金屬涂層的日歷壽命計(jì)算公式和試驗(yàn)方法

張福澤空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

金屬涂層的日歷壽命計(jì)算公式和試驗(yàn)方法

張福澤*
空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

通過(guò)涂層腐蝕損傷試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)涂層有與金屬腐蝕溫度-時(shí)間(T-H)曲線一致的T-H曲線，而且還有相同的使用環(huán)境譜。由于金屬日歷壽命計(jì)算公式正是根據(jù)T-H曲線和使用環(huán)境譜推導(dǎo)出來(lái)的，因此涂層的日歷壽命計(jì)算公式與金屬日歷壽命計(jì)算公式相同。通過(guò)試驗(yàn)研究，還發(fā)現(xiàn)金屬涂層對(duì)試驗(yàn)溫度敏感且有規(guī)律，由此獲得涂層日歷壽命的有效試驗(yàn)方法是提高試驗(yàn)溫度。為驗(yàn)證上述結(jié)論，進(jìn)行了鋁涂層日歷壽命的理論計(jì)算和試驗(yàn)實(shí)例對(duì)比研究。

金屬涂層； 日歷壽命； 溫度-時(shí)間曲線； 腐蝕損傷； 環(huán)境譜

文獻(xiàn)[1]通過(guò)對(duì)法拉第定律和金屬腐蝕影響因素研究，并經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，給出了金屬腐蝕損傷日歷壽命計(jì)算公式。有了這個(gè)公式，設(shè)計(jì)師就可以在機(jī)械的設(shè)計(jì)階段，像預(yù)測(cè)金屬疲勞壽命一樣，預(yù)測(cè)出金屬在腐蝕環(huán)境下的日歷壽命。經(jīng)多方試驗(yàn)驗(yàn)證，這個(gè)模型適用、有效。但一個(gè)機(jī)械的日歷壽命不僅取決于金屬本體的腐蝕日歷壽命，還取決于金屬防護(hù)涂層的有效日歷壽命，防護(hù)涂層不失效，金屬就不會(huì)腐蝕，機(jī)械日歷壽命就可以增長(zhǎng)。因此在研究機(jī)械設(shè)備日歷壽命時(shí)，還要研究防護(hù)涂層的日歷壽命。目前國(guó)內(nèi)外在金屬涂層日歷壽命理論計(jì)算方面，尚沒(méi)有找到直接計(jì)算的模型和確定方法，因此工程上無(wú)法給出日歷壽命。

本文通過(guò)金屬涂層的使用環(huán)境和失效性能曲線分布規(guī)律研究，給出金屬涂層日歷壽命計(jì)算可用金屬本體日歷壽命計(jì)算公式的結(jié)論。

為了討論方便，現(xiàn)把文獻(xiàn)[1]的金屬日歷壽命計(jì)算公式轉(zhuǎn)述如下，即

(1)

式中：Hi為腐蝕機(jī)件在某一介質(zhì)環(huán)境中，在第i級(jí)溫度下，腐蝕到損傷容限D(zhuǎn)c時(shí)的時(shí)間；hi為在使用溫度譜中，第i級(jí)溫度對(duì)應(yīng)的時(shí)間；λ為金屬腐蝕到損傷容限D(zhuǎn)c時(shí)使用溫度譜的總循環(huán)塊數(shù)；k為使用溫度-濕度譜的溫度級(jí)數(shù)；m為濕度級(jí)數(shù)。

1 金屬涂層與金屬本體的比較

1.1 金屬涂層與金屬本體所處使用環(huán)境比較

在金屬日歷壽命計(jì)算式(1)建立時(shí)，是以腐蝕環(huán)境中的溫度和濕度作為重復(fù)施加的主要腐蝕變量因素的，其他腐蝕因素放到試驗(yàn)溶液中。這樣就把腐蝕問(wèn)題變成溫度和濕度的“疲勞”了。為此文獻(xiàn)[2]研究給出了一種符合金屬日歷壽命計(jì)算式(1)要求的溫度-濕度譜。由于金屬涂層是附在金屬表面上的，且處于同一個(gè)腐蝕環(huán)境之中，因此，溫度-濕度譜既是金屬日歷壽命計(jì)算的外部條件，也是涂層日歷壽命計(jì)算的外部條件。在腐蝕環(huán)境譜上，涂層與金屬的日歷壽命計(jì)算是一致的，因此，金屬日歷壽命計(jì)算式(1)的外部條件要求，防護(hù)涂層都能滿足。

1.2 金屬涂層與金屬本體兩種性能曲線規(guī)律比較

1.2.1 金屬涂層失效的溫度-時(shí)間(T-H)曲線測(cè)試研究[3]

1) 金屬涂層腐蝕試驗(yàn)的試件

該試驗(yàn)選擇了航空常用材料LY12CZ和30CrMnSiA的防護(hù)涂層進(jìn)行研究。試件的涂層和表面處理皆與飛機(jī)結(jié)構(gòu)處理一致，如表1所示。

2) 金屬涂層腐蝕試驗(yàn)的介質(zhì)和濃度d

試驗(yàn)介質(zhì)以海南陵水的腐蝕介質(zhì)成份為基準(zhǔn)(d=1)，試驗(yàn)的腐蝕介質(zhì)成份、濃度及pH值如表2 所示。

表1 金屬涂層

表2 介質(zhì)的成分和含量

3) 金屬涂層腐蝕試驗(yàn)的溫度和濕度

① 試驗(yàn)溫度T為：8 ℃、30 ℃、50 ℃、70 ℃和-50 ℃；② 試驗(yàn)濕度RH為100%。

4) 金屬涂層腐蝕試驗(yàn)的失效判據(jù)

① 涂層破裂，使金屬本體裸露；② 涂層表面大面積起泡，起泡處在正常環(huán)境下不能恢復(fù)原狀，使涂層作用失效。

5) 金屬涂層腐蝕試驗(yàn)的T-H曲線

LY12CZ和30CrMnSiA涂層純腐蝕(加-50 ℃ 的冷凍試驗(yàn))和腐蝕疲勞(加-50 ℃的疲勞載荷)的T-H曲線分別如圖1和圖2(橫坐一個(gè)試驗(yàn)周期為7天)所示。標(biāo)

圖1 LY12CZ涂層純腐蝕和腐蝕疲勞的T-H曲線

(d=20, RH=100%)

Fig.1 Pure corrosion and corrosion fatigue T-H curves of LY12CZ coating (d=20, RH=100%)

1.2.2 3種金屬材料的T-H曲線

為了便于比較，在此列出文獻(xiàn)[4]對(duì)LY12CZ、LC4CS和30CrMnSiA這3種金屬的試驗(yàn)T-H曲線，如圖3所示[5-7]。

圖3 3種金屬材料的試驗(yàn)T-H曲線[5-7]

Fig.3 Test T-H curves of three kinds of metal materials[5-7]

1.2.3 金屬涂層與金屬的T-H曲線比較

從圖1～圖3可看出，高于8 ℃的金屬涂層T-H曲線和金屬T-H曲線，在腐蝕失效(或一定腐蝕量)下，腐蝕時(shí)間H隨腐蝕溫度T降低而增加，并近似線性變化，在這一變化規(guī)律上，它們是一致的，但涂層T-H曲線線性關(guān)系更好些。

圖2 30CrMnSiA涂層純腐蝕和腐蝕疲勞的T-H曲線(d=20, RH=100%)

Fig.2 Pure corrosion and corrosion fatigue T-H curves of 30CrMnSiA coating (d=20, RH=100%)

低于8 ℃的3條金屬T-H曲線，H隨T的降低呈快速增加的趨勢(shì)，即類似于疲勞極限部分。但低于8 ℃的4條涂層T-H曲線，由于試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)，沒(méi)有繼續(xù)試下去，因此類似于疲勞極限的部分沒(méi)顯現(xiàn)出來(lái)。不過(guò)，文獻(xiàn)[1]在建立金屬日歷壽命計(jì)算式(1)時(shí)，主要用的是金屬T-H曲線的近似線性部分，因此這對(duì)研究防護(hù)涂層日歷壽命計(jì)算公式是否可用金屬的計(jì)算式(1)是不受影響的。

1.3 金屬涂層日歷壽命計(jì)算公式

通過(guò)防護(hù)涂層與金屬本體的使用環(huán)境和T-H曲線比較，發(fā)現(xiàn)二者都是相同的。即防護(hù)涂層也有式(1)建立的條件，因此式(1)也適用于防護(hù)涂層日歷壽命計(jì)算。但金屬本體與防護(hù)涂層的失效模式不同，前者以腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c為失效模式，后者以防護(hù)涂層破裂為失效模式，這對(duì)確定式(1)中的參數(shù)Hi和λ值是不同的，但其他參數(shù)是相同的。這樣本文就把防護(hù)涂層和金屬本體日歷壽命理論計(jì)算公式統(tǒng)一為式(1)，從而解決了防護(hù)涂層日歷壽命的理論計(jì)算難題。

2 確定金屬涂層日歷壽命的試驗(yàn)方法

2.1 編制金屬涂層試驗(yàn)溫度-濕度譜

2.1.1 編制規(guī)則

1) 金屬涂層試驗(yàn)的溫度-濕度譜必須是高溫-高濕譜。這是在試驗(yàn)方法研究中獲得的，一般高溫-高濕譜比使用溫度-濕度譜相應(yīng)級(jí)別高2倍左右，具體數(shù)據(jù)視不同涂層和試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)短而定。

2) 金屬涂層試驗(yàn)的高溫-高濕譜必須是等腐蝕損傷的譜。這里的等腐蝕損傷是指與使用溫度-濕度譜等損傷，只有這樣才能保證用高溫-高濕譜試出的日歷壽命與使用環(huán)境的日歷壽命相等。

2.1.2 高溫-高濕譜編制

金屬涂層試驗(yàn)的高溫-高濕譜的具體編制，是由定壽機(jī)械所處地區(qū)的實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)值編制的。表3 為海南陵水地區(qū)的使用溫度-濕度譜，表4為高溫-高濕譜(根據(jù)試驗(yàn)需要，各級(jí)的T還可提高1倍)。這兩個(gè)譜的溫度和濕度級(jí)別相差很大，試驗(yàn)時(shí)間由10.7個(gè)月縮短至1.66個(gè)月，但它們是等腐蝕損傷的，理論上講，它們?cè)嚦龅娜諝v壽命是相等的。

表3 海南陵水5年原始3維環(huán)境譜

表4 海南陵水1年3維環(huán)境譜

表5 海南陵水環(huán)境的介質(zhì)成分和含量

2.2 試驗(yàn)介質(zhì)溶液的配制

試驗(yàn)介質(zhì)溶液要根據(jù)定壽機(jī)械所在地區(qū)的實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)的介質(zhì)成份和含量進(jìn)行配制。如表5海南陵水濃度(d=1)的試驗(yàn)介質(zhì)成份和含量所示。

2.3 選用疲勞載荷譜

由于低溫疲勞會(huì)影響壽命[8-9]，因此在日歷壽命試驗(yàn)中，不僅要模擬地面停放的腐蝕介質(zhì)、溫度、濕度等多種因素的影響，而且還要模擬高空-50 ℃ 的疲勞載荷的影響。編制疲勞載荷譜是疲勞定壽領(lǐng)域的問(wèn)題，日歷壽命試驗(yàn)的疲勞載荷要根據(jù)試件狀況和試驗(yàn)設(shè)備水平，將疲勞試驗(yàn)中的疲勞載荷譜進(jìn)行適當(dāng)修改，才可直接應(yīng)用。

2.4 金屬涂層試件

對(duì)于金屬涂層試件，必須保證涂層的金屬和噴涂工藝與定壽裝備一致。試件的尺寸視試驗(yàn)溫度-濕度箱尺寸而定，最好進(jìn)行全尺寸構(gòu)件的試驗(yàn)。

2.5 金屬涂層日歷壽命試驗(yàn)

金屬涂層日歷壽命試驗(yàn)要根據(jù)所編制的溫度-濕度譜、配制的試驗(yàn)介質(zhì)溶液和修改的疲勞載荷譜進(jìn)行。由于該試驗(yàn)的介質(zhì)成份和含量是使用環(huán)境(d=1)值，試驗(yàn)的高溫-高濕譜是按使用環(huán)境的溫度-濕度譜等損傷換算獲得的，從損傷理論上講，它們的損傷值是相等的，日歷壽命也應(yīng)該相等，因此說(shuō)，該試驗(yàn)結(jié)果就是使用日歷壽命，不需要再“當(dāng)量折算”了。

3 LY12CZ鋁涂層的日歷壽命計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比研究

為了考驗(yàn)用式(1)計(jì)算的涂層日歷壽命與試驗(yàn)的日歷壽命之間差別的真實(shí)性和公信度，本文的計(jì)算和試驗(yàn)是在互不知情下分別進(jìn)行的。

3.1 日歷壽命理論計(jì)算值

1) LY12CZ試件和涂層如表6所示。

表6 LY12CZ鋁合金的試件和涂層

2) LY12CZ涂層的T-H曲線

為了計(jì)算涂層的日歷壽命，首次進(jìn)行了LY12CZ鋁合金涂層(按表6)的T-H曲線測(cè)試研究。

① 涂層的T-H曲線試驗(yàn)的介質(zhì)成份、含量和濃度按表2(d=1狀態(tài))進(jìn)行。

② 涂層的T-H曲線試驗(yàn)的溫度T分別為25 ℃、50 ℃、65 ℃。

③ 涂層試驗(yàn)結(jié)果：由于該試驗(yàn)是用海南陵水d=1的真實(shí)介質(zhì)成份和含量進(jìn)行的，因此試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)(1年)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7，試驗(yàn)T-H曲線見(jiàn)圖4。

表7 LY12CZ鋁涂層試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 LY12CZ涂層的試驗(yàn)T-H曲線

Fig.4 Test T-H curve of LY12CZ coating

3) LY12CZ鋁涂層日歷壽命計(jì)算

① 計(jì)算公式取式(1)。

② 式(1)中的hi值：取試驗(yàn)譜表8中的溫度40 ℃、50 ℃、60 ℃對(duì)應(yīng)的時(shí)間，分別為168.0 h、185.9 h、186.4 h。

③ 式(1)中的Hi值：由圖4的鋁涂層T-H曲線，查得溫度40 ℃、50 ℃、60 ℃對(duì)應(yīng)的涂層失效時(shí)間Hi分別為5 628 h、5 040 h、4 418 h(1 cycle=168 h)。

④ LY12CZ鋁涂層日歷壽命計(jì)算結(jié)果。

將獲得的hi和Hi各值分別代入式(1)中，由于該計(jì)算用的溫度-濕度譜是一個(gè)日歷年的譜，它的相對(duì)濕度RH只有1級(jí)(100%)，即式中(1)的m=1，因此可算得LY12CZ鋁涂層日歷壽命值。然后將該計(jì)算值存放在不參與計(jì)算和試驗(yàn)的人那里，并封存起來(lái)。

3.2 日歷壽命試驗(yàn)值

1) LY12CZ試件和涂層

試件尺寸為：48 mm×23 mm×6 mm，涂層參數(shù)同表6，共4件。

2) 試驗(yàn)溫度-濕度譜如表8所示。

表8 LY12CZ涂層的試驗(yàn)譜

3) 試驗(yàn)介質(zhì)的成份和含量如表5所示。

4) 試驗(yàn)

① 試驗(yàn)進(jìn)程和檢查

將選定的LY12CZ鋁涂層試件(4件)放入按表5 配制的試驗(yàn)溶液中，然后在溫度-濕度箱內(nèi)按表8所示溫度譜進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用一個(gè)循環(huán)塊的(一個(gè)日歷年)循環(huán)方式進(jìn)行。試驗(yàn)共進(jìn)行14個(gè)循環(huán)塊，在完成第12個(gè)循環(huán)塊后，發(fā)現(xiàn)LY12CZ涂層已有起泡、塌陷現(xiàn)象，涂層局部細(xì)微區(qū)域已經(jīng)存在破損現(xiàn)象，有誘發(fā)金屬本體腐蝕趨勢(shì)。在完成第13個(gè)循環(huán)塊后，涂層局部區(qū)域已有開(kāi)裂、破損脫落現(xiàn)象。涂層開(kāi)裂處的金屬已有近0.3 mm2的腐蝕面積，當(dāng)?shù)?4個(gè)循環(huán)塊完成后，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重，終止試驗(yàn)。

② 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)防護(hù)涂層失效標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)檢查結(jié)果，相關(guān)專家認(rèn)為，這次LY12CZ鋁涂層的試驗(yàn)是成功的，涂層試驗(yàn)失效周期應(yīng)是第12試驗(yàn)循環(huán)塊，即12日歷年。

3.3 日歷壽命的理論計(jì)算值與試驗(yàn)值比較

該項(xiàng)涂層日歷壽命計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比研究是由不同人、不同時(shí)間、在不同單位互不通氣的情況下完成的。首先，由理論計(jì)算人算出涂層的計(jì)算日歷壽命值，將它封存起來(lái)；然后，由試驗(yàn)者按計(jì)算用的環(huán)境譜進(jìn)行試驗(yàn)，給出涂層的試驗(yàn)日歷壽命值；最后，在一次日歷壽命專業(yè)會(huì)上揭封，宣布封存的計(jì)算值與試驗(yàn)值。對(duì)比的結(jié)果是：LY12CZ鋁涂層的計(jì)算日歷壽命為9.18年，試驗(yàn)的日歷壽命為12年，試驗(yàn)值比計(jì)算值高23.5%。這說(shuō)明涂層的日歷壽命計(jì)算公式和試驗(yàn)方法是相通、相融適用的。

4 結(jié) 論

金屬涂層的日歷壽命試驗(yàn)，要用使用環(huán)境的介質(zhì)成份與含量(d=1)和高溫-高濕譜進(jìn)行試驗(yàn)。由于本高溫-高濕譜與使用環(huán)境的溫度-濕度譜是等損傷的，這樣不僅可降低試驗(yàn)時(shí)間，而且試出的壽命就是涂層的使用壽命。不需要采用誤差很大的“當(dāng)量折算”，從而解決了國(guó)際腐蝕領(lǐng)域中的“當(dāng)量折算”難題。

通過(guò)對(duì)LY12CZ鋁涂層日歷壽命理論計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比的研究結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)涂層的試驗(yàn)日歷壽命值(12年)比理論計(jì)算值(9.18年)高23.5%。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明涂層的日歷壽命計(jì)算式(1)和試驗(yàn)方法是相通相融的，是可以接受的。由此，金屬涂層的日歷壽命可以通過(guò)真實(shí)使用環(huán)境的介質(zhì)和溫度-濕度譜的計(jì)算、試驗(yàn)給出，這也是本領(lǐng)域的新突破。

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張福澤 男， 中國(guó)工程院院士。主要研究方向： 飛機(jī)壽命。

Tel: 010-66713310

E-mail: zhangfuzemail@163.com

Received： 2015-09-30； Revised： 2015-11-28； Accepted： 2015-12-14； Published online： 2015-12-22 14:59

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151222.1459.006.html

*Corresponding author. Tel.： 010-66713310 E-mail: zhangfuzemail@163.com

Calculation formula and test method of calendar life of metalliccoating

ZHANG Fuze*

AeronauticalArmamentsResearchInstitute,EquipmentAcademyofAirForce,Beijing100076,China

Through research on the test of coating corrosion damage, this paper finds out that the temperature-time (T-H) curve of coating corrosion and theT-Hcurve of metallic corrosion are consistent, and they have the same service environment spectrum. Since the calculation formula of metallic calendar life is deduced from the distribution regularities and service environment spectrum ofT-Hcurve, the calculation formula of coating’s calendar life is the same as that of the metallic calendar life. It is also revealed that metallic coating is sensitive to test temperature with some regularities. Hence, an effective test method to have the calendar life of coating is to increase the temperature of the test. To verify the above-mentioned conclusion, a comparative study of theoretical calculation and test of the calendar life of aluminum coating is also conducted.

metallic coating; calendar life; temperature-time curve; corrosion damage; environment spectrum

2015-09-30；退修日期：2015-11-28；錄用日期：2015-12-14； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間： 2015-12-22 14:59

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151222.1459.006.html

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張福澤． 金屬涂層的日歷壽命計(jì)算公式和試驗(yàn)方法[J]． 航空學(xué)報(bào), 2016, 37(2): 390-396. ZHANG F Z. Calculation formula and test method of calendar life of metallic coating[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 390-396.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0339

V215.5

： A

： 1000-6893(2016)02-0390-07

*