美海軍艦載航空裝備“鹽霧-SO2”試驗方法發展歷程及啟示

朱金陽，李明，程叢高

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美海軍艦載航空裝備“鹽霧-SO2”試驗方法發展歷程及啟示

朱金陽，李明，程叢高

（中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

以美海軍艦載航空裝備環境試驗方法的研究和發展為背景，詳細綜述了一種更加適用于艦載機裝備特殊鹽霧環境考核的SO2酸性鹽霧試驗方法的提出、發展及其標準化情況，并介紹了現階段美國海軍艦載航空裝備酸性鹽霧考核要求的相關規定。最后，結合我國實際情況，提出了對我國現階段艦載航空裝備環境適應性研究工作的一些啟發和建議。

環境試驗；環境適應性；艦載機；“鹽霧-SO2”試驗

從20世紀60年代開始，美國國防部認識到，隨著艦載機裝備先進性和復雜程度的提高，其采購、使用和保障費用激增，而戰備完好性卻呈現下降趨勢[1]。由于艦載環境的嚴酷性造成的腐蝕問題，被認為是影響艦載機戰備完好性的最重要原因之一。針對海軍裝備面臨的海洋大氣腐蝕問題，通常采用模擬海水或一定質量濃度NaCl溶液的中性鹽霧試驗方法加以考核，該類方法多基于ASTM B117標準[2]，MIL-STD- 810系列標準[3]中的鹽霧試驗方法就是其中的典型代表。隨著艦載航空裝備的快速發展，美國航空材料實驗室的研究人員發現，針對艦載機用材料、防護工藝等的中性鹽霧試驗往往無法準確暴露其在外場服役過程中出現的腐蝕損傷問題。例如，7075-T6和7178-T6兩種處于最大強度熱處理狀態的航空鋁合金在艦載機服役過程中極易出現剝蝕，而在中性鹽霧試驗中則一般表現為點蝕，緊固連接部位或高應力集中區域的有機涂層在實際使用中經常出現開裂，中性鹽霧試驗也不能很好地暴露這一問題[4]。另外，在一項針對機載電子產品的隨艦暴露試驗中，有11項產品均出現了由腐蝕導致的問題，但在實驗室經過500 h的中性鹽霧試驗，其中僅有3項產品出現了類似問題[5]。

20世紀70，80年代，美國海軍開展和資助了大量以艦載機環境適應性考核方法為背景的研究課題，并最終提出了更為適合艦載機服役特點的酸性鹽霧試驗方法，即“鹽霧-SO2”試驗方法。在后期不斷的應用實踐中，該方法不僅對于材料、結構、防護工藝等結構件表現出良好的適用性，而且對機載電子組件、機載設備等也顯示出很好的應用效果[6—9]。

我國艦載機發展起步較晚，研究基礎相對薄弱，但處于快速發展階段，通過借鑒、學習和吸收國外尤其美國等海上軍事強國在艦載機環境適應性研究中已有的經驗和成果，將更有利于我國艦載機裝備的快速發展。因此，文中以美國海軍酸性鹽霧試驗方法的發展歷程為主線，綜述了美海軍酸性鹽霧試驗方法的提出、發展和優化、標準化情況，介紹了現階段美國海軍艦載航空裝備酸性鹽霧考核要求的相關規定。最后，結合我國實際情況，提出了對我國現階段艦載航空裝備環境適應性研究工作的一些啟發。

1 美海軍酸性鹽霧試驗方法的研究歷程

1.1 艦面酸性鹽霧環境的形成及特點分析

艦載機在服役過程中需經受艦面特殊的酸性鹽霧環境的腐蝕，這是因為航母動力裝置排放的燃燒廢氣以及艦載機起飛、降落排放的尾氣中往往含有SO2等高水溶性污染物，當這些氣體與艦面高濕、高鹽霧的海洋大氣相遇即形成局部富集污染物的酸性鹽霧氣氛。SO2主要通過以下方式與海洋潮濕大氣反應耦合[10]：

(2)

(3)

美國海軍曾對艦船燃料燃燒排放的SO2濃度進行估算，可達330 mg/L左右（燃料S的質量分數為0.7%~0.8%），如果考慮艦載機自身排放，該值水平將會更高。美國Douglas航空公司（前波音公司）在對四艘不同航母飛行甲板停放的飛機機身濕氣液膜進行的實測結果表明，在飛行甲板上停放的飛機表面聚積的濕氣液膜中均含有SO42-，且pH較低（約為2.4~4.0）。

顯然，艦面這種特殊的局部富含SO2的酸性鹽霧氣氛對產品的腐蝕要明顯區別于一般的中性鹽霧和其它腐蝕環境。首先，SO2本身是一種很強的氧化還原劑，對一般的非金屬表面涂覆層和非金屬材料具有較強的腐蝕能力；其次，SO2與鹽霧耦合情況下，SO2與Cl的協同效應會明顯加速鋁合金等金屬材料的腐蝕，腐蝕產物主要有氧化鋁、水合硫酸鋁化合物和鋁的氯化物等[11—13]；最后，SO2以氣體狀態擴散更容易到達鹽霧成分難以到達的復雜結構產品區域，如機箱內部、產品縫隙深部位置等。美國海軍針對艦面這種特殊的酸性鹽霧環境的腐蝕嚴酷度也進行了相關研究。圖1給出了相同材質的金屬試片在不同環境下暴露得到相似腐蝕程度所需暴露時長的對比，沿海環境需要12~24個月，內陸工業環境需要36個月，而艦面環境僅需要8個月，顯然，艦面環境的腐蝕嚴酷度明顯高于其他兩種環境[14]。

圖1 暴露時長對比

在另外一項實驗室內的研究中也得到上述類似的結論，通過在實驗室模擬不同環境類型，采用一種基于電偶探針原理的腐蝕性監測裝置對各腐蝕環境下電偶對材料（銅/鋼、銅/鋁、鋼/鋁）的電偶電流輸出大小進行監測，以該電流的大小表征對應環境的腐蝕嚴酷度高低，即電偶電流越大，腐蝕嚴酷度越高。表1給出了五種典型環境下的電偶電流輸出情況對比，通過對比可以得到該五種典型環境的腐蝕嚴酷度從低到高依次為[15]：高濕 < 高濕+Cl-< 高濕+SO2< 鹽霧 < 鹽霧+SO2

表1 不同腐蝕環境下電偶探針記錄電偶電流大小的對比情況

需要說明的是，SO2對腐蝕的加速作用存在一個臨界濕度門檻值，也就是說，只有當環境相對濕度超過某一臨界值，SO2對腐蝕的加速作用才會得以體現。圖2給出了兩個不同學者在相同SO2濃度下（100 mg/L），得到的不同相對濕度對材料腐蝕質量增量變化的影響規律[16]。從圖2a可以看出，在相對濕度低于60%時，試片質量增量基本不變，接近為0；而當相對濕度高于60%時，隨著相對濕度的提高，試片質量增量明顯增大。圖2b得到了類似的變化規律，但曲線的臨界濕度拐點值略微升高，為70%左右。上述結果表明，SO2對腐蝕的加速作用存在最低臨界濕度要求，該臨界值約為60%~70%。

圖2 不同相對濕度對材料在SO2環境中腐蝕質量增量變化的影響規律

2.2 酸性鹽霧試驗方法的提出

針對上述艦面特殊的酸性鹽霧環境及其特殊效應，美國海軍相關研究機構意識到對艦載航空裝備有必要采用一種新的試驗方法來進行考核。1977年，Ketcham[4]依據裝備外場故障記錄，結合Douglas航空公司對航母甲板停放飛機機身表面液膜酸性特征的實測驗證，首次提出采用在鹽霧環境中引入SO2的試驗方法來模擬艦面特殊的酸性鹽霧環境，并基于傳統的中性鹽霧試驗給出了建議的試驗程序，試驗剖面如圖3所示。其中SO2流速為35 cm3/(min·m3)（相對鹽霧箱體積）。

圖3 “連續鹽霧+SO2”試驗剖面

2.3 酸性鹽霧試驗方法的發展

20世紀70，80年代，美國海軍以其航母數量多、種類全、分布廣等硬件條件優勢為基礎，開展了一系列典型海洋大氣環境下的隨艦暴露試驗，為酸性鹽霧試驗方法的優化和驗證提供了大量寶貴的基線參考數據。基于這些寶貴的外場環境效應數據，美國海軍進一步開展了對酸性鹽霧試驗方法的優化研究工作。

首先，艦面環境并非連續穩定的酸性鹽霧環境，在實際服役過程中，裝備表面酸性液膜處于動態變化中，主要表現為液膜pH和液膜厚度的變化。針對艦面環境的這種動態變化特點，從理論上講，采用鹽霧、SO2循環間歇注入的方式應能更加真實地模擬裝備的實際腐蝕行為。對此，Ketcham等人[14]在其前期“連續鹽霧+SO2”試驗方法研究基礎上，以大量的隨艦暴露試驗結果為參照，對比分析了4種不同“鹽霧-SO2循環交替”試驗程序與外場隨艦暴露試驗結果的相關性。結果表明，“鹽霧-SO2循環交替”試驗方法可以獲得與隨艦暴露試驗更加吻合的試驗結果，最優試驗剖面如圖4所示。該試驗剖面相對于圖3所示的“連續鹽霧+SO2”試驗方法最大的不同主要有兩點：鹽霧與SO2循環注入，促進SO2氣體擴散作用的發揮；增加“靜置”程序，每個循環的后2 h采取靜置操作，即在不開箱狀態下既不通入鹽霧也不引入SO2。采取這種方法，鹽霧箱內試件表面形成的液膜pH及液膜厚度均保持不斷變化，這可以更好地模擬艦面實際停放過程中裝備表面液膜的動態變化特點。

圖4 “鹽霧-SO2循環交替”試驗剖面

其次，依據前期典型機載電子部件的隨艦暴露試驗結果，優化并提出了適用于機載電子產品的艦面腐蝕損傷綜合模擬試驗方法。Morris[5]對比研究了9種不同的鹽霧試驗方法，包括MIL-STD-810中的509.1鹽霧試驗、Ketcham提出的“連續鹽霧-SO2”試驗、MIL- I-46058中的“鹽霧-SO2-濕熱”復合試驗、“鹽霧-S2Cl2”復合試驗等。上述9種方法的適用性對比以典型產品的隨艦暴露試驗結果（表2）為基準，對比中不僅考慮產品的表觀腐蝕程度，同時考慮產品的電性能參數變化，如接觸電阻、絕緣電阻等。通過對內外場產品腐蝕情況和電性能退化情況的對比分析，見表3，得出A2（NADC-77252-30-1977給出的“連續鹽霧+SO2”試驗方法）和C2（3.5 mg/L S2Cl2試驗方法）與隨艦暴露結果表現出最高的相符性64%（16/25）。考慮到C2試驗方法操作程序較為復雜，因此選用A2試驗方法作為最佳候選方法。A2試驗方法在9種試驗方法中雖然表現最佳，但在試件表觀腐蝕程度和電性能退化程度方面存在均衡性較差的問題，具體表現為腐蝕損傷較重，而電性能損傷較輕。對此，通過進一步的理論分析和試驗驗證，對該試驗條件進行了合理優化，主要包括以下三點。

1）試驗箱溫度顯著提高（因此該試驗也被成為“高溫鹽霧-SO2”試驗），增加濕熱占比，促進水汽深入，提高電氣性能損傷程度。

2）鹽溶液濃度大幅降低，并減少SO2的注入量，降低試驗環境腐蝕性。

3）采用噴霧和SO2酸性氣體交替注入的方式，鹽霧關掉前15 min通入SO2主要隨鹽霧沉降作用于產品表面，鹽霧關掉后15 min繼續通SO2是為了促進其氣體擴散作用的發揮。

最終優化得到的“高溫鹽霧-SO2”試驗剖面如圖5所示。

相較于“連續鹽霧+SO2”和“鹽霧-SO2循環交替”兩種試驗方法，“高溫鹽霧-SO2”試驗方法具有更強的綜合應力環境模擬特性，具有一定壽命關聯性。按照上述“高溫鹽霧-SO2”試驗剖面開展1周的試驗，對大多數試驗對象造成的損傷相當于常規動力航母Constellation號在印度洋、太平洋出海9個月試樣在飛行甲板上的環境損傷。“連續鹽霧+SO2”和“鹽霧-SO2循環交替”兩種試驗方法均是針對單一酸性鹽霧環境適應性考核，不能用于設備的壽命預測，而“高溫鹽霧-SO2”試驗方法不僅僅考慮了艦載平臺的酸性鹽霧環境因素，還考慮了溫度、濕熱等環境因素的綜合影響，試驗應力量值兼顧了不同環境效應發展的均衡性，更加適用于典型電子產品艦載平臺綜合大氣環境影響的模擬。

圖5 “高溫鹽霧-SO2”試驗剖面

表2 典型機載產品組件隨艦暴露腐蝕情況統計

表3 9種不同試驗方法與隨艦暴露試驗結果對比的相符性總結

注：L表示比隨艦暴露試驗腐蝕程度（或電性能損傷程度）輕；S 表示與隨艦暴露試驗腐蝕程度（或電性能損傷程度）一樣；M表示比隨艦暴露試驗腐蝕程度（或電性能損傷程度）重。

2.4 酸性鹽霧試驗方法的標準化情況

經過上述一系列研究工作，美國海軍在20世紀80年代初期至少形成了三種不同針對艦面酸性鹽霧環境考核的試驗程序，即“連續鹽霧+SO2”試驗程序、“鹽霧-SO2循環交替”試驗程序和“高溫鹽霧-SO2”試驗程序。由目前掌握的資料可知，前兩種試驗程序均已列入ASTM G85《改性鹽霧試驗方法》附錄A4 “鹽霧-SO2”試驗標準試驗程序，分別對應X4和X5試驗剖面[17]。該標準從1985年第一版到2011年最新版，這兩個試驗剖面均未做出任何改變。

美國國防部環境試驗方法標準MIL-STD-810《環境工程考慮和實驗室試驗》的F版和G版背景資料中，也有涉及ASTM G85“鹽霧-SO2”試驗的相關內容。F版背景資料中關于鹽霧試驗考核指出，在標準修訂過程中，海軍要求增加將SO2引入鹽霧試驗的方法，以再現艦面特殊鹽霧環境對艦載裝備的影響。其提供的支撐材料指出，ASTM G85中的“鹽霧-SO2”試驗方法與隨艦暴露試驗結果具有較好一致性，但編制組考慮到SO2的污染可能影響對設備要求的一致性，因此暫時沒有采納。隨著SO2鹽霧試驗設備的發展和成熟，最新修訂版G版的背景資料表明，美國國防部正計劃將ASTM G85附錄A4試驗程序納入MIL-STD-810，在對810G第一次修訂版的編制工作中，修訂組組長Thompson指出美國國防部長辦公室備忘錄已要求“所有海軍和海軍陸戰隊裝備必須接受ASTM G85附錄A4中的“鹽霧-SO2”試驗考核”。對此，建議將原來的“酸性大氣”（Acidic Atmosphere）試驗方法修改為“腐蝕大氣”（Corrosive Atmosphere）試驗方法，包括兩個試驗程序：原來的酸性大氣試驗（試驗程序I）和計劃增入的“鹽霧-SO2”試驗（試驗程序П）。從以上信息可以看出，作為一種標準化的試驗方法，ASTM G85附錄A4中的“鹽霧-SO2”試驗將與現有的中性鹽霧以及酸性大氣等試驗方法一樣，可以作為考核裝備對某種特定環境適應性的試驗方法。

3 美海軍艦載航空裝備酸性鹽霧考核要求的相關規定

2007年發布的《腐蝕防護與控制計劃指南》[18]作為美國軍方三軍腐蝕防護工作的頂層文件，全面規定了各類軍用裝備在不同階段的腐蝕防護與控制要求。其中，在“防腐蝕設計驗證”一節中明確規定，海軍航空裝備除了需要進行傳統的ASTM B117中性鹽霧試驗考核，還必須參照ASTM G85附錄A4中的“鹽霧-SO2”試驗程序進行酸性鹽霧耐受能力的考核。具體要求如下：表面處理、防護涂層等腐蝕防護工藝，試驗周期為500 h；機載電子系統設備（整機裝配狀態），試驗周期為336 h，電子元器件或機載電子設備組件直接暴露（替代整機試驗）時試驗周期為168 h，試驗后試驗對象無腐蝕且功能正常；其他系統的設備（整機裝配狀態），試驗周期為500 h，試驗后試驗對象無腐蝕且功能正常。

需要說明的是，ASTM G85附錄A4中SO2酸性鹽霧試驗方法包含兩個試驗剖面（即X4和X5試驗程序），這兩者的最大區別在于鹽霧是否連續注入。在對海軍航空裝備機載電子產品進行試驗時，《腐蝕防護與控制計劃指南》中特別指出應采用“鹽霧-SO2循環交替”試驗方法，即X5試驗剖面。選擇X5試驗程序主要基于三個方面的考慮：首先，艦載航空裝備的使用狀態決定了采用X5試驗程序與真實環境特點更為接近；其次，前文引用的相關資料均已經證明X5試驗剖面更加符合艦面酸性鹽霧腐蝕損傷的特點；最后，對于機載產品，結構往往比較復雜，特別是機載電子產品，其關鍵部件一般處于封閉或半封閉空間。如果采用X4試驗剖面，大部分SO2會快速溶解于鹽霧氣氛中，并隨鹽霧自上而下沉降，這樣SO2氣體就很難作用于內部產品組件。采用X5試驗剖面，SO2可以充分擴散并吸附于內部的組件表面，通過進一步的溶解和滲透對產品造成腐蝕損傷，從而更有利于暴露產品設計上的薄弱環節。

4 對我國艦載航空裝備研制工作的幾點建議

經過上百年的發展和實踐，美國等海上軍事強國在艦載機裝備技術和應用領域已經積累了大量的研究成果和實踐經驗，為其裝備的快速發展提供了強有力的支援保障。相比之下，我國艦載航空裝備發展起步晚、基礎相對薄弱。在裝備環境適應性方面，主要表現為基礎數據匱乏、環境試驗方法缺乏和考核要求體系不完善等。對此，通過對美國海軍艦載航空裝備酸性鹽霧試驗方法的發展歷程分析，結合我國實際情況，提出對我國艦載航空裝備研制工作的幾點啟示和建議。

1）盡快形成我國艦載航空裝備的酸性鹽霧環境適應性要求和驗證方法。美國海軍提出的“鹽霧-SO2”試驗方法經過幾十年的發展和應用，已經證明了其對航空裝備艦載酸性鹽霧環境適應性考核的適用性，而我國現役艦載航空裝備仍主要采用中性鹽霧試驗對機載設備的防護性能進行考核。在研裝備開始在中性鹽霧試驗方法的基礎上，嘗試采用噴酸性鹽溶液的方式對機載設備開展酸性鹽霧試驗，但試驗條件的確定和考核要求的提出尚缺乏基礎數據支撐。建議盡快針對我國機載產品開展ASTM G85附錄A4試驗方法的驗證工作，并結合我國裝備制造水平和裝備服役特點，針對不同層級（從組件到整機）、不同服役環境（不同艙段、不同結構區域等）產品，參考美國海軍艦載航空裝備酸性鹽霧考核要求的相關規定，研究提出更加適合我國艦載航空裝備、科學、合理的機載產品酸性鹽霧考核要求，為更加全面地驗證和評價艦載機機載產品的環境適應性水平，保障裝備的研制進度和質量提供技術支撐。

2）加強基礎研究工作，逐步積累針對艦載航空裝備的環境適應性基礎數據資源。以美國海軍酸性鹽霧試驗方法的發展歷程可以看出，環境實測數據（艦面酸性鹽霧特征）、環境效應數據（隨艦暴露試驗）以及外場故障數據均展現出至關重要的作用。我國艦載機發展尚屬起步階段，上述各類基礎數據極為匱乏，美國又非常重視這方面數據的保密工作，國內可以借鑒的有效資料極為有限。因此，建議從以下三個方面開展該類基礎研究工作，以逐步積累針對艦載航空裝備的環境適應性基礎數據資源：開展艦面環境下的環境實測工作，包括艦面整體環境和艦載機裝備不同區域的微環境實測，逐步積累環境數據資源，為環境模擬、環境效應分析等提供參考和依據；利用現有艦載平臺全面開展各型材料、結構、防護工藝、電子組件、機載設備等的隨艦暴露試驗，逐步獲取和積累環境效應數據；注重和加強艦載機外場服役故障數據的積累和分析，為環境試驗方法驗證、環境考核要求制定等提供可靠的數據基礎和參照。

3）針對海軍航空裝備機載產品，建議開展多應力綜合環境試驗方法的探索和研究。目前，以GJB 150A為代表的通用環境試驗方法主要是針對單一環境的適應性考核，而對于海軍航空裝備機載產品，其壽命期環境適應性的考核更多體現為多應力綜合環境的考核，尤其腐蝕環境的多應力耦合特點突出。對此，建議首先從我國艦載機裝備壽命期某一階段面臨的環境特點出發，確定可能存在的多應力耦合環境，如艦面停放階段可能面臨的“鹽霧+SO2+紫外”或其他更為復雜的多應力耦合環境；隨后，開展實驗室內多應力耦合環境的模擬及其環境效應的研究，結合外場環境適應性基礎數據資源，研究并提出科學合理的多應力綜合環境試驗方法，從而逐步建立和完善我國艦載航空裝備環境試驗方法體系；最后，通過對上述多應力綜合環境試驗方法的標準化制定以促進其推廣和應用，并逐步完善和發展適合于我國艦載航空裝備發展的環境試驗方法標準體系，以保障和促進國內艦載航空裝備的環境適應性水平提升和作戰效能的提高。

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Development and Enlightenment of “Salt Spray-SO2” Test Method for Carrier-based Aircraft of US Navy

ZHU Jin-yang, LI Ming, CHENG Cong-gao

(China Aero-Polytechnology Establishment, Beijing 100028, China)

Against the background of study and development on environmental test methods for carrier-based aircrafts of US navy, the proposition, development and standardization of SO2salt spray test method were reviewed in detail in this paper. Furthermore, some regulations on the acidic salt spray environmental worthiness examination for carrier-based aircrafts of US navy were introduced. Lastly, according to the actual situation of China, some suggestions were given to the development of Chinese carrier-based aircrafts in terms of environmental test method and environmental worthiness researching.

environmental test; environmental worthiness; carrier-based aircraft; "salt spray-SO2" test

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.007

TJ85；TG172

A

1672-9242(2017)03-0033-06

2016-10-11；

2016-11-09

朱金陽（1988—），男，山東人，博士，主要研究方向為腐蝕防護與控制。