定并應(yīng)用于F-18飛機結(jié)構(gòu)的涂層加速試驗環(huán)境譜及試驗程序(簡稱CASS譜)，主要針對軍用飛機在亞熱帶沿海地區(qū)服役的環(huán)境條件。其中，一個周期包含五個環(huán)境塊：濕熱、紫外、熱沖擊、低溫疲勞、鹽霧，反映了飛機停放時，早晚多受高濕、鹽霧作用，白天受紫外輻射、熱沖擊及載荷作用的實際情況。我國某型殲擊機也是采用該環(huán)境譜塊進(jìn)行加速腐蝕環(huán)境試驗。某型直升機的服役環(huán)境與F-18、某型殲擊機類似，可以參考CASS譜確定環(huán)境影響因子。

環(huán)境譜中的潮濕空氣對直升機結(jié)構(gòu)的影響主要以濕熱試驗進(jìn)行考核；太陽輻射對直升機結(jié)構(gòu)的影響主要以紫外照射試驗進(jìn)行考核；各類酸性腐蝕介質(zhì)對直升機結(jié)構(gòu)的影響主要以鹽霧試驗及酸性鹽霧試驗進(jìn)行考核；直升機振動產(chǎn)生的交變載荷對直升機結(jié)構(gòu)的影響主要以低溫疲勞試驗進(jìn)行考核；降塵對直升機結(jié)構(gòu)的影響因無具體的考核方法，故不納入環(huán)境譜塊中。

2.2.1 外露結(jié)構(gòu)上表面環(huán)境譜塊

考慮到直升機沒有嚴(yán)酷的熱沖擊環(huán)境，因此對CASS譜進(jìn)行剪裁，刪除熱沖擊譜塊。故外露結(jié)構(gòu)上下表面的環(huán)境譜塊如圖1所示。

圖1 外露結(jié)構(gòu)上下表面環(huán)境譜塊

其中直升機外露結(jié)構(gòu)上表面受陽光照射、氣候風(fēng)等條件的影響，濕熱作用時間應(yīng)有一定的縮減；而外露結(jié)構(gòu)下表面只在早、晚太陽光斜射時接受少量紫外線照射，難以接受紫外線強度最高的正午時分的直射，因此外露結(jié)構(gòu)下表面的紫外照射時間應(yīng)有一定的縮減。

2.2.2 內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)環(huán)境譜塊

內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)(如地板以下、頂部夾層區(qū))不直接與外界環(huán)境接觸，平時(除大修外)很少開啟。由于外界環(huán)境介質(zhì)，如濕氣、鹽霧、化學(xué)介質(zhì)等，會滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常難以維護(hù)，會形成局部高濕(含鹽及酸性離子)的腐蝕環(huán)境，甚至冷凝成液滴，個別排水不暢的結(jié)構(gòu)，會由于溶液積存形成浸泡環(huán)境。對于封閉結(jié)構(gòu)宜采用含浸泡環(huán)境塊+常溫疲勞的加速方法，故內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)的環(huán)境譜塊如圖2所示。

圖2 內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)環(huán)境譜塊

2.2.3 內(nèi)部半封閉結(jié)構(gòu)環(huán)境譜塊

與內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)相比，內(nèi)部半封閉結(jié)構(gòu)會經(jīng)常(或定期)打開或開啟口蓋進(jìn)行維護(hù)。維護(hù)時間相對較短，維護(hù)時也會清除腐蝕介質(zhì)。但是由于這些結(jié)構(gòu)往往不做全面密封，外界環(huán)境介質(zhì)，如濕氣、鹽霧、雨水、化學(xué)介質(zhì)等更易滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，也會形成局部高濕(含鹽及酸性離子)的腐蝕環(huán)境，甚至冷凝成液滴，也會形成由于溶液積存造成的浸泡環(huán)境。

由于受外界環(huán)境的影響，外界的濕氣、鹽霧等會滲入，甚至凝結(jié)在局部聚集。海上服役時海水濺射后進(jìn)入，維護(hù)清洗也可能有溶液進(jìn)入，從而產(chǎn)生局部的部分時間浸泡。反復(fù)的濕潤—浸泡過程導(dǎo)致產(chǎn)生腐蝕損傷。對半封閉結(jié)構(gòu)，由于采取了合理的措施，可能不會形成長久溶液積聚，而積液聚集前及清除之后，則為溫濕環(huán)境。對于內(nèi)部半封閉結(jié)構(gòu)宜采用溫濕+浸泡環(huán)境+常溫疲勞的加速方法，且溶液浸泡相較于內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)應(yīng)有一定的縮減，其環(huán)境譜塊如圖3所示。

圖3 內(nèi)部半封閉結(jié)構(gòu)環(huán)境譜塊

3 內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)加速腐蝕環(huán)境譜

內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)主要承受濕熱、鹽霧、酸性氣體或含鹽、酸的積水浸泡、載荷的作用，無紫外線和熱沖擊作用。

3.1 參考譜選取

參考譜取為某系列飛機42框下半框腹板用加速腐蝕試驗環(huán)境譜(EXCO溶液更改酸液成分的溶液浸泡+常溫疲勞的試驗)。參考譜的構(gòu)成為：

1)溶液浸泡2天。根據(jù)外場腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果，在腐蝕損傷形式相當(dāng)?shù)那疤嵯?，對EXCO溶液的組分進(jìn)行一定的調(diào)整，將HNO調(diào)整為HSO，每升溶液加入3毫升濃HSO，使得溶液pH=0.4，并將環(huán)境溫度定為

T

=(43±2)℃。

2)常溫疲勞。室溫大氣環(huán)境下施加恒幅載荷若干次，頻率4Hz。

3.2 內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)加速腐蝕環(huán)境譜編制

根據(jù)某直升機內(nèi)部封閉環(huán)境分析，內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)適用的環(huán)境譜塊主要為溶液浸泡和常溫疲勞兩個譜塊，各譜塊參數(shù)確定如下：

1)溶液浸泡

①溫度

環(huán)境溫度定為室溫

T

=(25±2)℃。

②溶液構(gòu)成

NaC l234g/l

KNO50g/l

HSO(濃度為68%) 若干

③溶液pH值

pH值通過在溶液中添加稀HSO調(diào)整，使得溶液pH值與航母停放時外露結(jié)構(gòu)表面水膜的pH值一致，取為pH=4.0。

④浸泡時間

考慮到內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)高濕環(huán)境主要是外部雨水或清洗飛機時沿縫隙流入或滲入內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的，用艦載飛機受到的雨水作用次數(shù)(包括清洗)除以參考環(huán)境中的雨水作用次數(shù)(包括清洗次數(shù))，再乘以某系列飛機內(nèi)部腐蝕失效關(guān)鍵部位加速環(huán)境譜中的溶液浸泡時間，就得到該直升機內(nèi)部結(jié)構(gòu)加速環(huán)境譜中的溶液浸泡時間。

參考環(huán)境譜平均每年雨水作用次數(shù)

n

=158次。某飛機平均每年雨水作用次數(shù)

n

=135次。以某飛機7天(每周)清洗1次；海上超低空飛行，每次飛行完后必須進(jìn)行清洗，年均20～50次，按35次計算，全年共清洗

n

=87次。而J8系列飛機清洗次數(shù)明顯低于該軍直升機，可按某飛機的1/3即

n

=17次計算，J8飛機內(nèi)部腐蝕失效關(guān)鍵部位加速環(huán)境譜中溶液浸泡時間為2天，則該直升機浸泡時間為：

2)疲勞試驗

內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力水平可以參考外露腐蝕關(guān)鍵部位的應(yīng)力水平確定方法給出。在不能給出明確的結(jié)構(gòu)受載的情況下，參考外露部位。如所選內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受交變應(yīng)力或所受交變應(yīng)力影響不大，可以對疲勞試驗部分進(jìn)行裁剪。

綜上，內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)加速腐蝕試驗環(huán)境譜如圖4所示。

圖4 內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)加速腐蝕試驗環(huán)境譜

4 內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)加速腐蝕試驗

4.1 試驗件設(shè)計

選取直升機內(nèi)部封閉區(qū)典型連接形式，試驗件為搭接件(如圖5所示)。材料分別為復(fù)合材料及鋁合金(如圖6所示)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿芊馔科岬缺砻娣雷o(hù)處理。外廓尺寸為300mm×120mm，啞鈴形夾持端寬40mm。

圖5 試驗件示意圖

圖6 內(nèi)部封閉典型連接件

4.2 試驗過程及試驗結(jié)果

利用圖4內(nèi)部加速腐蝕環(huán)境譜進(jìn)行10個周期內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)區(qū)域典型連接件的加速腐蝕環(huán)境試驗，10個周期后試驗外觀結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明經(jīng)歷10個試驗周期的試驗件鋁合金和復(fù)合材料板材涂層完好，無起泡、開裂、剝落等現(xiàn)象，且涂層厚度未發(fā)生明顯改變。根據(jù)GB/T 1766-2008《色漆和清漆涂層老化的評級方法》對涂層進(jìn)行評級，試件A、B、C三個面的涂層色差值評級為1級，D面涂層色差值評級為3級，證明涂層性能較好。結(jié)果表明鋁合金、復(fù)合材料防護(hù)體系在內(nèi)部相對封閉環(huán)境下的抗腐蝕性能較好。

圖7 第10周期試驗件外觀圖

5 結(jié)束語

加速試驗環(huán)境譜是直升機腐蝕防護(hù)設(shè)計、腐蝕防護(hù)性能的評定及主機結(jié)構(gòu)環(huán)境鑒定試驗的支撐依據(jù)，在后續(xù)試驗中將與自然環(huán)境試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證該加速試驗環(huán)境譜的合理性，并對具體的試驗參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步修正。

本文對環(huán)境譜編制情況、環(huán)境譜編制技術(shù)途徑進(jìn)行研究，開展某型直升機腐蝕區(qū)域劃分和環(huán)境譜編制，并進(jìn)行了典型連接件的加速腐蝕環(huán)境試驗應(yīng)用研究。該環(huán)境譜的編制為某直升機的腐蝕防護(hù)設(shè)計改進(jìn)和腐蝕防護(hù)性能評估提供了重要依據(jù)。

1)通過對機上腐蝕環(huán)境的分析研究可知，直升機不同區(qū)域的環(huán)境特征不同，直升機進(jìn)行腐蝕環(huán)境分析前需對結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行劃分；

2)通過對某直升機內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)區(qū)經(jīng)受的環(huán)境因素及各環(huán)境應(yīng)力進(jìn)行分析，編制了適用于考核直升機內(nèi)部封閉區(qū)結(jié)構(gòu)及防護(hù)體系耐腐蝕性能的加速腐蝕環(huán)境譜，該環(huán)境譜以年度環(huán)境進(jìn)行當(dāng)量加速，在理論上1加速試驗周期當(dāng)量外場服役一年；

3)選取某直升機內(nèi)部封閉區(qū)域典型連接試驗件，采用內(nèi)部封閉區(qū)域加速腐蝕環(huán)境譜進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果表明某直升機鋁合金、復(fù)合材料防護(hù)體系在內(nèi)部相對封閉環(huán)境下的抗腐蝕性能較好。