自然曝曬與加速老化試驗下航空涂層失光率的當量關系研究

王德，張泰峰，楊曉華，鄶有柱

自然曝曬與加速老化試驗下航空涂層失光率的當量關系研究

王德1，張泰峰1，楊曉華1，鄶有柱2

（1.海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041；2.海軍92853部隊，遼寧 葫蘆島 125100）

研究航空涂層失光率的當量加速關系。針對飛機結構涂覆的航空涂層光澤度失效問題，開展自然曝曬試驗和實驗室加速老化試驗，基于失光率的失效標準，分析涂層老化行為規律。建立了飛機涂層自然曝曬條件與實驗室加速條件下的當量加速關系。同類涂層試驗件在自然曝曬試驗與加速老化試驗下的失光率變化趨勢基本保持一致，得到的兩類涂層試樣的加速老化當量關系函數可為建立實驗室加速老化試驗和自然曝曬試驗之間的當量加速關系提供一定參考。

當量關系；失光率；航空涂層

在飛機結構表面涂覆相應的涂層，以保護金屬免受服役環境的影響，已經成為腐蝕防護與控制的有效手段[1-4]。隨著飛機服役年限的增長，在環境因素特別是海洋環境因素的影響下，飛機結構上廣泛采用的有機類航空涂層不可避免地會發生多種理化失效以及其他力學性能下降的現象，進而喪失對金屬的防護功能。涂層失效后，腐蝕介質直接侵蝕金屬表面，引起飛機結構件腐蝕，使得結構件使用壽命顯著降低[5-7]。

在實驗室條件下開展飛機結構航空涂層的老化失效行為研究已經成為一種常用的有效手段[8-9]，實驗室加速老化試驗和自然曝曬試驗是考驗航空涂層防護性能的兩種不同的試驗方法，在二者之間建立可靠的當量加速關系，對于涂層防護性能評價、維修周期以及壽命預測具有重要意義[10-13]。文中針對飛機結構表面的航空涂層，基于失光率的失效標準，建立飛機涂層自然曝曬與實驗室加速老化條件下的當量加速關系。并通過試驗驗證其合理性。

1 試驗

1.1 試驗件制備

為考察航空涂層光澤度的失效性能，以某型飛機主要受力構件所用的鋁合金及合金鋼材料為基材加工試驗件，并在表面涂覆不同體系的涂層，試驗件規格如圖1所示。試驗件類型及數量見表1，并對兩類涂層試驗件進行編號。

圖1 涂層試樣

表1 涂層試驗件類型及數量

Tab.1 Type and quantity of coating test pieces

1.2 試驗過程

為了模擬飛機在自然條件下地面停放時其表面涂層的光澤度失效過程，選擇青島地區某機場進行自然曝曬試驗。每類試樣各6件，用粗漆包線分別綁于試驗支架上，將支架置于建筑物樓頂，并固定，曝曬角約為45°。每4個月進行取樣，進行失光率測量。

王鵬[14]編制了青島地區聚氨酯涂層加速試驗譜，該譜能夠比較真實地模擬青島地區的氣候特征。文中根據該加速老化試驗譜進行老化加速試驗，試驗共開展8個周期。加速老化試驗涂層試樣與自然曝曬試驗的涂層試樣保持一致，每類試樣各6件。在每周期循環試驗結束后，將試驗件取出，清洗烘干，然后進行數據測量。

2 結果與討論

2.1 基于失光率的涂層老化行為規律分析

測量儀器使用XGP60光澤度計，參考GB/T 1766—2008[15]對涂層表面60°光澤度進行測量。在每個試樣表面選擇3處測試，并取平均值，失光率的計算為：

式中：為涂層的失光率；、分別為老化前、后的光澤度。

自然曝曬試驗與加速老化試驗的涂層試樣失光率測量結果見表2，兩類涂層試樣的失光率曲線如圖2所示。

表2 自然曝曬與加速老化試驗涂層試樣失光率變化

Tab.2 Change of light loss rate of coating sample in natural exposure and accelerated aging test

從圖2中可以看出，兩種試驗下,Ⅰ類、Ⅱ類涂層試驗件的失光率的變化趨勢均屬于先慢后快。同類涂層試驗件在自然曝曬試驗與老化加速試驗下的失光率變化趨勢基本保持一致，可以認為自然曝曬試驗與加速老化試驗之間具有一定相關性。

2.2 基于失光率的加速老化當量關系

通過三次函數對數據進行擬合后，擬合曲線比較符合失光率變化的趨勢，說明擬合曲線能夠較為真實地模擬失光率在試驗周期內的總體變化情況，如圖3所示。對比同類涂層在兩種試驗環境下的失光率變化曲線，自然曝曬試驗中涂層試樣的光澤度下降較快，失光率增長速率略微快于加速老化試驗。自然曝曬試驗失光率曲線比加速老化試驗失光率曲線更“凸”，說明根據失光率這一指標來看，自然環境下涂層老化速率比實驗室條件下老化速率更快。這也說明實驗室條件的模擬自然條件的還原度同真實自然條件相比還存在一定的誤差。

圖2 Ⅰ、Ⅱ類試驗件自然曝曬試驗和加速老化試驗下的失光率曲線

為分析其加速老化當量關系，將加速老化試驗（周期）和自然曝曬試驗的單位（月）統一劃歸為單位時間（h）。通過多次取樣，計算達到同一失光率時，兩種試驗方法所需要的不同時間之間的比例關系，得到含有多個樣本的當量關系點。再對當量加速關系點進行數據擬合，得到加速老化當量關系曲線，如圖4所示。

圖3 兩類涂層試樣失光率擬合曲線

對數據進行處理后，通過對比各函數的擬合程度，發現通過Fourier的一階函數進行擬合的程度較好，R-square在0.985以上，因此選用該函數進行擬合。兩類涂層試樣采用的Fourier擬合函數形式為=()=0+1cosx+1sinx，其中各類涂層試樣的擬合函數系數見表3。

表3 各涂層試樣對應的擬合函數系數

Tab.3 Fitting function coefficients of each coating sample

圖4 兩類涂層試樣失光率當量加速關系擬合曲線

3 結論

1）通過開展自然曝曬試驗和加速老化試驗，對不同老化周期下航空涂層的失光率進行了測量，較為直觀地觀察兩類涂層試樣失光率的變化情況。根據失光率這一指標來看，自然環境下涂層老化速率比實驗室條件下老化速率更快。

2）同類涂層試驗件在自然曝曬試驗與老化加速試驗下的失光率變化總體趨勢基本一致，可以認為自然曝曬試驗與加速老化試驗之間具有相關性。通過取樣擬合得到了兩類涂層試驗件在自然曝曬試驗與實驗室加速老化試驗之間的當量關系函數，據此可在實驗室加速老化試驗時間下當量得到自然曝曬試驗的時間，為研究實驗室加速老化試驗和自然曝曬試驗之間的當量加速關系打下了基礎。

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Equivalent Relationship of Aviation Coatings Gloss Loss between Natural Exposure and Accelerated Aging Test

WANG De1, ZHANG Tai-feng1, YANG Xiao-hua1, KUAI You-zhu2

(1. Qingdao Campus of Naval Aviation University, Qingdao 266041, China; 2. Unit 92853 of Navy, Huludao 125100, China)

The paper aims to study on equivalent acceleration relation of gloss loss of aviation coatings. Aiming at the gloss failure of aviation coatings on aircraft structures, natural exposure test and laboratory accelerated aging test were carried out to analyze the aging behavior law of coatings based on the failure criterion of gloss loss. Equivalent acceleration relationship between natural exposure conditions and laboratory acceleration conditions of aircraft coatings was established. The general trend of gloss loss of similar coatings under natural exposure test and accelerated aging test is basically the same. The accelerated aging equivalence function of two kinds of coatings can provide some reference for establishing the equivalent accelerated relationship between laboratory accelerated aging test and natural exposure test.

equivalent relationship; gloss loss; aviation coatings

2020-01-02；

2020-02-21

10.7643/ issn.1672-9242.2020.05.013

V255.5

A

1672-9242(2020)05-0082-05

2020-01-02；

2020-02-21

王德（1986—），男，博士，講師，主要研究方向為裝備的腐蝕與防護。

WANG De (1986—), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: corrosion and protection of equipment.