機載發射裝置燒粘—腐蝕防護評估技術的研究進展

摘 要：“燒粘-腐蝕”是導軌式機載發射裝置出現卡滯、腐蝕、壽命短、不安全等故障的主要原因，高溫高速燒粘-腐蝕防護評估技術的完善成為實現總壽命服役期免維修目標的首要任務之一。近年來，高溫高速燒粘-腐蝕機理、燒粘-腐蝕模擬試驗方法與裝置，外場臨時防護技術與長效防護技術成為研究熱點，本文綜述了該領域的研究進展。

關鍵詞：導軌式機載發射裝置；燒粘-腐蝕；長效防護；評估技術；研究進展

中圖分類號：TJ760 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）05-0060-05

0 引 言

發射高能有煙機載導彈時，受發動機噴射熾熱燃氣流沖刷的機載發射裝置表面涂層脫落，常常粘滿一層粗糙、堅硬似砂輪表面的灰色或灰黑色殘渣[1-7]（簡稱“燒粘”）。這種殘渣粘附牢固，不僅清渣費時費工，使用金屬工具也難清除干凈。在沿海濕熱、鹽霧環境中的燒粘部位會出現腐蝕（簡稱“燒粘-腐蝕”），給裝備的使用和維護保障帶來極大的不便，嚴重影響到戰備和訓練。

多年來，通過基材改性、表面處理方法篩選等改進措施[2]，取得了一定的效果。但用于高速、中遠程新型導彈的大功率、高比沖發動機又產生了更為嚴重的燒粘-腐蝕問題。

本文就總壽命期免維修的高溫高速燒粘-腐蝕破壞機理、模擬試驗手段與技術、燒粘-腐蝕發展趨勢及長效防護評估技術的進展進行了綜述。

1 燒粘-腐蝕

1.1 機載發射裝置與燒粘-腐蝕

發射裝置從出廠服役到退役總壽命期間，一般會經歷三種狀態[8-9]：（1）庫房貯存狀態；（2）外場臨時存放狀態；（3）空中掛飛使用狀態。發射裝置在庫房長期貯存中，一般處于油封狀態裝箱，存放于自然通風、無空調的封閉式倉庫內，不通電、不工作；外場臨時存放狀態可放置在包裝箱內或懸掛于載機上暴露于大氣環境中；空中掛飛使用狀態要求在載機飛行包線內掛彈飛行，在發射包線內發射導彈，不僅通電工作、暴露于大氣環境，還要承受飛行和作戰的振動、沖擊等應力環境。

鑒于高溫、高速兩相燃氣流嚴重的燒粘-腐蝕，現有防護材料和措施都會在有限的一至幾次沖刷后損耗殆盡[2]。為解決高溫高速燒粘-腐蝕問題，從工程角度曾研究過快速清洗、及時清除腐蝕性殘渣，采用可更換表面導軌易損件以及基材改性和表面處理等方案，但都難以解決燒粘-腐蝕問題[2]。

1.2 燒粘-腐蝕的危害

為了滿足機載武器裝備質輕、高強和結構可靠的設計要求，機載發射裝置主體結構采用單面為導軌的硬鋁合金和超硬鋁合金型材，硬質陽極化處理后具有良好的日常使用和防腐蝕性能。燒粘-腐蝕機理研究表明：高溫高速燒粘-腐蝕主要源于高鋁粉發動機裝藥高溫高速兩相燃氣流燒粘破壞，產生防護表面缺陷———“腐蝕通道”等損傷和損耗的結果。“腐蝕通道”是燒粘-腐蝕的根源，不同導彈燒粘-腐蝕的差異，源于導彈發動機裝藥兩相燃氣流的溫度、速度、殘渣流量的不同。

高溫高速燒粘-腐蝕不僅使機載發射裝置滑動導軌腐蝕，殘渣堆積也使掛彈和發射過程摩擦系數顯著增大（如陽極化層摩擦系數在0.5～0.8、二硫化鉬干膜0.025～0.03，而殘渣表面類似砂輪，摩擦系數大至無法測量），此外，殘渣的粘附和堆積會減小導軌與導彈吊掛之間的配合間隙，影響正常操作，甚至影響到發射過程的安全性。除對裝備使用性能的影響，燒粘-腐蝕對結構強度和可靠性的影響也不容忽視。

2 高溫高速燒粘-腐蝕評估技術及其進展

2.1 燒粘-腐蝕的試驗與評估

一次外場導彈發射試驗需要提前進行產品的生產裝配、多次性能測試和試驗，動用大量的配套人員和設施，以及外場軍方的測試手段、場地、遙測觀察、載機等等，成本十分昂貴。所以，對于燒粘防護研究而言，導彈實際發射試驗的機會其實很少。除成本高、試驗周期長等因素外，還存在現場可提供的對比試驗條件限制多、可控性差、試驗本身的高度危險性等因素，使得實際發射試驗通常只能作為驗證考核試驗。因此，建立較為完善、實用的評估分級方法和試驗手段是長效燒粘-腐蝕防護研究的基礎[5]。

機載導彈高溫高速燃氣流的“燒粘”過程是氣動環境與材料熱化學和熱力學作用的復雜過程，結果分別或同時包含了燒蝕、沖蝕和粘渣等多種破壞現象，存在著熱沖蝕減重、粘渣增重以及燒蝕產生炭化、脫落等現象，采用“稱重法”或者用殘渣“附著力”或“+、-”或文字描述來表征燒粘-腐蝕破壞程度，都不準確。研究發現以分級方式將連續變化的試驗觀測值轉化為非連續的分立數值，可快速量化評估研究中的燒粘-腐蝕和防護效果[5]，已用于防燒粘方案的研究、篩選和改進。

通常，材料的耐熱性可采用常規熱分析方法[2，5]，如TG，DTA，DSC以及動態機械分析等試驗評估和表征。在常規實驗室中，電熱鼓風烘箱、馬福爐常用于從室溫到1500℃高溫加熱。然而，這種加熱方式與高溫高速燒粘-腐蝕瞬時過程的差異太大；實驗室常用的酒精噴燈或燃氣燈的燒蝕過程與發動機的燒蝕有相似之處，但燒蝕溫度和熱流偏低，與實際工況差距大，也不適用于高溫高速燒粘-腐蝕的表征。此外，防護方案和措施的不確定性和復雜性（如涂層防護、表面處理防護或其他防護方案等），很難簡單地按涂層、鍍層類指標體系或僅以材料耐熱性或抗侵蝕性等指標量化評估。一種從燒粘-腐蝕機理出發，將瞬時破壞解析成高溫燒蝕、高速熱沖蝕、粘渣、腐蝕等破壞因素，有針對性防護的思想為改進研究防護技術、完善燒粘-腐蝕的評估提供了方向。

發動機燃氣瞬時的高溫燒蝕、熔融殘渣的高速熱沖蝕磨損、粘渣燒蝕、輻射及其耦合破壞作用的機理十分復雜。考慮到燒粘過程是氣動力學與材料的熱化學和熱力學的復雜作用過程，相關因素多、關系復雜，從燒蝕角度出發，除TG，DSC以及DMA等常規熱分析方法外，還可以借鑒航空航天領域的其他燒蝕評估技術[5]，如GJB323—92氧乙炔燒蝕試驗，航天常壓駐點電弧等離子燒蝕試驗方法，燒蝕材料內部溫度測量方法；企標級的等離子燒蝕試驗方法，水冷量熱測量熱流密度方法等。

研究人員為評估戰略導彈、宇航飛行器再入大氣層時“粒子云”的侵蝕破壞，已建立多種抗侵蝕試驗方法[2，5]：（1）電子槍、激光槍等，用以模擬單粒子撞擊效應；（2）電弧加熱器、彈道靶、固體發動機燃氣流等，模擬多粒子碰撞；（3）各種高速氣流、液流噴砂、以及利用高速轉盤離心力的粒子流沖蝕模擬方法等。這些方法中有些試驗成本偏高、適應面窄，僅能作為防燒粘應用研究的參考。針對燒粘現象的特點通過分析和建模，用因素解析方法可以了解各主要破壞作用的方式、程度。

根據燒粘-腐蝕破壞機理，其主要破壞因素可解析為：（1）高溫氣相燒蝕；（2）高速粒子流沖蝕；（3）熔融殘渣的粘附燒蝕；（4）輻射破壞。研究中曾參照采用氧乙炔焰或等離子燒蝕作為熱模擬試驗；高速噴砂沖蝕磨損作為冷模擬試驗研究抗沖蝕性能；采用發動機試車臺模擬試驗裝置代替導彈實際發射了解燒蝕粘渣工況，考察防燒粘材料和技術的工程實用性；通過粒徑、硬度、質量流量和流速的選取、控制，采用5級外觀目視方法判別沖蝕破壞程度（P，%）[2，5]，可獲得抗侵蝕篩選數據[10]。石英燈快速加熱的熱輻射試驗是航空航天領域廣泛采用的一種加熱試驗方法。該類試驗首先需要通過計算、分析確定全過程輻照強度的熱流曲線，制作試驗裝置，按熱流曲線進行試驗。圖1所示為美國NASADryden飛行研究中心飛行載荷實驗室結構熱試驗裝置。

發動機試車臺模擬試驗與實際發射相比，點火試驗的機會更多、模擬真實（綜合了燒蝕、粒子流沖蝕與粘渣作用）、代價相對較小。燒粘破壞（P）分5級評估。發動機試車臺模擬裝置、原理見文獻[2-5]。

環境適應性試驗是高溫高速燒粘-腐蝕防護技術能否工程化應用的另一項重要評估內容。除燒粘-腐蝕專項評估外，要求參照GJB150或GJB150A《軍用設備環境試驗方法》系列試驗作為綜合評估燒粘-腐蝕防護技術能否適合實際服役環境條件的依據。進行燒粘前后環境試驗考核，要求評估試驗件與發射裝置材質、狀態、機械加工、熱處理和表面處理相同。

燒粘部位在濕熱、鹽霧環境中的腐蝕現象是燒粘破壞的典型特征。以往對于檢測防護有效性最直觀和有效的方法是燒粘后外觀檢查燒粘部位是否粘渣和粘渣嚴重程度，然后將燒粘產品、試驗件置于規定的濕熱、鹽霧環境中，觀察環境腐蝕的嚴重程度。2.2 腐蝕試驗技術腐蝕試驗通常采用一定數量的與待試材料狀態相同的試驗件投入腐蝕環境，達到規定時間后，觀察、記錄其外觀變化，測試其性能變化，采用稱重等方法測算出腐蝕造成的質量損失。如GB 11112—89《有色金屬大氣腐蝕試驗方法》提出的腐蝕質量損失測算：

式中：V為腐蝕速率，g/m2h；K為腐蝕速率換算系數；m1為腐蝕試驗前試驗件質量，g；m2為腐蝕試驗后試驗件質量，g；A為試驗件表面積，m2；t為腐蝕時間；ρ為密度，g/m3。GB/T14165—2008給出了大氣腐蝕試驗現場的一般要求。

防護涂層下的金屬腐蝕是由于涂層失效出現的一個從量變到質變的過程，這種轉折點往往不易察覺：雖然肉眼檢查時涂層完好，而涂層下的金屬基體可能實際上已發生腐蝕，帶來破損隱患和其他事故的潛在風險。有機涂層下金屬腐蝕的本質是一種電化學過程，因而電化學技術是現場檢測這種腐蝕的主要方法。國內外對電化學阻抗譜（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，EIS）、電流中斷（CurrentInterruption，CI）、電化學噪聲（ElectrochemicalNoise，EN）等技術進行了較廣泛的研究，提出了不同環境快速準確測量涂層保護性能及檢測涂層下金屬腐蝕情況的技術和方法。此外，近期在遠場渦流（RemoteFieldEddyCurrent，RFEC）技術方面也有了新的突破和進展。文獻[11]針對以上涂層下金屬腐蝕無損檢測技術的現狀與進展進行了評述。其中，電化學阻抗譜、電化學噪聲和電流中斷屬于電化學檢測技術，通過解析獲取電化學參數來表征涂層性能和涂層下金屬的腐蝕狀態。而遠場渦流技術可檢測到涂層下金屬腐蝕的定量數據，其方法更為直接和可靠，可在機載發射裝置涂層下金屬腐蝕檢測中發揮作用。

隨著檢測和監測技術的發展，當代技術已具備多種腐蝕連續監控和測試手段，在航空、航天等國防和民用領域廣泛應用。例如：物理機械方法、無損檢測方法、電化學方法、光纖腐蝕傳感技術、化學方法等。其中，外觀檢測方法采用肉眼或工具（如放大鏡、內窺鏡、千分尺照相和攝像設備等）對腐蝕現象、程度觀察和比對獲得評估意見最為簡便實用。此外，還有超聲波檢測方法、渦流檢測方法、漏磁桶檢測方法、滲透檢測方法、射線檢測方法、紅外檢測方法、電化學檢測方法等，這些方法為燒粘-腐蝕的現場監控提供了有力的手段。2.3 殘渣成分與顯微結構分析

現代顯微技術的發展，擴大了人的視力范圍，能夠從微觀尺度觀察燒粘過程表面結構發生的變化，分析材料和性能的變化，了解燒粘-腐蝕破壞機理和現象。鑒于燒粘-腐蝕的變化主要發生在微米級尺度，掃描電子顯微鏡（ScanningElectron Microscope）、電子探針儀（Electronprobemicroanalyser）、X-射線電子能譜等顯微分析成為揭示燒粘-腐蝕機理的重要手段。電子探針、掃描電鏡EDS，以及X-射線光電子能譜對殘渣腐蝕物微區成分進行分析，有助于認知燒粘-腐蝕過程。例如，利用電子探針高能電子束轟擊燒粘樣件表面，激發出特征X射線，按其波長及強度對燒粘表面微區進行定性及定量分析。此外，X-射線熒光光譜分析技術重現性好、測量速度快、靈敏度高，適合分析原子序數為F（9）～U（92）的各種元素，且樣品可以是固體、粉末、熔融片或液體，無需分離，可以十分便捷地進行燒粘-腐蝕殘渣分析。

掃描電子顯微鏡是自20世紀60年代以來迅速發展起來的一種新型顯微分析手段。由于制樣簡單、放大倍數可調范圍寬、圖像分辨率高、景深大等特點，被廣泛應用于燒粘表面、殘渣形貌分析；燒粘-腐蝕試驗件微區成分分析；測量厚度；觀察試驗件各區域細節信息。

2.4 長效防護快捷評估技術研究

所謂“長效”，是指用戶針對已有高溫高速燒粘-腐蝕防護技術僅僅能滿足幾次機載導彈發射燃氣燒蝕防護狀況提出的一個終極完善的目標：要求在正常維護保障條件下，達到在首次大修期限或服役總壽命內上百次發射過程中無需費時、費力地清除殘渣、防護腐蝕的特別護理。

機載發射裝置的服役壽命有多種指標，包括以時間度量的產品壽命和產品使用方面的工作壽命。對于前者，目前用戶要求按載機同壽命對待，已提高到20～30年；而工作壽命涉及發射上百次和掛飛數百架次、以及通電時間為度量的壽命指標。鑒于機載發射裝置的設計制造水平和服役狀況，達到在國防倉庫中自然存放到時間度量上的總壽命已經是可實現技術目標，而如何實現總壽命期內的外場免維修“零保障”———長效燒粘-腐蝕防護是當前機載裝備面臨的主要綜合保障難題。因此，應該以高溫高速燒粘-腐蝕防護效能，即以外場免發射燒粘-腐蝕專項維修次數作為長效防護評估的技術指標，考核達到首次大修期限或總壽命的長效防護有效性和持續性。

2.5 燒粘-腐蝕防護研究進展

目前，采用燒粘界面破壞顯微分析技術、電化學腐蝕分析技術、吹砂侵蝕冷模擬試驗、氧乙炔燒蝕熱模擬試驗和發動機試車臺模擬試驗技術已用于燒粘防護應用研究。尤其是發動機模擬試驗，與實際情況十分接近。研究人員嘗試了等離子體火焰噴射、超音速火焰噴射、高速剪切沖擊等試驗及計算機模擬分析技術在燒粘防護工作中的應用。

為實現總壽命服役期燒粘-腐蝕長效防護———“零保障”技術的工程應用，實驗室針對機載發射裝置燒粘-腐蝕評估應用需求，完成“高溫高速燒粘-腐蝕機理”、“燒粘-腐蝕故障模式及系統影響分析”、“機載發射裝置總壽命期內燒粘-腐蝕趨勢模型”、“機載發射裝置燒粘-腐蝕防護有效性和耐久性快捷評估技術”等專項研究，建立了機載發射裝置總壽命期內防護有效性和耐久性評估數理統計模型、專項評估試驗方法和試驗設計———為通過有限試驗快捷評估總壽命期內待評方案是否防燒蝕、少粘渣、耐腐蝕，以及是否具有長效壽命奠定了堅實的基礎。目前，利用實驗室發射壽命評估設施和方法、以及環境實驗室耐久性試驗系統，結合上述燒粘-腐蝕評估技術，不僅可以評估總壽命期間機載發射裝置服役壽命，還可以評估防護措施是否滿足用戶要求的有效和長效。

通過對燒粘-腐蝕機理的研究和對連續燒粘-腐蝕的觀察研究，建立了依照數理統計理論的燒粘-腐蝕發展趨勢模型，建立了不依賴反復多次重復進行費時費工的環境腐蝕試驗評估方法———將防護表面對高溫高速連續燒粘數次的響應狀況分成5級，可以快捷評估燒粘-腐蝕防護的有效性和持續性。依據S對燒粘-腐蝕破壞的觀察，結合環境試驗經驗改進了一種快捷定性評估方法：

1級（100%不燒粘，粘渣率為0，理想型燒粘-腐蝕防護技術）；

2級（95%～100%不燒粘，粘渣≤5%，工程可實施長效燒粘-腐蝕防護型）；

3級（90%不燒粘，粘渣率5%～10%，經濟燒粘-腐蝕防護型）；

4級（燒粘≤25%，粘渣≤25%，臨時型防護技術）；

5級（100%燒粘，粘渣25%～100%，易燒粘-腐蝕型）。

根據以上分級方法和燒粘-腐蝕發展趨勢，理想型長效燒粘-腐蝕防護表面對高溫高速燒粘破壞作用不敏感，具備“零粘渣、零損傷”特征；而典型的易燒粘-腐蝕型表面僅遭遇一次高溫燃氣燒粘，即可出現嚴重的表面損傷，燃氣殘渣與這類表面具有良好的親和力，具有“顯著粘渣、防護層損耗殆盡或呈現眾多深達金屬基體的腐蝕通道”的典型燒粘-腐蝕特征。實際上，多數防護方案介于理想型長效燒粘-腐蝕與易燒粘-腐蝕型兩種情況之間。同理，將高溫高速燒粘后防護表面在腐蝕誘導環境中（濕熱、鹽霧等環境）的響應分成5級：

1級（100%無腐蝕，無變化，理想型）；

2級（95%～100%無腐蝕，工程可實施的長效燒粘-腐蝕防護型）；

3級（90%無腐蝕，耐腐蝕型防護表面）；

4級（腐蝕面積≤25%，臨時性防護型，需借助外場臨時性防護措施）；

5級（腐蝕面積≥25%，典型的極易腐蝕情況）。

2.6 燒粘-腐蝕評估技術的應用

研究發現，實驗室單因素模擬試驗（如燒蝕或侵蝕試驗）適宜于單一破壞因素的比較，而發動機試車臺點火試驗模擬逼真、多因素綜合效果好，適合作為平行方案對比和防護有效性考核與驗證。為驗證和完善快捷評估方法，進行了多方案、連續燒粘試驗和環境腐蝕試驗。結果表明，不同防護方案在高溫高速燒粘-腐蝕破壞作用下的表現大相徑庭。例如，防護方案A經1次燒粘即出現粘渣>50%，第二次達到100%，按分級方法可從外觀直接判斷其沒有單次防護效果，不具備首次大修期限或總壽命燒粘-腐蝕的長效防護功效。為驗證其正確性，將帶殘渣的燒粘試驗件截片進行顯微結構分析，發現多處“腐蝕通道”，再按GJB150.9規定連續10天交變濕熱試驗，第5天開箱后發現嚴重腐蝕；同樣，其截片在GJB150.11鹽霧環境中24h后嚴重腐蝕。

采用防燒粘涂料的臨時性防護方案B，燃氣沖刷過程中由于功能涂料FZGT-1的保護作用，隔離了高溫高速燒粘-腐蝕破壞作用，避免了殘渣的粘附破壞。因此，每次燒粘后表面仍潔凈、光亮、無殘渣。然而，燒粘表面的FZGT-1的損耗十分明顯，單次損耗可達40%～100%。如果沒有FZGT-1繼續防護，則在后續燒粘破壞作用下，就如同方案A的情況。

方案C經連續多次燒粘表面僅僅輕微燒粘（≯2.5%），多次燒粘后防護表層結構完整，無腐蝕通道，腐蝕率始終保持在0，按照快捷評估分級方法應屬于2級防燒粘，可能具備首次大修期限或總壽命內的長效燒粘-腐蝕防護功能。將不同累計次后的燒粘試驗件截片進行連續10天的GJB150.9交變濕熱試驗，未發現腐蝕；同樣的試驗件經GJB150.11鹽霧試驗96h后也無腐蝕現象，該樣件防護特性可能具備長效防燒粘潛力。其他方案與上述A，B，C方案各有異同。對比上述多種試驗方案單次到多次燒粘、濕熱和鹽霧試驗結果發現，分級評估定性方法達到了簡便、快捷的使用效果。

3 結 束 語

高溫高速燒粘-腐蝕破壞是導軌式機載導彈發射裝置使用維護的工程技術難題，涉及到產品的使用、維護、壽命及安全性，也影響到部隊的戰斗力。高溫高速燒粘-腐蝕機理的研究，燒粘-腐蝕工況的模擬技術和評估技術的研究，臨時性防護技術的應用以及總壽命免維護技術的研究進展，推動了機載裝備技術的進步。

參考文獻：

[1]肖軍，石寶仁，郭湘生.沿海部隊導彈發射裝置防腐蝕應用研究[J].海軍裝備，1998（9）：38.

[2]肖軍，李鐵虎，張秋禹，等.滑軌防高溫高速燒粘技術應用研究及進展[J].宇航材料工藝，2003，33（2）：14-18.

[3]肖軍，周惠娣，李鐵虎，等.導軌表面MoS2干膜防護高溫高速兩相燃氣流的應用研究[J].摩擦學報，2003（10）：13-16.

[4]肖軍，張勝利，田云峰，等.導彈發射裝置的燒粘問題與現場防護[J].航空兵器，2003（2）：25-27.

[5]肖軍，張秋禹，李鐵虎，等.發動機燃氣燒粘破壞量化評估方法[J].宇航材料工藝，2003，33（5）52-56.

[6]肖軍，李鐵虎，陳建敏，等.機載武器抗燒蝕防護涂層的研究[J].材料保護，2003，36（6）：34-37.

[7]肖軍，張勝利，楊慶賀.海航飛機和裝備的防腐蝕涂層[J].航空兵器，2002（4）：42-44.

[8]辜席傳.機載導彈的發射與發射裝置[J].航空兵器，1982（4）：2-3.

[9]辜席傳.機載導彈發射時導彈尾噴燃氣流影響的分析[J].航空兵器，1984（2）：2-3.

[10]魏琪，崔明亮，馮艷玲，等.新型高溫沖蝕磨損試驗方法研究[J].中國表面工程，2010，23（5）.

[11]楊飛，周永峰，胡科峰，等.腐蝕防護監測檢測技術研究的進展[J].全面腐蝕控制，2009，23（11）.