2A12與30CrMnSiA在相同海洋大氣環境中的加速環境譜差異

劉成臣，魯國富，張金奎，王浩偉

（中國特種飛行器研究所，荊門448035）

海軍飛機相比陸基飛機，其服役環境更加惡劣，尤其是艦載飛機在任務期間一直處于高溫、高濕、高鹽分的海洋環境下，極易發生腐蝕［1-3］。由于自然老化試驗周期太長，為快速確定自然環境對飛機結構的腐蝕影響，需建立自然環境譜與實驗室加速環境譜的當量關系，從而，在較短時間內獲得飛機材料、防護體系在飛機停放環境下的腐蝕損傷規律。由于不同的結構／材料對環境的敏感性不同，需建立相對應的加速環境譜分析其在典型海洋環境下的腐蝕規律。目前的海軍飛機加速環境譜主要有金屬、涂層、復合材料三類，但是金屬種類并未進一步細分［4-5］。本工作認為不同的金屬腐蝕機理存在差異，應在試驗的基礎上針對飛機典型金屬材料分別編制加速環境譜。

為此，本工作綜合分析了某典型海洋大氣環境，建立了針對飛機常用材料2A12與30CrMnSiA的加速環境譜，為實現飛機結構日歷壽命評定工程化提供背景數據。

1 某海域基本環境譜

表1、表2為某海域14a間的年均溫濕度譜和鹽霧譜。實測數據顯示該海域年均太陽總輻射量為Q＝4 687MJ／m2，年均太陽輻射強度為Qz＝306W／m2，其中紫外線含量為6.53%。根據中國兵器工業第五九研究所在埃及貝爾貝斯空軍飛行學院的檢測結果，該海域年均發生凝露的次數為320次，每次凝露從形成開始以及在飛機表面停留的作用時間為5.5h。

表1 某海域年均溫-濕度譜Tab.1 Average annual temperature-humidity spectrum in a certain sea area

表2 某海域年均鹽霧譜Tab.2 Average annual salt spray spectrum in a certain sea area

2 金屬裸材加速環境譜

2.1.1 環境要素的篩選

根據國內外文獻及研究表明［6-7］，金屬裸材的腐蝕主要是電化學腐蝕，使金屬產生電化學腐蝕的主要環境要素有溫濕度、凝露、雨水和鹽霧。

2.1.2 加速環境譜的確定

通過環境因素分析，采用以5%NaCl溶液為基礎的周期浸潤試驗能夠充分考慮溫濕度、凝露、雨水和鹽霧的影響，同時精簡了試驗模塊。據統計，我國典型的沿海、濕熱地區酸雨的比例接近40%，其pH一般為3.5～4.5之間，為模擬酸雨對金屬的腐蝕作用，采用硫酸將溶液pH調為4來加速腐蝕。

周期浸潤試驗參數如下：

（a）腐蝕溶液：5%NaCl溶液，加少量稀H2SO4，使pH＝4～4.5；溫度T＝（40±2）℃，濕度RH＝（95±5）%；

（b）用烘烤燈照射試件，調節烘烤燈照射強度，使試件在臨近浸入溶液前被烘干。

2.1.3 當量折算法

當量折算法是工程上常用的利用金屬腐蝕電流來預估加速關系的方法，實施步驟如下［4］：

（a）將基本環境譜的作用時間折算為T＝40℃，RH＝90%的標準潮濕空氣的作用小時數t1，鋁合金和合金鋼材料在不同潮濕空氣下對應的折算系數見表3。

表3 潮濕空氣與標準潮濕空氣的折算系數Tab.3 Conversion coefficient between damp air and standard damp air

（b）將加速環境譜作用折算為水介質的作用小時數t2，鋁合金和合金鋼在不同濃度NaCl溶液中、不同濃度酸性溶液中與水介質的當量折算系數分別見表4、5。

表4 不同濃度NaCl溶液與水介質的折算系數Tab.4 Conversion coefficient between NaCl solution with different concentrations and water

（c）t1／t2為當量加速關系α，即加速環境譜作用α循環周期相當于使用環境譜的一個周期。

對于加速環境譜中采用酸性溶液應結合表4～5綜合折算。綜合折算系數β為：

表5 不同濃度酸與水介質的折算系數Tab.5 Conversion coefficient between acid with different concentrations and water

式中：β1、β2分別為NaCl濃度和酸濃度對水的折算系數。

2.1.4 某海域環境譜與標準潮濕空氣的當量折算

2.1.4 .1溫濕度作用時間折算

根據表1中的環境和表3的折算系數，計算每年潮濕空氣相當于T＝40℃（低于20℃時按20℃計算），RH＝90%的標準潮濕空氣的作用小時數：

2.1.4 .2鹽霧作用時間折算

鹽霧的作用過程可等效為相對濕度大于90%的潮濕空氣，根據表2中的環境和表3的折算系數，計算每年的鹽霧作用時間相當于標準潮濕空氣的作用小時數：

2.1.4 .3凝露作用時間折算

凝露每次作用5.5h，每年320次，平均溫度為25℃。凝露折算到T＝40℃，RH＝90%環境下的作用時間為：

2.1.5 周期浸潤加速環境譜與標準潮濕空氣的當量折算

由于加速環境譜周期浸潤的溫度是40℃，與標準潮濕空氣的溫度是相同的，因此，周期浸潤加速環境譜與標準空氣的當量折算中只考慮環境對水介質的折算。

由表4，采用插值法可得5%NaCl相對水介質的折算系數α1鋁＝0.106 6；α1鋼＝0.314。

由表5，pH＝4的稀硫酸對應的折算系數α2鋁＝0.273 2；α2鋼＝0.152。

在烘干過程中，可認為試件表面仍保留這溶液介質，利用公式（1）計算得到鋁合金和合金鋼的綜合折算系數β鋁＝0.076 68，β鋼＝0.102 87。

加速環境譜中的溶液外高溫高濕的的烘烤模擬自然環境譜中溫濕度作用，溶液浸泡模擬使用環境譜中雨霧和凝露作用，因此，烘烤時間由溫濕度作用時間折算，溶液浸泡時間由雨霧和凝露作用時間折算。由于雨霧作用時間短，按每月1次計算，每年可作為12次干濕交變，凝露每年發生320次，因此，1a時間對應的加速環境譜中干濕交變次數為（320＋12）＝332次。另溫濕度環境數據統計中包含了凝露和雨霧環境下的時間統計，折合烘烤時間應將此部分去除。

單個循環周期內鋁合金材料烘烤時間t鋁烘為27.435min，規整后取28min。

單個循環周期內鋁合金材料浸泡時間t鋁泡為5.126min，規整后取6min。

單個循環周期內合金鋼材料烘烤時間t鋼烘為18.98min，規整后取19min。

單個循環周期內鋁合金材料浸泡時間t鋼泡為7.635min，規整后取8min。

因此，鋁合金裸材試件的加速環境譜見圖1。

圖1 鋁合金裸材加速環境譜Fig.1 Accelerated environment spectrum of aluminum alloy

合金鋼裸材試件的加速環境譜見圖2。

圖2 鋼裸材加速環境譜Fig.2 Accelerated environment spectrum of steel

3 當量關系驗證

本課題組通過護航艦上掛片的形式共進行了一個護航周期共計半年自然暴露試驗，為驗證當量關系，可取加速試驗166周期的腐蝕數據進行對比即可。

3.1 試驗件及檢測設備

2A12試驗件為平板鉚接連接式，30CrMnSiA試驗件為平板螺接式，兩種試驗件尺寸一致，尺寸見圖3，厚度為3.5mm。腐蝕坑深度檢測設備為KH-7700三維體式顯微鏡，放大倍數為50～200倍，腐蝕坑深度的測量方法見國標GB／T 18590-2001所述的點蝕坑深度變焦顯微測量法。失重檢測設備為GH-202電子天平，精度為0.1mg。腐蝕失重檢測首先利用塑料刮片手工去除易剝落的腐蝕產物，然后用20%NaOH＋200g／L鋅粉組成溶液，沸騰5min，直至干凈。

圖3 試驗件尺寸（mm）Fig.3 Dimensions of test piece

3.2 試驗結果及分析

鋁合金通過點蝕腐蝕坑深描述鋁合金的腐蝕程度，且可通過兩種環境下腐蝕坑深的分布規律確定其腐蝕程度的一致性。選取失重量作為合金鋼螺接件腐蝕程度的依據。腐蝕后形貌如圖4、圖5所示，統計數據如表6～表10所示。

圖4 鋁合金試件加速腐蝕189周期后宏觀形貌Fig.4 The morphology of 2A12after accelerated corrosion for 189cycles

圖5 合金鋼試件加速腐蝕162周期后宏觀形貌Fig.5 The morphology of alloy after corrosion for 162cycle

表6 自然環境暴露一個護航周期鋁合金裸材點蝕坑深Tab.6 The pitting depth of 2A12after a convoy cycle

表7 鋁合金試驗室加速腐蝕162周期點蝕坑深Tab.7 The pitting depth of 2A12after 162cycle

表8 鋁合金試驗室加速腐蝕189周期點蝕坑深Tab.8 The pitting depth of 2A12after 189cycle

表9 自然環境暴露一個護航周期合金鋼裸材連接件重量變化Tab.9 The weight loss of alloy after a convoy cycle

表10 合金鋼試驗室加速腐蝕162周期失重數據Tab.10 The weight loss of alloy after 162cycles of accelerated corrosion

3.3 當量關系驗證及差異性分析

對自然環境下一個護航周期的試驗件數據和加速腐蝕環境下試驗件當量一個周期的數據進行一致性驗證，先用F分布驗證兩組數據的子樣方差一致性，再檢驗兩組數據的子樣平均值，相關參數可直接查看HB／Z 112-1986標準。檢驗表明［8］，鋁合金裸材加速腐蝕162周期與自然環境暴露一個護航周期的對應關系存在偏差，189周期加速試驗對于腐蝕坑深的影響相當于自然環境暴露一個護航周期，總試驗時間為6 426min。合金鋼裸材結構加速腐蝕162周期對其腐蝕失重的影響相當于某海域自然環境暴露一個護航周期，總試驗時間為4 374min。上述數據說明，周期浸潤試驗對合金鋼的加速效果明顯高于鋁合金，通過與半年自然暴露時間的對比，容易得出該周期浸潤環境譜對鋁合金的加速系數約為40，對合金鋼的加速系數約為59。

4 結論

（1）金屬裸材在海洋大氣環境的加速腐蝕可選用“周期浸潤”單個環境塊模擬，并與護航艦上自然環境暴露試驗具有較好的相關性和重現性。

（2）周期浸潤試驗對合金鋼的加速效果明顯高于鋁合金，通過與半年自然暴露時間的對比，可得出該周期浸潤環境譜對鋁合金的加速系數約為40，對合金鋼的加速系數約為59。

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