飛機某模擬涂裝試樣加速腐蝕與自然暴露的對比研究

卞貴學，張楊廣,2，張勇，陳躍良

飛機某模擬涂裝試樣加速腐蝕與自然暴露的對比研究

卞貴學1，張楊廣1,2，張勇1，陳躍良1

（1.海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041；2. 32102部隊，山東 煙臺 265200）

研究飛機某結構模擬試樣加速腐蝕試驗與自然暴露試驗的相關性。選取飛機某結構模擬試樣分別進行實驗室加速腐蝕試驗和海南西沙外場自然暴露試驗，以宏/微觀形貌、失光率、色差等級、腐蝕產物成分等作為評價指標，對試樣表面涂層的腐蝕損傷情況進行長期觀測和對比研究，對加速腐蝕2個周期和戶外暴露2年的疲勞試樣疲勞壽命和疲勞斷口形貌進行對比分析。加速腐蝕試驗2個周期和自然暴露試驗2年試樣的試驗過程色差變化規律一致，色差變化等級均為2級，光澤度變化規律一致，加速腐蝕試驗后為3級，戶外自然暴露戶外為4級、棚下為3級，在螺釘邊緣均出現面漆剝落現象。7B04鋁合金試樣疲勞壽命斷口的韌窩和孔洞的數量都沒有發生明顯的變化，在顯著度為0.05時，兩組疲勞壽命的檢驗量為1.6971，疲勞壽命無顯著差異。加速腐蝕試樣表面涂層的腐蝕程度介于戶外和棚下暴露試樣之間，這一結果與加速環境譜的編制原則相一致，也進一步表明加速試驗環境譜正確性。疲勞壽命無顯著差異，表明加速腐蝕試驗可以較好地模擬飛機實際工作環境對試樣疲勞性能造成的影響。

加速腐蝕；自然暴露；疲勞壽命；失光率；色差等級

飛機在服役環境中面臨各種復雜、嚴酷的自然環境，腐蝕問題不容忽視。尤其是長期服役于沿海地區的海軍飛機，由于經常面對高溫、高濕、高鹽和強紫外輻射的海洋大氣環境，腐蝕問題更為突出[1-4]。在海洋大氣環境中進行自然暴露試驗是一種行之有效的腐蝕研究方法，通過實地暴露試驗，可以掌握不同材料在海洋大氣環境中的腐蝕過程和腐蝕機理，為海軍飛機設計、選材及壽命預測提供重要依據[5-9]。然而，自然暴露試驗存在試驗周期長的特點，不能滿足實際生產的迫切需要。近年來，開展室內加速腐蝕試驗來推測長期自然暴露試驗結果的方法在很多領域得到廣泛應用[2,10-29]。

目前研究人員主要致力于兩方面研究：一是完善室內加速腐蝕試驗方法[2,15-19]；二是建立室內加速腐蝕試驗結果和自然暴露腐蝕結果的相關性[2,20-29]。室內加速腐蝕試驗環境譜編制中考慮的環境因子是否為關鍵因子、產品本身是否完全暴露于自然環境以及自然暴露試驗的時效性等諸多因素都會影響室內加速腐蝕與自然暴露試驗結果的相關性。室內加速腐蝕試驗與外場暴露試驗之間的相關性主要體現在采用什么參數或指標對金屬基材及其涂層體系的腐蝕損傷程度進行對比分析，所選參數或指標一般以定性分析為主，定量分析為輔[20-26]。對飛機結構來說，腐蝕會使得構件疲勞壽命下降，對飛機的使用安全影響較大，所以必須考慮腐蝕后的力學性能作為相關性研究的指標[16,27-29]。當前對相關性的研究多采用腐蝕程度對比法，不能夠全面有效地反映腐蝕損傷對疲勞性能的影響，缺少同時且綜合考慮疲勞壽命對比法和腐蝕損傷程度對比法的相關性研究。

文中選取飛機某關鍵部位涂裝模擬試樣分別進行實驗室內加速腐蝕試驗和機場外場自然暴露試驗，對試樣表面涂層腐蝕損傷程度和腐蝕后結構疲勞壽命進行對比分析。旨在研究室內加速腐蝕試驗與外場暴露試驗之間的對比關系，為在實驗室內預測結構件的長期腐蝕失效行為提供理論和數據支撐。

1 試驗

1.1 試樣

依據飛機某部位搭接形式，試樣均選用7B04- 7B04鋁合金薄板連接形式，7B04鋁合金成分見表1。為便于涂層老化規律測試，用于腐蝕試驗的試樣采用平板搭接方式模擬某部結構連接形式，腐蝕試樣外形尺寸如圖1a所示。用于疲勞壽命測試的試樣結構設計采用某部結構實際連接形式，并在此基礎上，模擬局部實際結構承受載荷形式，腐蝕疲勞試樣外形尺寸如圖1b所示。試樣涂裝TB06-9底漆和TS96-71面漆，并按GB/T 1765—1989《測定耐濕熱、耐鹽性、耐候性（人工加速）的漆膜制備法》規定的方法和噴涂厚度制備。

1.2 室內加速腐蝕試驗

室內加速腐蝕試驗環境譜如圖2所示。該環境譜是按照腐蝕損傷等量法原理，綜合考慮飛機服役地區地理環境、飛機使用情況以及結構形式等因素所編制的。其中飛機使用情況重點考慮飛機服役過程實際，戶外飛行、棚下停放和維護在日歷壽命中所占時間比例的情況。環境譜由濕熱暴露、紫外照射和鹽霧等三個環境譜塊構成，加速試驗1周期相當于約自然暴露1年。

表1 7B04鋁合金成分

Tab.1 Chemical composition of 7B04 aluminium alloy

圖1 試樣外形和尺寸（單位：mm）

圖2 基于戶外環境的加速腐蝕試驗環境譜

1.3 自然暴露試驗

在海南西沙試驗站，按照GB/T 6464—1997《金屬及其覆蓋層大氣腐蝕試驗現場試驗的一般要求》分別進行戶外、棚下與庫房三類自然暴露試驗，如圖3所示。測試周期為2年，每個月定期對試樣表面涂層色差、光澤度等物理性能進行測試。

圖3 自然環境暴露試驗

1.4 腐蝕程度檢測

根據GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂層老化的評級方法》，按涂層的失光、色差、開裂、剝落、起泡和粉化等評價指標，對涂層的腐蝕損傷情況進行觀測。宏觀照片使用Canon 60D數碼相機拍攝，局部微觀形貌采用KH-7700體視顯微鏡進行觀察。采用天津市信光科技開發公司XGP60鏡像光澤度計測量光澤度，測量范圍為0~199.9 Gs，分度值為0.1 Gs，穩定度≤0.4 Gs/30 min，示值誤差≤1.0 Gs。采用HP-200精密色差儀檢測色差，有效測量口徑（照明口徑）為8 mm，標準偏差Δab在0.08以內。

1.5 疲勞壽命對比試驗

疲勞試驗在MTS810材料綜合測試機上進行，選取外場自然暴露2年和加速腐蝕2周期的腐蝕疲勞試樣。將試樣取回實驗室，按照結構設計載荷：max= 19 580 N，min=0進行疲勞試驗。疲勞斷口經線切割后，用掃描電鏡（SEM）進行分析。

2 結果分析

對于連接件而言，由于試樣連接部位材料不連續且連接部位存在間隙，往往導致連接部位附近涂層的腐蝕損傷情況比較嚴重。因此，在進行對比分析時，重點觀察連接部位附近涂層的損傷。

2.1 試樣腐蝕狀況對比分析

2.1.1 表面形貌對比分析

自然暴露試驗2年和加速腐蝕試驗2個周期后，試樣表面的宏觀形貌如圖4所示。可以看出，試樣總體均未發生明顯腐蝕，表面涂層完好，未發生明顯起泡、剝落等現象。經歷2年的自然暴露試驗和2個周期的加速腐蝕試驗后，加速腐蝕試樣（如圖4d所示）的損傷程度比戶外自然暴露試樣（如圖4c所示）輕微，但又明顯嚴重于庫房和棚下環境中的試樣。

圖4 不同環境試驗后試樣的宏觀形貌對比

自然暴露試驗2年和加速腐蝕試驗2個周期后，試樣螺釘連接處的微觀形貌如圖5所示。可以看出，螺釘邊緣涂層均出現不同程度的面漆剝落現象，而且加速腐蝕試樣螺釘表面出現了裂紋，涂層損傷情況最為嚴重。

圖5 不同環境試驗后試樣的局部微觀形貌對比

2.1.2 色差和失光率對比分析

將不同暴露條件下試樣的色差變化和失光率進行統計平均，繪制隨暴露時間的變化曲線如圖6所示。由圖6a可見，試驗后，戶外、棚下與庫房試樣的色差變化等級為2級，屬于輕微變色；加速腐蝕試驗的試樣在2個周期后，顏色變化等級為2級，屬于輕微變色，變色程度介于戶外試樣與棚下試樣之間。從色差對比結果可知，實驗室加速腐蝕試驗與自然環境暴露試驗規律相似，色差值屬于同一等級。

由圖6b可見，試樣在戶外、棚下和庫房自然暴露2年后，出現了不同程度的失光現象。其中戶外暴露試樣的失光率最高，失光等級為4，屬于嚴重失光。棚下暴露試樣的失光程度較輕，和室內基本一致，而且由于涂層吸水作用，出現了先增光后失光的現象。室內加速腐蝕試驗2個周期后，試樣的失光率介于戶外和庫房試樣之間，失光等級為3級，屬于明顯失光。對腐蝕試樣繼續進行加速試驗，直到自然暴露5年和實驗室加速腐蝕5個周期。第5周期結束后，色差等級和失光率幾乎不再增加。這一結果表明，室內加速腐蝕試驗與自然環境試驗具有較好的一致性。

圖6 涂層老化結果對比

2.1.3 腐蝕產物成分對比分析

選取腐蝕程度最為接近的戶外暴露2年和加速腐蝕2個周期的試樣，對螺釘連接周圍區域腐蝕產物進行X射線衍射分析，結果如圖7所示。圖7中各峰的位置基本相同，強度趨于一致，表明腐蝕產物基本相同。戶外暴露試樣腐蝕區域主要由金屬元素的合金和氧化物組成，結合標準卡片信息，判定為κ-Al2O3。加速腐蝕試樣腐蝕區域同樣由金屬元素的合金和氧化物組成，但與戶外暴露試樣的組成有所不同，主要腐蝕產物可能為γ-Al2O3和Fe2SO4[30]。這主要因為在加速腐蝕試驗環境譜的編制過程中，同時考慮了戶外和棚下的腐蝕環境，其中包括紫外時長、空氣濕度等，與實際戶外存在一定差異。

圖7 外場暴曬與加速腐蝕試樣腐蝕產物成分對比

2.2 疲勞壽命對比分析

2.2.1 斷口形貌對比

按照某部位設計載荷（max=19 580 N，min=0）進行疲勞試驗，試樣斷口的SEM照片如圖8所示。從圖8可以發現，戶外環境下，7B04鋁合金試樣疲勞斷口的韌窩及含有夾雜相的孔洞數量與加速腐蝕試樣基本一致，且兩類斷口韌窩和孔洞里面包含完整的夾雜相粒子，夾雜物數量也基本一致。這表明了試樣受環境影響后的彈塑力學性能一致，也說明了室內加速腐蝕與戶外暴露過程對試樣疲勞性能的影響基本一致。

2.2.2 疲勞壽命對比

1）疲勞壽命的分布參數估計。采用估計分布參數對對數中值壽命和對數標準差的估計值為[32-33]：

按照式（1）和式（2）分布參數估計方法，得到戶外暴露2年和加速腐蝕2個周期的試樣的疲勞壽命分布參數估計值，見表2。

2）統計對比分析。取顯著度=0.05，按照檢驗法進行方差齊性檢驗：

表2 疲勞壽命的分布參數估計值

Tab.2 Estimate value of distributed parameter of fatigue life

表明上述兩組數據具有方差齊性，且有總體標準差：

由于上述兩組數據具有方差齊性，采用檢驗法對戶外暴露2年和加速腐蝕2個周期試樣的疲勞壽命進行差異性檢驗，計算檢驗量：

檢驗表明戶外暴曬與室內加速腐蝕試樣疲勞壽命對比無顯著差異。

3 結論

1）試樣分別經過室內加速腐蝕試驗2個周期和西沙自然暴露試驗2年后，其表面光澤度、色差、宏觀腐蝕形貌等演化規律相一致，腐蝕產物成分基本一致。室內加速腐蝕試樣的腐蝕程度介于戶外和棚下暴露試樣之間，與加速環境譜編制所考慮的主要因素相一致，也表明加速試驗環境譜的正確性。

2）試樣在加速腐蝕試驗2個周期和戶外暴露2年后，疲勞壽命無顯著差異，疲勞斷口的韌窩和孔洞數量沒有發生明顯的變化。室內加速腐蝕可以很好地模擬飛機實際工作環境對試樣疲勞性能造成的影響。

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Comparative Study on Accelerated Corrosion and Natural Exposure of Simulated Coated Specimen of Aircraft Structures

BIAN Gui-xue1, ZHANG Yang-guang1,2, ZHANG Yong1, CHEN Yue-liang1

(1. Qingdao Campus of Naval Aviation University, Qingdao 266041, China; 2. Unit 32102 of PLA, Yantai 265200, China)

The paper aims to study the correlation between accelerated corrosion test and natural exposure test of an aircraft structural simulation test specimen. Accelerated corrosion tests in laboratory and natural exposure tests in outfield of Xisha, Hainan province were carried out on a simulated aircraft structure. The macro/micro morphology, gloss reduction, chromatic aberration grade and composition of corrosion products were taken as evaluation indexes to compare the corrosion damage of surface coatings for a long time. The fatigue life and fracture morphology of fatigue specimens with two cycles of accelerated corrosion test and two years of outdoor exposure were compared and analyzed. The change rule of chromatic aberration in two cycles of accelerated corrosion test was consistent with that in two years of natural exposure test, and the change grade after test was 2. The gloss change regularity of the test process was the same, and the grade of gloss reduction was 3 after accelerated corrosion test. It was 4 in outdoor exposure and 3 under roof. Topcoat peeling occurred at screw edges. The number of dimples and holes of fatigue fracture of 7B04 aluminium alloy specimens did not change significantly. When the significance was 0.05, the t-test value of fatigue life of the two groups was 1.6971, and there was no significant difference in fatigue life between the two groups. The corrosion degree of the topcoat of accelerated corrosion test specimens is between that of exposed test specimens in outdoor and under roof, which is consistent with the principle of accelerated environmental spectrum compiling. It further indicates the correctness of accelerated environmental spectrum. There is no significant difference in fatigue life, which indicates that accelerated corrosion test can properly simulate the impact of the actual working environment on the fatigue performance of aircraft specimens.

accelerated corrosion; natural exposure; fatigue life; gloss reduction; chromatic aberration grade

2019-12-24；

2020-01-24

10.7643/ issn.1672-9242.2020.05.004

TG172

A

1672-9242(2020)05-0025-08

2019-12-24；

2020-01-24

國家自然科學基金資助項目（51375490）；山東省高等學校“青創科技計劃”資助項目（2020KJA014）

Supported by National Natural Science Foundation of China (51375490) and “Green Innovation Science and Technology Plan” of Colleges and Universities in Shandong Province (2020KJA014)

卞貴學（1981—），男，博士，講師，主要研究方向為結構強度、腐蝕防護與控制等。

BIAN Gui-xue (1981—), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: structural strength, corrosion protection and control.