彈上設備濕熱試驗典型失效機理分析及建議

周潔，陳津虎，趙帥帥，張濤

（北京強度環境研究所，北京 100076）

導彈武器裝備具有“長期貯存，一次使用”的特點，在其貯存期內，要反復經歷裝卸、運輸、貯存、待機、檢測、維修和戰備值班等過程[1]。在這些過程中，裝備會受到自然環境和誘發環境的影響。自然環境主要包括高溫、低溫、低氣壓、濕熱、鹽霧、霉菌、砂塵、輻射等；誘發環境主要包括振動、沖擊等。彈上設備安裝在導彈內部，在貯存期內，會受到這些環境的影響，由此引起外部損傷和內部應力的變化，造成相關材料發生腐蝕、老化、霉變，導致電氣性能、力學性能、密封性能和物化性能退化，甚至失效，最終導致貯存可靠性、戰備完好性和系統效能的降低。在諸多的環境因素中，濕熱是影響武器裝備貯存可靠性的重要因素。由此發展起來的濕熱試驗是考核裝備耐濕熱環境影響能力的一種試驗方法[2-3]，其在研制、定型階段發揮了重要的作用。

為了提高彈上設備耐濕熱環境的能力，彈上設備通常要進行“三防”（防濕熱、防霉菌、防鹽霧）設計[4]。通過采取防腐蝕的結構設計，選擇耐腐蝕的原材料，對基材表面進行“三防”處理，以提高裝備的環境適應能力，使其滿足在機載、陸基、海洋等環境服役的彈上設備的使用或長期貯存的需求。文中總結了某型號彈上設備在濕熱鑒定試驗過程中發生的典型外觀不合格現象，通過建立故障樹，分析了濕熱試驗對彈上設備外觀的影響機理，總結了彈上設備濕熱試驗后外觀發生不合格的原因，并給出了彈上設備適應濕熱大氣的相關建議。

濕熱環境對裝備的影響大部分是溫度和濕度綜合作用的結果。溫、濕度的變化，會使裝備及其材料內部或表面出現凝露、吸附、吸收、擴散、呼吸等物理現象[5]，會產生凝露和游離水，從而引起材料吸潮膨脹、物理強度降低和電氣絕緣性能降低等材料性質的改變；導致金屬發生氧化或電化學腐蝕、加速化學反應等表面效應，造成金屬腐蝕生銹；導致元器件發生漏電、電接觸不良、短路或擊穿等。由溫、濕度引起的物理現象及其產生原因、特點、影響因素見表1[5-8]。

1 問題概述

某型號彈上設備的濕熱鑒定試驗按GJB 150.9A—2009[5]的要求進行，外觀合格判據為：允許金屬結構件輕度變暗和變黑，但不得腐蝕；金屬結合處無腐蝕；允許涂漆層光澤顏色減退和有少量直徑不大于0.5mm的氣泡，但不應有起皺，開裂及涂漆層脫落現象，且基底金屬不得出現腐蝕；非金屬材料無明顯泛白、膨脹、起泡、皺裂、脫落及麻坑等。

在濕熱鑒定試驗過程中發現的不合格項，80%以上是產品的外觀不符合要求，主要的不合格現象為：金屬腐蝕生銹；表面涂層起泡、脫落。文中主要介紹3種典型的外觀不合格現象。

按照上述試驗條件進行濕熱試驗后發現，某彈上電子設備側面位于測試插頭接口X4-X7邊緣棱角處的漆層出現起泡，如圖1a所示；電子設備電連接器安裝螺釘下方外殼表面出現腐蝕生銹現象，如圖1b所示；溫度傳感器電連接器的螺釘出現腐蝕生銹現象，如圖1c所示。

2 失效機理分析

2.1 側面漆層起泡

對該彈上電子設備側面進行外觀檢查，發現出現起泡現象的漆層均為內接電連接器口側面漆層，且上下端面起泡程度不同，上端面起泡程度比下端面嚴重。

針對側面漆層起泡的失效原因，建立了側面漆層起泡故障樹[9]，如圖2所示。

圖2 側面漆層起泡故障樹Fig.2 Fault tree of foaming on the side paint

1）防護措施不到位因素（X1）分析。升溫階段，由于產品的熱慣性，產品溫度的上升滯后于試驗箱的溫度，其表面會產生凝露[6]。電纜插頭外殼上下端面與產品表面漆層之間形成窄縫（見圖3a）。窄縫處空間狹小，凝水在其間不斷聚集、靜滯，使得漆層與插頭端面接觸的部位長時間浸潤于凝水當中，并處于高低溫交變循環的試驗狀態，加大了漆層參與濕熱試驗的嚴酷度，可能會造成漆層起泡。從上述分析可知，不能排除由于防護措施不到位造成漆層起泡的原因。

圖3 電連接器與電纜插頭連接狀態Fig.3 Connection status between electrical connector and cable plug: a) built-in electrical connector; b) external electrical connector

2）噴漆工藝不符合要求因素（X2）分析。經查，操作者按照工藝流程，使用規定的工藝參數進行噴涂作業，噴漆工藝符合要求。此外，若噴涂工藝不符合要求，濕熱試驗后，設備外殼漆層整體會出現均勻起泡現象，通過觀察設備濕熱試驗后的起泡現象可知，噴漆工藝符合要求。該工藝已成熟應用在其他航天產品上，且多批次產品均進行過與該設備相同試驗條件的濕熱試驗，未發生類似問題。從上述分析可以說明噴漆工藝符合要求。因此，可以排除該因素。

3）試驗參數設置錯誤因素（X3）、試驗運行過程參數控制異常因素（X4）分析。對該濕熱試驗過程進行復查，該濕熱試驗是按照GJB 150A—2009進行的，試驗設備以及使用的控制、測量傳感器均在檢定期內，并且工作正常。溫濕度允差滿足GJB 150.1A—2009要求，操作人員為持證上崗，且在有效期內，試驗條件加載正確，試驗數據合理可信。因此，可以排除試驗參數設置錯誤、試驗運行過程參數控制異常因素。

綜合上述分析，防護措施不到位是造成側面漆層起泡的原因。在交變濕熱試驗過程中，升溫階段，受試產品表面會產生凝露現象，加大了漆層參與濕熱試驗的嚴酷度，導致漆層軟化、膨脹，膜分子單元間隙增大。水分子通過膜分子單元增大的間隙，不斷浸入底漆與面漆中間。水分子進入固體材料內部后，會改變固體材料的晶格形狀，導致固體材料晶格內部膨脹變形，使外層面漆起泡[10-14]。連接器上下端面起泡的差異主要是電連接器端面與框架接觸寬度有差異所致。下側接觸面小或無接觸，凝水不易聚集，因此輕微起泡或無起泡。與內接電連接器相比，外接電連接器與周圍漆層（見圖3b）之間空間較大，不會有凝水聚集，因此沒有出現起泡現象。

2.2 外殼表面腐蝕生銹現象

拆卸螺釘附件后，進行外觀檢查，發現螺釘未出現腐蝕生銹現象。采用電子顯微鏡對其外殼進行外觀檢查，發現殼體側面靠近法蘭盤平面的根部轉角位置呈現黑色，無銀白色鍍層覆蓋，如圖4所示。

圖4 電連接器拆卸后外殼及鍍層腐蝕部位Fig.4 Schematic diagram of the corroded parts of shell and the coating after the electrical connector is disassembled

對電連接器鍍層異常和正常區域成分進行分析，分析結果分別如圖5、6所示。通過對電連接器鍍層正常區域和異常區域進行對比分析發現，鍍層異常區域含Fe為14.98%（質量分數），氧為21.46%。因此可以確定電連接器外殼側面靠近法蘭盤平面的根部轉角位置的鐵基體材料存在腐蝕現象。

圖5 鍍層異常區域材料成分Fig.5 Material composition of abnormal area of the coating

針對電連接器外殼銹蝕，建立如圖7所示的故障樹[9]。

圖7 某電連接器外殼銹蝕故障樹Fig.7 Fault tree of a certain corroded electrical connector shell

1）設計選材不合理因素（X1）分析。該電連接器殼體材料為SPCC碳素鋼，其組裝完成后，隨彈上電子設備按照GJB 150A—2009進行濕熱試驗。對該標準中的濕熱試驗條件與生產單位所執行的GJB1217A—2009[15]進行比對，濕熱試驗均為10個循環，累計240 h，試驗濕度要求兩者基本一致，均為95%±5%，GJB 1217A—2009的溫度變化幅度為25~65 ℃，而GJB 150A—2009為30~60 ℃。綜合比較可知，該電連接器所執行的濕熱試驗標準的試驗條件相對鑒定試驗要略微嚴酷。因此，設計選材不合理的因素可以排除。

圖6 鍍層正常區域材料成分Fig.6 Material composition of normal area of the coating

2）鍍覆過程異常因素（X2）分析。經查相關操作記錄，鍍覆操作人員為持證上崗，且在有效期內。零件電鍍過程的工藝參數都在工藝規定范圍內，無異常反饋。因此，排除鍍覆過程異常。

3）裝配工藝不合理因素（X3）分析。該裝配工藝按照工序卡片進行，從未發現該等級產品在例行試驗濕熱或鹽霧項目中殼體腐蝕生銹的現象，且該工藝應用多年，成熟可靠。因此，裝配工藝不合理因素可以排除。

4）裝配操作不當因素（X4）分析。該批次裝配人員為持證上崗，且在有效期內。該批次完工檢查流程卡相關檢測內容正常，無異常情況。同時復查實際腐蝕生銹部位并非外殼翻鉚作用區域，因此裝配過程操作不當因素可以排除。

5）檢驗過程操作不當因素（X5）分析。產品完工檢查合格后，提交質量部進行逐批檢驗。其中進行機械檢查項目時，要求檢驗人員將產品組裝成附件后，再與夾具進行互換性對接，以模擬用戶實際使用狀態。組裝附件時需要采用工裝夾具將六角螺釘固定，再擰緊尾端螺母。從圖4腐蝕部位照片可以看出，發生生銹的部位為外殼根部。在進行逐批檢驗的互換性項目測試時，需組裝六角螺釘附件，而組裝過程中使用工裝會對外殼鍍層造成磨損或損傷。通過復查發現，互換性項目測試時的專用工裝夾具曾出現過異常記錄，具體表現為端面及內六方變形無法正常使用，現場作業人員為了保障生產，對原不合格工裝進行了自行修理。由于返修后的工裝端面存在銳邊，該工裝使用時，其端面與外殼表面會直接接觸，其表面銳邊會對殼體產生一定正壓力與剪切力，導致接觸部位的鍍層產生破損。該電連接器銹蝕部位位于外殼轉角處，屬于專用工裝與外殼直接接觸部位范圍，因此檢驗過程中因檢驗工裝操作不當致使外殼鍍層損傷的因素不可以排除。

6）試驗參數設置錯誤因素（X6）、試驗運行過程參數控制異常因素（X7）分析。同側面漆層起泡失效機理分析中的3），因此，可以排除該兩項因素。

綜合上述分析，檢驗過程操作不當是造成電連接器安裝螺釘下方外殼表面出現腐蝕生銹現象的原因。電連接器基體為SPCC冷板鐵合金，鍍覆要求為鍍鎳。由于鐵的電極電位低于鎳，所以電鍍鎳層對于鐵合金為陰極性鍍層，即在出現腐蝕時，基體會優先于鍍層出現腐蝕。對于陰極性鍍鎳層，鍍層完整時，可以有效將腐蝕物質隔絕在外，能夠為基體提供良好的防護；當鍍層完整性受到破壞，基體能接觸到腐蝕性物質，耐蝕性會降低。

在裝配過程中，由于組裝附件時對工裝夾具操作不當，致使外殼轉角處鍍層受損，鍍層損傷位置基體裸露在外。當遇見由空氣中的水汽溶解二氧化碳形成的電解液，通常會發生如下反應：

陽極Fe?4e=2Fe2+

陰極O2+H2O+4e=4OH?

生成的Fe2+是以4Fe(OH)2形式存在，在含水的空氣中會進一步發生如下反應：

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O

由于腐蝕產物Fe(OH)2、Fe(OH)3或者Fe2O3的體積為原來金屬Fe體積的數十倍，腐蝕物會沿著裂紋溢出，于是出現圖1b的現象。

2.3 螺釘銹蝕現象

觀察該電連接器的結構，電纜罩與電纜夾通過螺釘、墊圈固定在一起，在使用時起到對線纜的夾緊固定作用，僅螺釘出現腐蝕生銹現象。針對電連接器螺釘銹蝕，建立故障樹[9]，如圖8所示。

圖8 某電連接器螺釘銹蝕故障樹Fig.8 Fault tree of a corroded electrical connector screw

1）螺釘自身質量缺陷因素（X1）分析。經復查，所用螺釘出廠檢驗記錄和入廠復驗記錄均合格。隨機抽取了10只庫存的鍍鋅螺釘進行8 h鹽霧試驗。試驗后，螺釘表面無銹蝕現象（如圖9所示）。因此，螺釘自身質量缺陷的可能因素X1可以排除。

圖9 鍍鋅螺釘8 h鹽霧試驗后外觀Fig.9 Appearance of galvanized screw after 8 h salt spray test

2）設計選材不合理因素（X2）分析。該螺釘屬于鋼質鍍鋅螺釘，產品電纜罩和電纜夾零件為銅質鍍鎳。鍍鋅層為陽極鍍層，電化學腐蝕過程中，通過腐蝕鍍鋅層來保護基體材料不被腐蝕，有腐蝕較慢的優點，在一般大氣及工業大氣條件下具有較好的防護性能。該螺釘自身較小，外表面非平整平面，因此鍍層較薄，無法完全滿足更高耐腐蝕環境中使用的要求。因此，設計選材不合理因素X2不能排除。

3）試驗參數設置錯誤因素（X3）、試驗運行過程參數控制異常因素（X4）分析。同側面漆層起泡失效機理分析中的3），因此，可以排除該兩項因素。

綜合上述分析，設計選材不合理是造成螺釘銹蝕的原因。該電連接器所用螺釘鍍層結構屬于鋼基體上鍍鋅，該鍍層在腐蝕介質中為陽極性鍍層。鋅（標準電極電位－0.76 V）電極電位更負，是陽極，鐵（標準電極電位－0.44 V）是陰極。在發生腐蝕時，鋅鍍層先受到腐蝕。

鋅本身是較為活潑的金屬，鋅的表面與周圍的潮濕空氣接觸，會首先與潮濕水汽發生化學反應，生成一層多孔的膠黏狀Zn(OH)2腐蝕產物。隨后，一部分Zn(OH)2會進一步與大氣中的二氧化碳反應，生成腐蝕產物ZnCO3；而另一部分Zn(OH)2在干燥環境下會失去結晶水，變成ZnO。ZnO和ZnCO3會進一步發生復雜的物理化學反應，最終產生一層薄的、非致密的、有一定黏附性的堿式碳酸鋅（Zn2(OH)2CO3）和氧化鋅的混合物，可以阻止鍍層進一步腐蝕。

環境中的揮發性氣體（有機酸、硫化氫、氯化氫、氨等）以及外來的有機酸、鹽等物質，在潮濕的環境下，對鋅鍍層的腐蝕起到加速作用，易產生白色腐蝕物質，即白斑現象[16-17]。當長時間處于潮濕環境時，鋅鍍層被腐蝕后，鋼基體在沒有鍍層防護的情況下，會和水、空氣產生氧化腐蝕現象，生成褐色的鐵的氧化物，主要成分為Fe2O3，即螺釘表現為銹蝕現象。

3 不合格原因總結

綜合上述分析，濕熱試驗過程中，產品外觀不符合要求的原因主要有以下幾種：

1）在產品設計階段，對環境適應性分析不到位，未充分考慮到產品在使用條件下，在濕熱試驗過程中接插件尾罩與殼體間形成的積水效應，造成漆膜起泡問題，使產品不能滿足外觀要求。

2）產品在生產或者檢驗過程中，由于使用了經過異常處理的工裝，在進行裝配操作時，致使產品表面的鍍層受損，產品鍍層的耐腐蝕性能下降，基底金屬暴露在大氣中，與空氣中的水、氧氣發生化學反應，使產品不能滿足外觀要求。

3）在產品設計選材階段，產品的材質不能完全滿足相應耐濕熱腐蝕環境的使用要求。

4）產品表面有鍍層，在流轉、運輸、交付過程中，造成了鍍層的劃傷、破壞，使基底金屬暴露在大氣中，與空氣中的水、氧氣發生化學反應，導致產品不能滿足外觀要求。

4 彈上設備適應濕熱大氣的相關建議

從以上分析可以看出，彈上設備濕熱試驗過程中受濕熱環境的影響，其外觀不合格的原因具有一定的規律。為了保證導彈的可靠性，使其能夠從貯存狀態直接轉入能使用狀態，提高其貯存可靠性、戰備完好性和系統效能，在產品設計、維護保養和貯存環境維護上就應該科學管理，合理分配資源。

1）對于導彈這種具有“長期貯存、一次使用”特點的武器裝備，必須使其達到高可靠、長壽命的要求。縱觀各類導彈貯存及其延壽信息，許多貯存失效模式是由于受濕熱環境的影響。分析這些失效的原因，很大一部分是因設計不當造成的。因此，在研制階段應考慮產品全壽命周期內所經歷的各種環境因素，從源頭做起，高度重視產品可靠性的設計工作，開展充分的設計驗證，保證產品可以滿足實際使用環境要求。

2）環境中的溫度、濕度、鹽霧、霉菌是影響彈上設備貯存可靠性的關鍵因素。在選材上，要選擇能夠提高環境適應能力的元器件和原材料，避免使用某些不能滿足濕熱環境要求的材料。如碳鋼基體+鍍鋅的表面處理工藝，不能夠滿足濕熱環境條件下不發生銹蝕的要求，在全壽命周期內有濕熱環境的產品不建議采用該材料。其次，在介質隔離上，產品的表面應該進行“三防”設計。

3）各類彈上設備的貯存失效模式和失效機理可能存在差異，但其主導原因卻大同小異，都是由于環境應力（溫濕度、電應力和機械應力）的作用，導致彈上設備的腐蝕、老化[18-19]。這2種失效是導彈貯存中最常見的失效，如能控制腐蝕、老化的發生，即可大幅度提高導彈的貯存可靠性。因此，必須采取措施控制貯存倉庫、簡易庫房等處的貯存“大環境”，通過密封包裝、充氮氣等途徑來控制導彈的貯存“小環境”和“微環境”，從而盡量減小溫、濕度等環境因素給產品帶來的影響[20]。

5 結語

文中對某型號彈上設備在濕熱鑒定試驗過程中出現的典型外觀不合格現象，采用故障樹分析方法明確了失效原因，并對失效機理進行了分析。給出了彈上設備適應濕熱大氣的相關建議，為提高彈上設備的耐濕熱環境能力，進而提高裝備的貯存可靠性、戰備完好性和系統效能提供了指導。