某型直升機加速腐蝕試驗環境譜編制及應用

吳 瑜，張曉娟

(1.天津航空機電有限公司，天津 300301；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

直升機在海洋環境服役時，將暴露于高溫、高濕、高鹽霧的嚴酷腐蝕環境中。相關研究表明，結構腐蝕為直升機結構部位發生破壞的重要因素。因此，在直升機的使用壽命評定中必須考慮環境因素的影響。

然而由于直升機實際服役年限較長，通常要達到30年左右，使用環境惡劣，在實際使用環境下進行腐蝕試驗無法滿足設計周期的要求。目前通常采用的方式是在實驗室環境下進行加速腐蝕試驗，縮短試驗周期。為此，需要建立對應的加速腐蝕環境譜。20世紀80年代，北大西洋公約組織(NATO)便開展了相關的腐蝕疲勞試驗研究。而美國國防部制定了涂層加速試驗環境譜及試驗程序(CASS譜)，并闡述其加速試驗環境譜的編制方法。但我國在環境譜編制、加速當量折算方法等方面的研究還處于探索階段，主要存在如下方面的不足：收集的環境數據量較少，且較為分散，沒有建立較為完整的飛機環境數據庫；環境數據分析帶有一定的經驗性和片面性，還未形成完善的統計分析方法；未形成相對公認的方法，在環境譜的編制方面隨意性較大，數據處理方法不夠規范。

1 環境譜編制

1.1 環境譜編制原則

通過對美國空軍制定并應用于F-18飛機結構的涂層加速試驗環境譜及試驗程序(簡稱CASS譜)以及國內已有型號加速環境譜編制情況的研究，得到編制合理的環境譜需滿足如下幾個原則：

1)相關性—針對具體結構對象，包含使用時實際環境產生腐蝕的主要因素及作用情況，再現實際服役過程出現的腐蝕損傷形式、特征和腐蝕產物的組成成分；

2)加速性—大大縮短實際環境下腐蝕歷程的時間，使加速腐蝕試驗周期和費用減少到工程可接受的范圍；

3)可實施性—加速腐蝕試驗環境譜能夠在實驗室實現對應的試驗技術，不宜過于復雜；

4)能通過合理的準則和方法，建立加速試驗環境譜與地面停放環境之間的當量加速關系。

此外，由于實際結構形式多樣、環境條件變化多端，不可能針對每個結構或某類環境建立對應的加速環境譜，因此將細節類似、環境條件近似的結構進行適當歸并，不細究其環境的差別。需要指出，滿足上述要求的加速腐蝕試驗環境譜并不是唯一的，要統籌多種因素綜合確定。

1.2 環境譜編制技術途徑

通過開展沿海直升機服役環境條件的研究，對氣象環境數據，加速腐蝕試驗相關資料和標準，如MIL-STD-810G《環境工程考慮和實驗室試驗》、HP 020 0008《環境技術條件》等進行了分析，并了解了國內航空行業開展環境試驗的總體情況、固定翼飛機機體結構環境試驗情況和GJB150A在國內航空領域的應用情況，分析得出了環境譜編制的主要技術途徑：

1)明確加速腐蝕試驗環境譜的編制原則，作為指導加速腐蝕試驗環境譜編制的依據；

2)對直升機結構特點進行分析，明確結構部位、結構形式、材料、工藝、連接形式、密封和防腐處理措施等，特別關注其與外界環境的連通性；

3)對直升機結構使用特點進行分析，明確可能的使用剖面、服役地域及時間比例、服役地域環境特點以及維護修理措施等；

4)明確服役地域自然環境、機場環境、空中環境，給出各類環境因素的作用時間、頻次等，給出環境介質組分、濃度、作用時間等，確定環境總譜；

5)在2)、3)、4)的基礎上，確定典型結構部位的主要環境因素(介質、組分、濃度、作用時間等)，及可能出現的主要腐蝕損傷形式；

6)對防護涂層加速腐蝕試驗方法進行調研和分析，選取依據充分、經過試驗驗證或被型號定延壽采用的加速腐蝕試驗環境譜作為參考譜，并明確該加速腐蝕環境譜的背景使用特點和使用環境，作為參考環境；

7)以已有的加速腐蝕試驗環境譜為基礎，結合本次研究對象的特點(結構特點和環境特點)，初步確定各類加速環境譜的形式和構成；

8)通過使用環境和參考環境的對比分析，以及典型環境參數的計算和分析，明確環境參數和作用時間等關鍵參數，初步擬定加速腐蝕試驗環境譜；

9)確定最終的加速腐蝕試驗環境譜。

1.3 使用環境譜

使用環境譜可分為兩類：服役環境譜、加速腐蝕當量環境譜。服役環境譜又可以大致分為地面停放環境譜、空中飛行環境譜和局部部位環境譜，三者之間存在著一定的聯系。據有關機種的使用資料統計，軍用飛機的停放時間可占全部日歷壽命時間的97%以上，因此飛機的停放環境是影響飛機腐蝕的主要原因之一，故而地面停放環境譜為編制飛機環境譜的基礎。空中飛行環境往往與地面停放環境存在著較大不同，如飛機材料的腐蝕疲勞、直升機結構的低溫振動等等。

本文以軍用直升機為例，通過對直升機停放環境的調研、測量、分析，編制直升機使用環境譜，并將使用環境譜轉化成便于開展元件與模擬件加速腐蝕試驗的當量環境譜。因該機服役地區主要為渤海海域和黃海海域，未來可能在中國南海環境服役，對以上區域的環境譜進行分析，最終環境總譜的編制以服役環境較為惡劣的青島和南海的環境數據為基礎，綜合考慮其他海域的環境數據，得出符合該機實際的服役環境的年度雨、霧露、濕度總譜及大氣環境譜，如表1、表2所示。

表1 某直升機服役環境年度雨、霧露、濕度總譜

表2 某直升機服役環境年度大氣環境譜

2 結構分區及環境譜塊分析

2.1 結構分區

大量的研究和調研結果表明，同樣型號的直升機在不同服役地區的腐蝕損傷情況會有明顯的不同。而直升機同樣的結構、材料與表面防護，在不同的結構區域所形成的腐蝕損傷也不一樣。由此可見，直升機結構的腐蝕與具體結構部位的局部腐蝕環境是密不可分的。如對于外露上表面而言，直接承受外部自然環境因素和化學環境因素的作用，受溫濕、鹽霧、紫外、化學介質的綜合作用，環境條件較為嚴酷。而外露下表面承受的溫度相對較低，濕度浸潤時間相對稍長，紫外作用時間相對較少。而內部半封閉結構，濕氣、鹽霧的滲入會導致水汽在局部凝結、聚積，從而產生局部的部分時間的浸泡。

因此針對不同區域的腐蝕環境，需要不同的加速環境譜進行考核，不同區域的環境譜需在直升機停放環境譜的基礎上確定。通過對局部結構的分析、歸納，將直升機典型結構分為以下幾類：外部結構上表面、外部結構下表面、內部封閉結構及內部半封閉結構。

2.2 環境譜塊分析

美國空軍制定并應用于F-18飛機結構的涂層加速試驗環境譜及試驗程序(簡稱CASS譜)，主要針對軍用飛機在亞熱帶沿海地區服役的環境條件。其中，一個周期包含五個環境塊：濕熱、紫外、熱沖擊、低溫疲勞、鹽霧，反映了飛機停放時，早晚多受高濕、鹽霧作用，白天受紫外輻射、熱沖擊及載荷作用的實際情況。我國某型殲擊機也是采用該環境譜塊進行加速腐蝕環境試驗。某型直升機的服役環境與F-18、某型殲擊機類似，可以參考CASS譜確定環境影響因子。

環境譜中的潮濕空氣對直升機結構的影響主要以濕熱試驗進行考核；太陽輻射對直升機結構的影響主要以紫外照射試驗進行考核；各類酸性腐蝕介質對直升機結構的影響主要以鹽霧試驗及酸性鹽霧試驗進行考核；直升機振動產生的交變載荷對直升機結構的影響主要以低溫疲勞試驗進行考核；降塵對直升機結構的影響因無具體的考核方法，故不納入環境譜塊中。

2.2.1 外露結構上表面環境譜塊

考慮到直升機沒有嚴酷的熱沖擊環境，因此對CASS譜進行剪裁，刪除熱沖擊譜塊。故外露結構上下表面的環境譜塊如圖1所示。

圖1 外露結構上下表面環境譜塊

其中直升機外露結構上表面受陽光照射、氣候風等條件的影響，濕熱作用時間應有一定的縮減；而外露結構下表面只在早、晚太陽光斜射時接受少量紫外線照射，難以接受紫外線強度最高的正午時分的直射，因此外露結構下表面的紫外照射時間應有一定的縮減。

2.2.2 內部封閉結構環境譜塊

內部封閉結構(如地板以下、頂部夾層區)不直接與外界環境接觸，平時(除大修外)很少開啟。由于外界環境介質，如濕氣、鹽霧、化學介質等，會滲入結構內部，而內部結構通常難以維護，會形成局部高濕(含鹽及酸性離子)的腐蝕環境，甚至冷凝成液滴，個別排水不暢的結構，會由于溶液積存形成浸泡環境。對于封閉結構宜采用含浸泡環境塊+常溫疲勞的加速方法，故內部封閉結構的環境譜塊如圖2所示。

圖2 內部封閉結構環境譜塊

2.2.3 內部半封閉結構環境譜塊

與內部封閉結構相比，內部半封閉結構會經常(或定期)打開或開啟口蓋進行維護。維護時間相對較短，維護時也會清除腐蝕介質。但是由于這些結構往往不做全面密封，外界環境介質，如濕氣、鹽霧、雨水、化學介質等更易滲入結構內部，也會形成局部高濕(含鹽及酸性離子)的腐蝕環境，甚至冷凝成液滴，也會形成由于溶液積存造成的浸泡環境。

由于受外界環境的影響，外界的濕氣、鹽霧等會滲入，甚至凝結在局部聚集。海上服役時海水濺射后進入，維護清洗也可能有溶液進入，從而產生局部的部分時間浸泡。反復的濕潤—浸泡過程導致產生腐蝕損傷。對半封閉結構，由于采取了合理的措施，可能不會形成長久溶液積聚，而積液聚集前及清除之后，則為溫濕環境。對于內部半封閉結構宜采用溫濕+浸泡環境+常溫疲勞的加速方法，且溶液浸泡相較于內部封閉結構應有一定的縮減，其環境譜塊如圖3所示。

圖3 內部半封閉結構環境譜塊

3 內部封閉結構加速腐蝕環境譜

內部封閉結構主要承受濕熱、鹽霧、酸性氣體或含鹽、酸的積水浸泡、載荷的作用，無紫外線和熱沖擊作用。

3.1 參考譜選取

參考譜取為某系列飛機42框下半框腹板用加速腐蝕試驗環境譜(EXCO溶液更改酸液成分的溶液浸泡+常溫疲勞的試驗)。參考譜的構成為：

1)溶液浸泡2天。根據外場腐蝕產物的能譜分析結果，在腐蝕損傷形式相當的前提下，對EXCO溶液的組分進行一定的調整，將HNO調整為HSO，每升溶液加入3毫升濃HSO，使得溶液pH=0.4，并將環境溫度定為

T

=(43±2)℃。

2)常溫疲勞。室溫大氣環境下施加恒幅載荷若干次，頻率4Hz。

3.2 內部封閉結構加速腐蝕環境譜編制

根據某直升機內部封閉環境分析，內部封閉結構適用的環境譜塊主要為溶液浸泡和常溫疲勞兩個譜塊，各譜塊參數確定如下：

1)溶液浸泡

①溫度

環境溫度定為室溫

T

=(25±2)℃。

②溶液構成

NaC l234g/l

KNO50g/l

HSO(濃度為68%) 若干

③溶液pH值

pH值通過在溶液中添加稀HSO調整，使得溶液pH值與航母停放時外露結構表面水膜的pH值一致，取為pH=4.0。

④浸泡時間

考慮到內部封閉結構高濕環境主要是外部雨水或清洗飛機時沿縫隙流入或滲入內部結構造成的，用艦載飛機受到的雨水作用次數(包括清洗)除以參考環境中的雨水作用次數(包括清洗次數)，再乘以某系列飛機內部腐蝕失效關鍵部位加速環境譜中的溶液浸泡時間，就得到該直升機內部結構加速環境譜中的溶液浸泡時間。

參考環境譜平均每年雨水作用次數

n

=158次。某飛機平均每年雨水作用次數

n

=135次。以某飛機7天(每周)清洗1次；海上超低空飛行，每次飛行完后必須進行清洗，年均20～50次，按35次計算，全年共清洗

n

=87次。而J8系列飛機清洗次數明顯低于該軍直升機，可按某飛機的1/3即

n

=17次計算，J8飛機內部腐蝕失效關鍵部位加速環境譜中溶液浸泡時間為2天，則該直升機浸泡時間為：

2)疲勞試驗

內部封閉結構的疲勞應力水平可以參考外露腐蝕關鍵部位的應力水平確定方法給出。在不能給出明確的結構受載的情況下，參考外露部位。如所選內部結構不受交變應力或所受交變應力影響不大，可以對疲勞試驗部分進行裁剪。

綜上，內部封閉結構加速腐蝕試驗環境譜如圖4所示。

圖4 內部封閉結構加速腐蝕試驗環境譜

4 內部封閉結構加速腐蝕試驗

4.1 試驗件設計

選取直升機內部封閉區典型連接形式，試驗件為搭接件(如圖5所示)。材料分別為復合材料及鋁合金(如圖6所示)，并進行適當的密封涂漆等表面防護處理。外廓尺寸為300mm×120mm，啞鈴形夾持端寬40mm。

圖5 試驗件示意圖

圖6 內部封閉典型連接件

4.2 試驗過程及試驗結果

利用圖4內部加速腐蝕環境譜進行10個周期內部封閉結構區域典型連接件的加速腐蝕環境試驗，10個周期后試驗外觀結果如圖7所示。結果表明經歷10個試驗周期的試驗件鋁合金和復合材料板材涂層完好，無起泡、開裂、剝落等現象，且涂層厚度未發生明顯改變。根據GB/T 1766-2008《色漆和清漆涂層老化的評級方法》對涂層進行評級，試件A、B、C三個面的涂層色差值評級為1級，D面涂層色差值評級為3級，證明涂層性能較好。結果表明鋁合金、復合材料防護體系在內部相對封閉環境下的抗腐蝕性能較好。

圖7 第10周期試驗件外觀圖

5 結束語

加速試驗環境譜是直升機腐蝕防護設計、腐蝕防護性能的評定及主機結構環境鑒定試驗的支撐依據，在后續試驗中將與自然環境試驗結果進行對比分析，驗證該加速試驗環境譜的合理性，并對具體的試驗參數進行進一步修正。

本文對環境譜編制情況、環境譜編制技術途徑進行研究，開展某型直升機腐蝕區域劃分和環境譜編制，并進行了典型連接件的加速腐蝕環境試驗應用研究。該環境譜的編制為某直升機的腐蝕防護設計改進和腐蝕防護性能評估提供了重要依據。

1)通過對機上腐蝕環境的分析研究可知，直升機不同區域的環境特征不同，直升機進行腐蝕環境分析前需對結構區域進行劃分；

2)通過對某直升機內部封閉結構區經受的環境因素及各環境應力進行分析，編制了適用于考核直升機內部封閉區結構及防護體系耐腐蝕性能的加速腐蝕環境譜，該環境譜以年度環境進行當量加速，在理論上1加速試驗周期當量外場服役一年；

3)選取某直升機內部封閉區域典型連接試驗件，采用內部封閉區域加速腐蝕環境譜進行了試驗，試驗結果表明某直升機鋁合金、復合材料防護體系在內部相對封閉環境下的抗腐蝕性能較好。