飛行器裝備鹽腐蝕環境適應性工程體系的設計、評價與失效分析

朱龍奎

（北京強度環境研究所，北京，100076）

0 引 言

20 世紀初英軍在印度貯存彈體的應力腐蝕開裂（當時命名為季節性開裂）是科學上較早記載的鹽腐蝕引起飛行器失效的事故[1]。目前鹽腐蝕仍然是當前工程技術難點和科學研究熱點。常見的飛行器鹽腐蝕環境包括海洋、酸雨、大氣氨鹽、含硫鹽等，在此情況下裝備結構常常發生均勻或局部腐蝕。當耦合力學載荷，即使彈性應力作用的工程構件也發生脆性斷裂失效[2]，易造成飛行器裝備無征兆故障及事故。例如，浸泡海水7～8 h、空氣中靜置2 個月的AISI204 不銹鋼緊固件發生鹽腐蝕斷裂失效，類似情況下略耐蝕且飛行器常用的316 不銹鋼緊固件也發生同類型失效現象[3]。

整體上看，飛行器裝備鹽腐蝕是鹽氛環境（如鹽溶液、鹽霧、沉積鹽等）、力學載荷多因子耦合作用下系統、結構或構件的一種失效現象，因此飛行器裝備、鹽氛環境及力學載荷三者構成一個體系。更進一步，鹽腐蝕失效機理可歸結為M→Mn++ ne，其中，M 表示裝備結構的鹽腐蝕雙電層、解理區、擴散區或吸附區原子；e 表示電子；n 為電子數。在表現形式上，鹽腐蝕失效模式包括全面腐蝕和局部腐蝕，而局部腐蝕又由點蝕、電偶腐蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞、縫隙腐蝕、磨損腐蝕、沖刷腐蝕、空泡腐蝕、氫蝕等組成。這些失效模式是飛行器裝備鹽腐蝕環境適應性等特征功能性能的制約因素，因此亟需采取系統性方法加以避免。

本文主要從選型設計、耦合評價和失效分析三方面，解析飛行器裝備環境適應性工程。

1 鹽腐蝕環境適應性工程體系

基于鹽腐蝕環境適應性技術理論，其工程體系如圖1 所示。

圖1 鹽腐蝕環境適應性工程體系Fig.1 A Salt Corrosion Environment Compliance Engineering System

本征上，鹽腐蝕環境適應性工程的內涵可概括為：工程設計時首先選型耐蝕材料、結構和工藝，然后針對所選材料、構件、結構、分系統、全系統等進行鹽腐蝕環境適應性評價，同時基于全生命周期中的各層級失效現象進行分析，以改進設計、提升功能性能及延長壽命。在階段特征上，鹽腐蝕環境適應性工程設計涵蓋研制、初樣、定型、生產工藝選型、使用規范制定等過程，而鹽腐蝕環境適應性評價和失效分析則包括從原材料制備至飛行器裝備服役壽命的全生命周期。針對飛行器裝備，中國已開展多年研究和應用，各方面技術漸趨完善，但目前在材料結構與工藝選型、多因素耦合評價和失效分析方面，仍存在較大提升空間。

2 鹽腐蝕環境適應性系統優化

2.1 選型設計

飛行器選型設計對其功能性能有極大影響，因此飛行器裝備鹽腐蝕環境適應性工程首先應合理選型設計，包括材料選型、結構選型和工藝選型。

2.1.1 材料選型

鹽腐蝕是一個多因素耦合體系，是在特定鹽氛環境下受應力或無力學載荷作用的敏感材料構件、結構或系統發生電化學反應失效的現象。通常，不同環境條件下材料具有不同的鹽腐蝕敏感性，材料選型時則應謹慎或避免選用鹽腐蝕敏感體系中的材料類型。例如，材料+鹽氛+力學載荷三種因素耦合鹽腐蝕敏感體系如表1 所示，其中的材料類型在相應鹽氛+力學載荷耦合作用下則易發生鹽腐蝕失效[4～7]。

表1 材料+鹽氛+力學載荷三因素耦合鹽腐蝕敏感體系Tab.1 Susceptible Salt Corrosion Systems of Three Synergistic Factors Including Materials, Salts and Mechanics Loads

2.1.2 結構選型

從鹽腐蝕環境適應性專業考量，其工程結構選型必須細致入微，需要考慮鹽腐蝕環境影響的結構強度、門檻應力和腐蝕電偶、縫隙、摩擦、磨損等。例如，對于大尺寸及細觀結構，采用有限元模擬等簡約經濟的方法對衡量結構構型進行初步選型較為可取，而單純基于數值模擬結果選型結構構型的方法則需要商榷。因為工程材料幾乎都具有點、線、面、體缺陷及各向異性[8]，數值模型中均勻化假設等在工程應用材料中并不存在，且對材料結構系統壽命功能性能有顯著影響的多種鹽離子、極性分子、原子氫、高能光量子等環境損傷因子無法真實融合于數值模型中。由此可知，在鹽腐蝕環境適應性工程的結構選型中，初步選型的結構必須通過實驗室模擬環境或真實環境試驗驗證，以及進行可能的失效分析，因此，定型及交付服役前飛行器裝備出現非過失鹽腐蝕故障失效的現象是“一次成功”的一個常見環節。此外，鹽腐蝕環境適應性工程的結構選型必須利用鹽腐蝕專業知識進行邏輯構筑，才能避免或更少出現初步結構選型引入的鹽腐蝕故障、失效或失利。

2.1.3 工藝選型

飛行器裝備結構加工、連接、裝配、熱處理、表面處理等方法都屬工藝范疇，因此為獲取優異的鹽腐蝕環境適應性，工程結構必須合理選型工藝路徑。

a）酸洗工藝因其成本低且外觀光潔等優點，目前在一些領域仍在大規模應用。但從表1 可知酸洗引入的氫原子或氯離子等易導致飛行器裝備常用的高強鋼、不銹鋼、鋁合金及鋁基復合材料、碳基復合材料等結構發生鹽腐蝕失效，而以上結構常用作飛行器裝備的發動機、芯體主軸、關重件、殼體等，故應謹慎或避免選用酸洗工藝。

b）飛行器裝備結構生產過程中，局部不可避免會出現殘余應力及應力集中，在條件允許的情況下去應力退火工藝不應忽略，類似的還有氫脆敏感高強鋼結構的烘氫工藝、表面鹽氛殘留結構的無損清洗工藝等，這些方法可有效提升飛行器裝備的功能性能及延長其服役壽命。

c）為降低產品成本，鹽腐蝕結構表面涂鍍防護層工藝已廣泛應用。目前，較難防護的依然是海洋環境特別是低緯度海域環境，其防護層同樣采用陽極溶解型涂鍍材料、耐蝕材料、疏水材料等，如石墨烯在防護層中的應用[9]。除防護層外，有些還要耦合陰極保護、緩蝕劑等工藝方法。盡管如此，尚且沒有在設計壽命內對海洋環境服役的飛行器裝備僅需涂鍍一次的防護層。目前，美軍航空母艦等也需要有計劃開展維護，例如“尼米茲”級航空母艦每年都進行不同程度的維修，并且平均約3～5 年進行一次較大規模的維修[10]。

2.2 耦合評價

國（軍）標、美（軍）標等系統性梳理了環境試驗技術，既有單因素試驗評價方法，也有多因素耦合試驗技術。多數標準注重單因素試驗，而由于缺乏對裝備失效機理、環境作用機制和環境損傷基因的客觀認識，多因素耦合試驗技術尚處“炒菜式”任意耦合階段。綜上所述，飛行器裝備鹽腐蝕是一個多因素協同作用的體系，因此其環境適應性評價需在多因素耦合作用下通過精準試驗開展。

2.2.1 鹽腐蝕環境損傷基因

鹽腐蝕環境包括鹽氛環境以及鹽氛環境+力學環境，單純力學環境不屬此類。其中，鹽氛與力學載荷耦合損傷的要義舉例如下：

a）只有鹽氛環境作用時，陶瓷、玻璃等因耐蝕性較強，不發生破壞，但在力學載荷協同作用下極性水分子則體現出陶瓷、玻璃的鹽腐蝕環境損傷基因的特性，如玻璃在海洋大氣等含水潮濕空氣中的強度往往比真空中低三分之二[11]，類似地鐵電陶瓷也出現斷裂韌性降低的現象[12]。

b）只有鹽氛環境（如鹽水溶液）作用時，高強度鋼內部發生氫蝕，原子氫是高強度鋼鹽腐蝕環境的損傷基因，進一步施加力學載荷則使高強度鋼材料結構氫脆斷裂，表明原子氫基因的損傷性極大增強[13]。

c）只有鹽氛環境（如氯環境）作用時，奧氏體不銹鋼、鋁合金及鋁基復合材料等只發生均勻腐蝕、點蝕等[14]，破壞相對不嚴重，這時Cl-是鹽腐蝕環境損傷基因，若在力學載荷耦合作用下該類型材料結構會發生嚴重的應力腐蝕開裂或斷裂，那么Cl-基因的損傷模式與損傷機理都發生了變化[15]。

d）鹽氛+力學載荷耦合作用下，裝備結構損傷所需的強度已大幅降低，有些已下降至室溫空氣環境的彈性應力范圍，此時鹽腐蝕環境損傷的應力基因不再是通常意義的斷裂強度、原子鍵合力等，甚至有些已發生了韌脆轉變，相應強度理論則不適用[16]。

綜上所述，鹽腐蝕環境損傷基因可概括為電負性粒子、原子分子、量子、應力等，如表2 所示。

表2 鹽腐蝕環境損傷基因Tab.2 Salt Corrosion Environment Degradation Genes

2.2.2 鹽腐蝕環境作用機制與試驗方法

鹽腐蝕環境具有多因素耦合的鮮明特點，因此存在各因素相互作用機制和環境因素作用于裝備結構點、線、面、體缺陷的機制，其根本特征在于多因素耦合使環境損傷基因作用最大化，進而強化耦合損傷效應，以在相同機理下最優化開展環境適應性評價。例如，含氯鹽霧環境中Cl-在干燥或濕度過大條件下的耦合損傷效應較弱、損傷程度未達到極大值，只有在適中溫度、適中相對濕度條件下其腐蝕性最強，在此條件下開展試驗評價則出現同機理加速因子峰值，原因在于鹽氛環境與單純濕度及濕熱環境不同，當試件表面溫度低至極限相對濕度的溫度時，試件表面形成腐蝕性氯鹽液膜，而發生鹽腐蝕[17]。這種沉積氯鹽溶解與試件表面溫度、相對濕度之間的關系如圖2 所示[17]。

圖2 沉積氯鹽溶解與試件表面溫度、相對濕度之間的關系Fig.2 Relationship between Specimen Surface Temperature,Relative Humidity and Deposited Chloride Salt Deliquescence

在力學載荷方面，如上所述鹽腐蝕環境損傷的應力基因通常處于較低量值區間，有些在鹽腐蝕過程中已由韌變脆而不發生宏觀與微觀塑性變形，根據Irwin-Orowan 理論其失效斷裂所需的力學載荷則大幅降低，且多是彈性小變形，那么試驗時只需施加低量級力學載荷，否則會出現試驗狀態與實際狀態機理不一致、模型預測偏差大的現象。研究表明，鹽腐蝕環境適應性評價的可行技術路徑是增強鹽氛環境的腐蝕性，而非施加高量級力學載荷，例如開展不銹鋼、鋁合金結構海洋環境適應性評價時只需彈性力學載荷與較強腐蝕性鹽氛耦合環境，其中316L 不銹鋼構件斷裂失效時間僅200～300 h，且與工程應用失效的機理一致，表明該高加速鹽腐蝕環境的多因素耦合效應顯著[2,15,18,19]。

2.2.3 鹽腐蝕耦合評價方法

鹽腐蝕環境適應性評價不是瞬時性或一段時間的短暫性適應評價，應針對系統、結構、構件或防護層等的設計壽命時限，不能縮短，也無需延長。同時，鹽腐蝕環境適應性評價具有典型的預測性特點。例如，設計服役10 年的航空發動機的環境適應性可以通過1 年或更短時間的加速試驗進行預測評價。另一方面，為獲得精準性評價結果，鹽腐蝕環境適應性評價通常采用多個參量，即評價一個系統、結構或構件時選用2 個以上相互佐證的參量開展耦合式評價。常用的環境適應性評價參數較多，主要包括飛行器裝備功能性能及壽命的特征參量，如服役時間t（含疲勞周期N）、服役強度σ、疲勞應力σf、缺陷密度ρD、缺陷尺寸LD、點蝕深度dP、腐蝕面積SC、腐蝕失重Δm、腐蝕電流icorr、鈍化膜破裂電位EOP、斷裂韌性KIC、延伸率δ、斷面收縮率ψ、氫濃度、含水量以及受鹽腐蝕影響的裝備飛行或行駛參數、命中精度、毀傷威力等服役功能性能特征參量。針對批量生產的飛行器裝備系統、結構及構件材料，可以選取具有損傷性的參數進行評價。而單樣本及小樣本試件，必須采用無損性參數（如缺陷密度、缺陷尺寸、測試強度或應變等）開展評價，基于環境斷裂（損傷）力學-化學-物理理論中實際服役環境致缺陷演化、強度弱化、壽命降低等規律，預測設計壽命的鹽腐蝕環境適應性。換言之，在規定置信度下，當飛行器裝備受鹽腐蝕影響的功能性能及壽命特征參量的置信區間達到或高于設計要求時，評價為適應鹽腐蝕環境，否則為不適應。由此可知，這種鹽腐蝕環境適應性評價，既包含設計要求的置信度，更具有多參量耦合評價相互佐證的精準性。

2.3 失效分析

圖3 鹽腐蝕失效分析“六步法”Fig.3 Six-step Criterion on Salt Corrosion Failure Analysis

鹽腐蝕失效分析與“一次成功”并不矛盾，相反以改進設計為目的的正確失效分析是“一次成功”的最后一道屏障。對于飛行器裝備鹽腐蝕失效，有利于正確的方法路徑包括6 個步驟，統稱為鹽腐蝕失效分析“六步法”，如圖3 所示[4,20]。

基于“六步法”的鹽腐蝕失效分析過程中，最關鍵最耗時的一步是失效機理解析，也是鹽腐蝕失效分析正確與否的根本所在。盡管飛行器裝備失利、失效或故障，有時相應系統、結構或構件因發生燃燒、墜海等狀況而丟失，但在鹽腐蝕失效分析時也要深入研究失效現象和全生命周期的工況條件。找到原始系統、結構或構件，并基于全面數據進行腐蝕失效分析。在失效件丟失等特殊情況下，可以利用故障樹分析方法，從整體到局部以及從局部到整體進行剖析，推測可能的鹽腐蝕失效現象和工況條件，為解析失效機理奠定基礎。

飛行器裝備常見的應力腐蝕失效模式，目前從機理上可分為6 種類型，各類型應力腐蝕機理（Stress Corrosion Cracking，SCC）模型與微觀基因的關系如表3 所示[4]。

表3 SCC 微觀基因與機理模型的關系Tab.3 Relationship between Microscopic Genes and Mechanism Models on Stress Corrosion Cracking (SCC)

此外，飛行器裝備系統、結構或構件的一次鹽腐蝕失效有時同時包含5 種失效模式：應力腐蝕-過載斷裂，縫隙或電偶腐蝕-應力腐蝕，均勻或局部腐蝕-氫脆-氫致開裂，點蝕或表面缺陷-應力腐蝕-過載斷裂，均勻或局部腐蝕—腐蝕疲勞等。工程上，常用斷口形貌、缺陷分布、能譜或光譜等解析鹽腐蝕失效機理[4]，初步形成系統、結構或構件失效機理的客觀理性認識。

然后，應基于解析形成的鹽腐蝕失效機理開展材料、結構或系統層級試驗（批量生產和必要時也可對全系統開展鹽腐蝕試驗），以確認失效機理是否正確。當再次出現相同鹽腐蝕機理原因的失效現象時，即可確定鹽腐蝕失效機理原因。進一步地，基于確定的鹽腐蝕失效機理，開展材料、結構、工藝等選型設計，并進行鹽腐蝕環境適應性耦合試驗評價，驗證選型設計的合理性。

3 鹽腐蝕環境適應性發展展望

雖然目前針對鹽腐蝕失效的研究已有成熟理論、方法、技術、應用等方面的成果，但鹽腐蝕環境適應性仍不能滿足當前及未來需求和工程需要。因此，鹽腐蝕環境適應性亟待發展。首先，鹽腐蝕環境適應性的研究要遵循客觀規律；其次，要瞄準專業發展方向，鹽腐蝕早現于飛行器等大尺寸工程裝備[1]，而作用機制則關聯于微觀基因，因此鹽腐蝕環境適應性專業發展方向也主要分為兩個方面：

a）大尺寸及細觀層次的應用，例如多層級系統裝備鹽腐蝕環境適應性選型設計方法、高加速高通量評價與失效分析技術應用等；

b）微納尺度機理與預測模型，例如多離子及原子作用下納米尺度電偶對脆化解理基因解析與預測模型構建等。再次，發展鹽腐蝕環境適應性要突破損傷范疇，鹽腐蝕是一種損傷現象，但可以基于損傷規律開展無損評價。針對單樣本或小樣本試件鹽腐蝕環境適應性無損試驗評價的需求，首先要選用無損性可測試參量（如本征缺陷密度、本征缺陷尺寸、本征強度或本征應變等），然后基于環境斷裂（損傷）力學-化學-物理理論中相應鹽腐蝕環境致缺陷演化、強度弱化、壽命降低等的預測模型，凝練飛行器裝備鹽腐蝕環境適應性無損試驗評價的新技術、新方法。

4 結 論

a）飛行器裝備鹽腐蝕是鹽氛環境及力學載荷多因素協同作用下系統、結構或構件的一種失效現象，其環境適應性工程體系主要包括工程設計、評價和失效分析3 個方面。

b）合理選型設計是飛行器裝備鹽腐蝕環境適應性的根本路徑，其中應結合相應鹽腐蝕環境選型材料、結構和工藝，謹慎或避免選用鹽腐蝕敏感體系。

c）鹽腐蝕涉及多因子，包含環境損傷基因、環境作用機制和多種評價參量，因此應通過多因子耦合試驗和測試，評價飛行器裝備的鹽腐蝕環境適應性。

d）“六步法”，即失效現象觀察、工況查詢、機理解析、現象復現、設計改進和修復驗證6 個步驟，是飛行器裝備鹽腐蝕失效分析的有效技術手段和路徑。