航空結構材料環境適應性研究進展及發展方向

駱晨,劉明,孫志華,湯智慧,陸峰

(中航工業北京航空材料研究院表面工程研究所,北京100095)

航空結構材料環境適應性研究進展及發展方向

駱晨,劉明,孫志華,湯智慧,陸峰

(中航工業北京航空材料研究院表面工程研究所,北京100095)

航空裝備;新材料;力學因素

航空裝備在服役過程中同時受到自然環境和飛行工況誘發環境的作用,并具有跨地域、跨氣候工作的特點,因而較其他武器裝備更容易發生失效。航空裝備故障與事故分析結果表明,材料和結構件等基礎裝備組成的環境失效是造成裝備整體失效的主要因素[1—2],輕則導致飛機提前返廠檢修,重則發生“機毀人亡”的重大事故。

目前,歐美等科技發達國家已經建立了完整的航空結構材料環境適應性數據資源。以數字仿真及虛擬試驗技術為標志的新概念和新技術在航空結構材料環境工程領域得到廣泛的應用。戶內模擬加速試驗及相關性研究工作不斷取得新成果[3—4],同時掌握了有效的環境適應性評價方法,航空裝備環境工程管理體系愈加完善[5]。

近年來,我國也開展了大量航空材料、小型元器件的自然環境試驗工作。環境鑒定試驗也逐步成為型號定型的必須項目,部分型號研制單位開始在設計階段就開展環境工程工作[6]。同時,我國形成了國防科技工業局管理的軍用自然環境試驗站網體系和科技部管理的民用自然環境試驗站網體系。

文中介紹了環境航空結構材料環境適應性的主要研究內容,并對航空結構材料環境適應性研究進展進行了綜述。其中包括新型航空材料的環境適應性研究和環境-力學因素耦合作用對航空結構材料環境適應性的影響。最后闡述了環境適應性研究的結構化趨勢,重點分析了航空結構材料環境適應性研究的發展方向。

1 環境航空結構材料環境適應性的主要研究內容

環境航空結構材料環境適應性研究是指在觀測自然環境因素和武器裝備平臺誘發環境因素的基礎上,開展真實環境實驗與模擬環境實驗,分析航空結構材料的環境損傷演變規律,預計其性能失效趨勢,并尋求減緩航空結構材料環境損傷的措施。近年來,航空結構材料環境適應性研究領域在戶內加速試驗技術、環境適應性評價技術等方面發展迅速,具體內容包括以模擬實際使用條件或重現環境效應為目的,開展單項或多項環境因素、靜態或動態環境試驗[7],并應用先進無損檢測、化學分析、力學測試以及材料表征技術評價航空結構材料的環境損傷。

2 航空結構材料環境適應性研究進展

2.1 新型航空材料的環境適應性研究

近年來航空裝備迅速發展,新型航空材料隨之不斷涌現。航空裝備失效過程十分復雜,但其本質是基礎組成材料性能降低的過程。研究新型重點航空材料的環境適應性變化規律,考核它們的耐環境能力,能為航空裝備結構的耐久性設計和剩余日歷壽命確定提供參考。

（1）通過對11類食品8種致病菌檢驗結果表明，嬰幼兒食品、乳品及乳制品中蠟樣芽胞桿菌污染較為嚴重，乳品及乳制品檢出率最高；在城市流動早餐、節令食品（棕子）中分別檢出了3株和1株，表明蠟樣芽胞桿菌是當前我市高危病源菌。盡管我國未曾大規模爆發蠟樣芽胞桿菌引起的食源性疾病，但由于其廣泛存在于自然界中，屬于條件致病菌，也是本地區經常發生食物中毒的病源菌之一，其潛在危害性需引起足夠重視。

作者利用電子探針研究國產第三代鋁鋰合金2A97的局部腐蝕行為,發現氯化鈉環境中合金的局部腐蝕萌生于金屬間粒子。θ相金屬間粒子在腐蝕試驗中發生鋁元素的優先溶解,其周邊則形成腐蝕坑。晶間腐蝕的萌生明顯晚于金屬間粒子的腐蝕,這是由于θ相金屬間粒子在去合金化后與晶界T1相析出物共同作用才能驅動晶間腐蝕的發展。

曼徹斯特大學開展了AA2099-T8新型航空鋁合金在硼酸銨電解液中的陽極氧化研究。發現合金表面阻擋層陽極氧化膜的生長,伴隨著金屬間粒子的氧化,氧化膜中充氧空洞的形成和破裂以及氧化膜在破裂位置的愈合。充氧空洞的形成與氧化膜/合金界面銅富集層中富銅納米粒子的氧化有關,而富銅納米粒子的氧化過程則取決于合金晶粒取向,所以充氧空洞的密度也與晶粒取向有關。充氧空洞內的高壓能使空洞上方氧化膜的破裂,導致氧氣釋放及合金表面形成微坑。破裂的氧化膜由于局部區域電場集中可能迅速愈合。另外,氧化鋰形成過程中的“Pilling-Bedworth比”相較氧化鋁形成過程大幅降低,導致合金/氧化膜界面形成細小空洞,從而陽極氧化膜容易從合金表面脫落[8—9]。

湯智慧等通過海南戶外暴露實驗研究了A100超高強度鋼表面鍍鉻層的腐蝕性能變化規律,并利用交流阻抗技術表征鍍層在不同腐蝕階段的特征。結果表明,鍍層表面存在的顯微裂是腐蝕發生、發展過程的主要影響因素,腐蝕導致鍍層力學試樣抗拉強度降低,斷口呈脆性斷裂傾向。鍍鉻層腐蝕是不連續的,腐蝕產物在鍍層與基體之間堆積,導致鍍層發生應力性開裂和鼓泡。鍍鉻層在腐蝕前期形成的腐蝕產物可以阻塞表面的顯微裂紋,又會延緩腐蝕介質到達基體表面,具有保護作用[10]。

劉明等利用失重分析、形貌觀察、斷面分析和電化學交流阻抗譜等研究了30CrMnSiA超高強度鋼在北京地區大氣腐蝕的動力學規律和腐蝕特征,發現該材料大氣腐蝕速率經歷了腐蝕初期由快到慢和腐蝕3年后由慢到快的過程。其中大氣暴露3年的樣品銹層最致密,對侵蝕性離子的阻擋作用最強,相應腐蝕速率最低。3年后,30CrMnSiA樣品銹層因為過厚產生內應力而開裂,加速了腐蝕[11]。

新型航空材料有別于傳統材料,具有質輕、高強、顯微組織復雜等特點,先進、準確、實時的環境適應性數據采集能力是進行全面、完整自然環境適應性數據積累的基礎。國際上材料表征技術發展迅速,以X射線層析成像技術、低電壓高分辨率SEM技術等使快速表征和微觀表征能力大幅度提高。在我國這些新技術在材料環境試驗與觀測領域的應用程度還很低,限制了數據采集能力的提升。

2.2 自然-工況耦合環境效應對航空結構材料的影響

現代軍事力量的部署地域和時域不斷擴展,任務涉及的氣候環境因素(包括溫度、濕度、鹽霧、氣壓、沙塵、風、太陽輻射、空間粒子輻射、霉菌等)復雜而嚴酷,同時裝備平臺上的誘發環境因素(包括振動、沖擊、污染物氣氛、電磁波輻射等)使航空裝備的任務條件更加惡劣。航空結構材料實際服役環境是自然環境與工況(平臺環境)兩者的耦合,其真實環境適應性能應通過開展自然-工況耦合環境效應試驗獲得。

Connolly等利用計算機輔助微焦X射線層析技術研究了高強度鋼遭受應力和腐蝕環境雙重作用時由局部腐蝕向應力腐蝕開裂的過渡。發現裂紋萌生更多地發生在蝕坑的四周,而并非蝕坑的底部,這與對裂紋萌生的傳統認識完全不同[12]。

劉明等設計了一種板條形涂層試樣預應變施加方法,并通過原始標定和顯微觀察的方法定量確定有機涂層應變量,以此模擬航空涂層防護體系在服役中遭受的應變。將施加了不同應變的板條形有機涂層試樣進行戶外暴曬,使樣品所處條件與實際服役中自然環境因素-力學因素耦合作用的情況更為接近[13]。

蔡健平等建立了模擬海洋大氣環境的綜合加速試驗譜,并采用電化學阻抗技術表征綜合加速試驗過程中有機防護涂層的老化動力學過程[14—15]。在此基礎上,駱晨等跟蹤觀察了戶內加速試驗過程中受到外加應變的航空有機涂層的表面形貌變化,綜合研究了航空有機涂層在外加應變和熱帶海洋大氣環境耦合作用下的損傷規律和失效模型。研究發現,外加應變導致有機涂層的防護性能下降,外加拉應變水平越高,有機涂層損傷越嚴重,防護性能下降越多。進行戶內加速試驗過程中,受到外加拉應變的涂層防護性能進一步下降,外加拉應變越大,下降越快,如圖1所示。受外加拉應變的涂層防護性能下降的原因是相應的應力水平超過有機涂層材料的斷裂強度,從而在涂層內部形成微裂紋,構成外界溶液到達有機涂層/合金界面的通道。受到外加壓應變后,有機涂層的防護性能不發生明顯變化。在戶內加速試驗過程中,受到外加壓應變的涂層防護性能緩慢喪失。在不對有機涂層/合金界面構成破壞的情況下,受到外加壓應變水平越高,涂層防護性能下降越緩慢[16—18]。

圖1 受到8.0%外加拉應變有機涂層試樣的電化學阻抗譜Bode圖[17]Fig.1 EIS Bode diagram of organic coating specimen with 8.0% tensile pre-strain of indoor accelerated testing[17]

自然-工況耦合環境效應試驗能夠更真實地反應實際服役狀態下航空結構材料的腐蝕(老化)環境,可用于航空裝備的可靠性和安全性評估。如何通過現場跟蹤試驗的方式確定影響航空結構材料損傷和失效的主要因素,以及如何在較短時間內準確重現航空結構材料在實際環境長周期服役后的失效和損傷過程,將是這一領域未來發展的方向。

2.3 航空結構材料環境適應性研究的結構化趨勢

航空裝備由多種材料和構件按照特定需求進行組合,材料間的配合、整體的幾何構型均會對裝備的環境適應性造成影響。中航工業科研人員針對某型民用飛機、某型軍用直升機、某型飛艇的易腐蝕結構開展了環境適應性研究。

中航工業北京航空材料研究院科研人員根據實際調研確定了某型民用飛機的易腐蝕部位主要為蒙皮、貨艙、廚房/衛生間、起落架艙、起落架活塞桿等,之后設計了相應的模擬試驗件,并制定5個部位的局部環境加速試驗譜,開展環境適應性能對比驗證試驗。研究發現蒙皮試驗件防護效果最好,加速試驗后表面未出現腐蝕現象;廚/衛試驗件口蓋內表面腐蝕最嚴重,腐蝕產物大量堆積,型材鉚釘連接位置也出現腐蝕損傷,如圖2所示;貨艙試驗件和起落架艙試驗件表面存在少量有機涂層鼓泡,腐蝕傾向性居中。從而可以得出結論,廚房/衛生間局部區域是某型民用飛機最易發生環境損傷的部位,應實施重點腐蝕控制措施。

圖2 某型民用飛機廚/衛試驗件結構圖和戶內加速試驗后的照片Fig.2 Schematic diagram of the"kitchen/toilet"testing structure and photograph after indoor accelerated testing

中航工業特種飛行器研究所通過測量飛艇蒙皮縫線結構在加速試驗后的斷裂強力,計算得到其斷裂強力下降率,評定蒙皮縫線的抗老化性能。研究發現,經過16天輻照強度為0.35 W/m2,溫度為77℃,相對濕度為70%,2 h內照射1.5 h、噴淋0.5 h條件下的光老化試驗,飛艇蒙皮縫線結構的斷裂強力下降率達20%。試驗30天后,縫線出現明顯裂紋,斷裂強力下降率達80%,從而確定飛艇蒙皮縫線在試驗條件下的有效期為僅為16天[19]。

目前,我國針對航空結構材料的環境試驗能力仍主要停留在試片級別樣品的環境試驗上,構件級別環境試驗能力不足。類似于筆者上述報道的構件級別樣品環境試驗開展得較少,基于構件級樣品研究數據的分析也還處于探索階段,在未來值得環境試驗與觀測科研人員重點關注。

3 未來研究方向

近年來,各國之間圍繞世界海洋資源、極地資源、空間資源分配而展開的斗爭越來越頻繁,形勢愈加嚴峻,在空天一體、長航時、偵察-打擊結合等先進航空理念的推動下,航空裝備的服役環境變得更為復雜。因此,積累典型裝備平臺環境數據,完善新型航空材料的環境適應性數據資源,研究其環境適應性規律;針對在役和在研型號環境工程與試驗技術的瓶頸,發展適用于新材料的環境適應性加速試驗方法和評價方法;突破自然-工況耦合試驗技術,綜合性多因素實驗室環境摸擬試驗技術以及結構化、大型化試驗對象的環境模擬與加速試驗技術,是航空結構材料環境適應性研究面臨的迫切任務。

1)新型航空結構材料的環境適應性數據資源建設。針對各種新型航空裝備上的新材料、新工藝等,開展自然環境適應性和平臺環境適應性數據的積累,并建立相應的數據庫、專家系統、決策支持系統,形成數據共享機制。發展重點包括鋁鋰合金、先進復合材料、隱身涂層、疲勞關鍵結構單元、精密運動機構單元等的環境適應性試驗、數據積累、規律分析,環境適應性數據的體系、分類、規范化處理。

2)典型自然和典型裝備平臺環境數據采集和數據庫建立。針對各種新型航空裝備的服役環境特點,監視、測量典型氣候條件下的自然環境因素數據和典型航空裝備平臺的環境因素數據,并建立相應的數據庫體系。發展重點包括典型氣候條件下自然環境和典型航空裝備平臺環境數據的檢測技術、數據處理和分析方法,腐蝕嚴酷度分類分級研究。

3)環境試驗與評價技術研究。針對新型航空結構材料,開展環境模擬與加速試驗技術、環境腐蝕控制技術、虛擬環境試驗技術、自然環境-工況耦合試驗技術等研究。發展重點包括環境損傷圖像信息的數字化評價技術;航空裝備環境損傷的早期發現技術;航空裝備環境適應標桿數據的采集技術;結構化、大型化、綜合性環境模擬與加速試驗技術。

航空結構材料環境適應性研究領域未來的發展重點還應包括針對航空發動機結構材料開展高溫、高壓特種環境試驗技術和方法研究,發展特殊(危險)環境中的腐蝕監測、檢測技術;確定貯存環境加速因子,建立典型航空結構材料的貯存環境適應性加速試驗方法。

4 結語

航空結構材料環境適應性研究領域的發展趨勢為環境適應性基礎數據體系日趨完善,環境試驗技術朝著大型化、構件化、綜合化方向發展,新技術、新原理在環境適應性評價中的應用逐漸深入。未來應當重點關注航空結構材料戶內加速試驗技術、環境適應性評價技術以及環境適應性數據的深度開發與應用,將各種科學技術和工程實踐用于減緩環境對航空結構材料的損傷,提高裝備的耐環境能力。

航空結構材料環境適應性研究工作的開展將為下一代航空裝備研制生產中開展環境工程工作提供全面支持,形成對新型飛行器、新概念機載設備及機載武器等先進航空裝備的有力技術支撐,使國產飛機的環境適應性水平得到顯著提升。

[1] 穆志韜,譚曉明,劉志國.海軍現役飛機的腐蝕損傷失效分析及腐蝕防護[J].裝備環境工程,2009,6(1): 43—48. MU Zhi-tao,TAN Xiao-ming,LIU Zhi-guo.Corrosion Damage Failure Law Analysis and Corrosion Control for Naval Aircraft Servicing[J].Equipment Environmental Engineering,2009,6(1):43—48.

[2] 穆志韜.海軍飛機結構腐蝕損傷規律及使用壽命研究[D].北京:北京航空航天大學,2001. MU Zhi-tao.Study on Corrosion Damage Law and Operation Life Span of Naval Aircraft Structure[D].Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2001.

[3] 祝耀昌.環境適應性設計與高加速壽命試驗[J].航空標準化與質量,2002(1):37—42. ZHU Yao-chang.Environmental Adaptability Design and Highly Accelerated Life Test[J].Aviation Standardization and Quality,2002(1):37—42.

[4] 譚曉明,穆志韜,張丹峰,等.海軍飛機結構當量加速腐蝕試驗研究[J].裝備環境工程,2008,5(2):9—11. TAN Xiao-ming,MU Zhi-tao,ZHANG Dan-feng,et al.E-quipment Accelerated Corrosion Test Study of Navy Aircraft Structure[J].Equipment Environmental Engineering,2008,5(2):9—11.

[5] 王奎占.產品在研制生產過程中的環境試驗研究[J].電子產品可靠性與環境試驗,2009,27(3):46—49. WANG Kui-zhan.Consideration of the Environmental Test in Product Development and Production[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing,2009,27 (3):46—49.

[6] 熊長武.裝備環境適應性設計思想變革與實踐[J].裝備環境工程,2014,11(2):20—25. XIONG Chang-wu.Transformation and Practice of Equipment Environment Adaptability Design Ideas[J].Equipment Environmental Engineering,2014,11(2):20—25.

[7] 蔣祖國.飛機載荷-環境譜的編制[J].航空學報,1994, 15(1):76—81. JIANG Zu-guo.The Compilation of Aircraft Load-Environment Spectra[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,1994,15(1):76—81.

[8] MA Y,ZHOU X,THOMPSON G E,et al.Anodic Film Growth on Al-Li-Cu Alloy AA2099-T8[J].Electrochimica Acta,2012,80:148—159.

[9] ZHOU X,THOMPSON G E,SKELDON P,et al.Novel Environmental-friendly Coatings for Aerospace Alloys [J].Materials Science Forum,2013,765:693—697.

[10]湯智慧,劉鵬,王旭東,等.A100鋼鍍Cr防護技術在海洋環境下的腐蝕行為研究[J].材料工程,2011(9): 50—55 TANG Zhi-hui,LIU Peng,WANG Xu-dong,et al.Corrosion Behaviour of Chromium Plating on A100 Steel in Marine Environment[J].Journal of Materials Engineering, 2011(9):50—55.

[11]劉明,湯智慧,蔡健平,等.30CrMnSiA高強鋼在北京地區的大氣腐蝕研究[J].裝備環境工程,2010,7(4): 17—21. LIU Ming,TANG Zhi-hui,CAI Jian-ping,et al.Study on Atmospheric Corrosion of 30CrMnSiA High Strength Steel in Beijing Area[J].Equipment Environment Engineering, 2010,7(4):17—21.

[12]CONNOLLY B J,HOMER D A,FOX S J,et al.X-ray Microtomography Studies of Localised Corrosion and Transition to Stress Corrosion Cracking[J].Materials Science and Technology,2006,22(9):1076—1085.

[13]劉明,蔡健平,孫志華,等.一種金屬有機涂層環境試驗中樣品預應變的方法:中國,ZL 201210157013.0 [P].2012-09-26. LIU Ming,CAI Jian-ping,SUN Zhi-hua,et al.A Novel Method of Applying Strain on Protective Coatings on Metals:China,ZL 201210157013.0[P].2012-09-26.

[14]蔡健平,孫志華,崔繼紅.有機防護涂層綜合加速試驗老化動力學模型的建立[J].材料保護,2012,45(2): 8—10. CAI Jian-ping,SUN Zhi-hua,CUI Ji-hong.Kinetics Model of Comprehensive Accelerated Aging of Organic Protective Coatings[J].Journal of Materials Protection,2012,45 (2):8—10.

[15]蔡健平,劉明,安英輝.鋁合金防護涂層老化動力學研究[J].中國腐蝕與防護學報,2012,32(3):256—261. CAI Jian-ping,LIU Ming,AN Ying-hui.Degradation Kinetics of Protective Coating for Aluminum Alloy[J].Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection,2012, 32(3):256—261.

[16]駱晨,蔡健平,陳亞爭,等.外加應變對航空有機涂層防護性能的影響[J].材料工程,2014,(5):1—6. LUO Chen,CAI Jian-ping,CHEN Ya-zheng,et al.Effect of Applied Strain on the Protective Properties of Aviation Organic Coating[J].Journal of Materials Engineering, 2014,(5):1—6.

[17]駱晨,蔡健平,董春蕾,等.外加應變對航空有機涂層損傷規律的影響[J].北京科技大學學報,2014,36 (5):656—668. LUO Chen,CAI Jian-ping,DONG Chun-lei,et al.Effect of Pre-strain on the Degradation Behaviour of Aviation Organic Coating[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2014,36(5):656—668.

[18]駱晨,蔡健平,許廣興,等.航空有機涂層在戶內加速試驗與戶外暴露中的損傷等效關系[J].航空學報, 2014,35(6):1750—1758. LUO Chen,CAI Jian-ping,XU Guang-xing,et al.Equivalent Degradation of Aviation Organic Coating during Indoor Accelerated Testing and Outdoor Exposure[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2014,35(6):1750—1758.

[19]朱辰,邢新俠,蔡舒陽,等.飛艇蒙皮縫線光老化試驗研究[J].裝備環境工程,2013,10(6):56—59. ZHU Chen,XING Xin-xia,CAI Shu-yang,et al.Research on Airship Envelope Suture by Light Aging Test[J].E-quipment Environment Engineering,2013,10(6):56—59.

Research Progress and Development Trend in Environmental Worthiness of Aeronautical Structural Materials

LUO Chen,LIU Ming,SUN Zhi-hua,TANG Zhi-hui,LU Feng
(Surface Engineering Department,AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

Research progress in environmental worthiness of aeronautical structural materials was presented in the paper,including environmental adaptability of new aeronautical materials,co-effect of environmental-mechanical factors on the environmental worthiness of aeronautical structural materials,and the structural trend of environmental testing.Finally, it was pointed out that the future research focus in this field would be indoor accelerated testing techniques,environmental worthiness evaluation methods and application of environmental worthiness data.The aim of environmental worthiness research was to employ technical and engineering methods to retard the environmental effect on the function of aeronautical structural materials.

aeronautical equipment;new materials;mechanical factors

SUN Zhi-hua(1969—),Male,from Hebei,Ph.D.,Researcher,Research focus:aircraft environmental adaptability research and service life evaluation,aluminum alloy protection technology.

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.002

TG174.4

:A

1672-9242(2014)06-0010-05

2014-08-12;

2014-10-27

Received:2014-08-12;Revised:2014-10-27

國家自然科學基金資助項目(51201157);國防科技工業技術基礎科研項目(H052013A003)

Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China(51201157);National Defense Technology Foundation Project(H052013A003)

駱晨(1984—),男,北京人,博士,工程師,主要從事環境試驗與觀測、表面防護等方面的研究。

Biography:LUO Chen(1984—),Male,from Beijing,Ph.D.,Engineer,Research focus:environmental testing and observation,and surface protection.

孫志華(1969—),女,河北人,博士,研究員,主要研究方向為飛機環境適應性研究與壽命評價、鋁合金防護技術等。