高速雨滴沖擊下飛行器蒙皮涂層損傷行為動態實驗研究*

沙明工，孫 瑩，李雨桐，劉一鳴，李玉龍

（1.西北工業大學民航學院，陜西 西安 710072；2.陜西省沖擊動力學及工程應用重點實驗室，陜西 西安 710072；3.莫斯科航空學院（國立研究大學），俄羅斯 莫斯科 125993）

當物體（超音速飛機、導彈、風力發電機葉輪、螺旋槳葉片）高速通過雨區時，表面遭受雨滴沖擊而產生損傷的現象稱為雨蝕。雨蝕引起的損傷可以分為結構強度損傷和功能損傷[1-2]。通常，雨蝕損傷在初期并不明顯，但會引起材料強度的退化、物理或力學性能降低，甚至產生局部剝落等現象，影響結構的功能特性，嚴重時還會顯著降低結構的強度。

隨著飛行器飛行速度的逐步提高，飛行器外部整流罩、擋風玻璃、機尾翼前緣等結構的涂層在長期服役過程中會受到嚴重的雨滴沖擊，導致涂層出現氣泡、開裂、軟化、脫落、變色、粉化等現象[3-7]。飛行器蒙皮涂層耐雨蝕性能是考量其主要功能的指標之一[8]，而涂層的失效很可能會導致飛行器質量安全事故，如飛機油箱涂層失效，會導致油箱滲油；進氣道功能涂層的脫落會造成發動機受異物沖擊損壞。同時，侵蝕后的表面會嚴重影響飛機機翼的層流效應，導致層流轉向湍流，會對飛機空氣動力學性能產生嚴重的負面影響，從而增加燃料消耗[9]。Coto 等[10]以碳纖維增強聚合物為基體，利用物理氣相沉積（physical vapor deposition, PVD）單層/多層鈦涂層在雨蝕條件下進行了抗沖擊試驗。試驗結果表明，涂層厚度與表面附著力在不同的雨蝕條件下均會對涂層防護性能產生影響；而高速沖擊會引起更大的基體變形，即使在較厚的涂層表面上，由于其附著力較差，剝離速度也比薄涂層快。Gujba 等[11]研究了Ti-6Al-4V 材料的液滴侵蝕行為和材料損傷機理。認為沖擊速度越高，侵蝕起始時間越快，最大侵蝕速率越大。利用掃描電鏡觀測侵蝕損傷形成的兩個階段發現：早期主要形貌為微裂紋、粗裂縫和不規則形狀的獨立坑蝕；而在液滴侵蝕的后期，材料的損傷形貌主要以剝離為主，是由水力滲透造成的。Bech 等[12]研究了商用渦輪葉片聚氨酯基面漆在旋轉臂雨蝕試驗中四種液滴直徑對雨蝕結果的影響，建立了液滴尺寸與面漆壽命之間的經驗模型，驗證了雨滴直徑是影響葉片損傷程度的主要參數之一。

此外, 對于風力發電葉輪、直升機槳葉、先進航空發動機風扇等復合多相材料葉片，由于在生產中會出現一定概率的制造缺陷，例如粗糙度、孔隙率等，此時雨蝕就成為了葉片開裂的主要自然原因之一。風能作為最重要的可再生能源之一，在踐行碳達峰、碳中和理念中起到關鍵作用。近年來，為了更好地利用風能，風力發電機單機容量不斷增大，導致風力發電機葉輪直徑等結構尺寸不斷增大[13]。此時葉輪具有更大的葉尖速度與接觸面積，極易受到雨滴沖擊而引起涂層的應變和形變。雨滴高速撞擊面漆缺陷產生的拉-拉剪切疲勞破壞，導致葉輪前緣侵蝕（leading edge erosion, LEE），造成涂層疲勞侵蝕損傷，而后葉輪前緣基體也迅速出現破損、分層和剝離，葉輪結構穩定性、空氣動力學性能和負載能力下降，影響風機發電效率和風場的正常運行與生產經濟效益[14]。然而，由于缺乏對雨蝕損傷失效理論與試驗的研究，沒有明確定義的方法來設計抗雨蝕涂層。因此，雖然已有很多關于風力葉輪雨蝕防護涂層的解決方案，但依然無法滿足特定領域的測試和驗證[15-20]。Adler[21]指出，雨蝕研究的難點之一就是材料的剝離問題在短期內難以建立合理的理論。同樣也很難構建起微觀結構力學、液滴沖擊破壞以及材料剝離之間的統一關系。

綜上所述，在高速飛行器及工業用葉輪等的制造過程中，對涂層的耐雨蝕性能提出了更高的要求[3,18]。因此，針對涂層耐雨蝕損傷失效試驗研究具有十分重要的工程意義。本文采用單射流試驗裝置產生的高速射流對飛行器蒙皮涂層進行沖擊試驗，并對其損傷形貌進行分析和表征，研究其損傷機理，為涂層的抗雨蝕性能設計提供必要的理論與技術支撐。

1 雨滴與飛行器蒙皮涂層高速沖擊過程

雨滴對飛行器蒙皮涂層高速沖擊過程實際上是雨滴直接撞擊固體表面產生動態沖擊波的傳播過程。該沖擊過程包括兩個階段，即初始壓縮階段和側向噴射階段，如圖1 所示。當液滴以法向角度撞擊材料表面時，液滴撞擊后發生變形，產生了沿著固體表面傳播的瑞利波，包含大約2/3 的碰撞能量，在垂直和水平分量上形成拉應力和剪應力[22]。而在固體內部受損傷的區域會形成縱波和橫波，分別向液體和固體內部傳播，如圖1(a)所示。縱波以壓縮-拉伸的形式傳播，在波前迅速擴展時，會產生徑向拉應力。而橫波中質點運動垂直于傳播方向，這將對固體內部造成剪應力和環向拉應力的作用[23]。此時，液固接觸邊界的擴散速度大于液體內部應力波的傳播速度，中心液體被壓縮，形成瞬態高壓，稱為“水錘壓力”。水錘壓力持續時間很短，與液滴直徑、撞擊速度、可壓縮波速等參數有關，其大小與水滴直徑無關[24-25]。液固撞擊過程中產生的應力造成材料損傷的起始和擴展，加之應力波在自由表面的反射以及在固體內部的相互作用會導致波的疊加增強，從而造成固體內部的損傷。

圖1 液固表面沖擊過程示意圖[21]Fig.1 Diagram of liquid-solid impact[21]

水錘壓力p用方程可表示為（預測接觸的初始階段所產生的壓力）[26]:

式中：v為液滴的沖擊速度，ρl和ρs分別為液體和固體基體的密度，cl和cs分別為液體和固體中的傳播聲速。

當液滴內部沖擊波速度即將超過液固接觸邊界的擴展速度時，沖擊波脫離邊界，內部高壓以高速側向射流的方式釋放，如圖1(b)所示。此時，液固撞擊進入第二階段，壓縮液滴經卸載波后迅速噴射而出，沿著固體表面形成幾倍于初始液固沖擊速度的側向射流。側向射流對材料表面的沖刷剪切作用會導致裂紋的出現，甚至造成材料表面剝離。之后，液體在固體表面形成穩定的不可壓縮流，此時接觸中心點的壓力會降至Bernoulli 靜壓。

撞擊后沖擊波也通過多層分級在材料中傳播，其產生的損傷取決于材料彈性和粘彈性響應、表面制備、涂層應用和層間相互作用等因素。應力波在涂層和基體表面的反射與透射傳播過程，如圖2(a)所示。當與涂層接觸后，兩個不同的波陣面分別進入液體和涂層，如圖2(b)所示，涂層中的法向入射波向涂層-基體界面傳播，其中一部分應力波被反射回涂層，而另一部分被透射入基體內。基于這種反射、透射作用，應力波會以不同的振幅在涂層中傳播，其強度取決于涂層和基體聲阻抗的相對大小[27]。假設采用一維彈性假設，得到應力波的振幅近似關系式為：

圖2 應力波在涂層中傳播過程示意圖Fig.2 Schematic diagrams of stress wave propagation process in coating

2 雨蝕試驗過程

2.1 單射流模擬雨蝕試驗平臺

飛行器蒙皮涂層雨蝕損傷失效行為研究的實驗裝置根據試驗速度要求可分為兩種：(1) 為了研究速度通常小于250 m/s 的連續雨滴沖擊作用下材料的抗雨蝕特性常用旋轉臂式裝置[28]。該裝置成本低且能夠模擬試樣在真實雨場中的損傷情況，但試樣的尺寸及速度受到轉臂強度的限制。(2) 針對超音速且速度小于1 000 m/s 的雨滴沖擊試驗，在實驗室條件下通常使用單射流模擬雨蝕裝置[21,29]，主要用于研究液固撞擊的基礎力學問題，該裝置具有場地較小、操作簡單、條件可控等優點。

卡文迪許實驗室的單射流裝置（single impact jet apparatus, SIJA）采用如下射流發射原理：壓縮空氣使得內部金屬壓片高速沖擊前置噴嘴中的液體，可產生速度90～700 m/s 的水射流。如圖3 所示，本文采用單滴射流裝置產生的高速射流對飛機蒙皮涂層的雨滴沖擊損傷行為進行研究，包括氣室、炮管、子彈、密封墊、噴嘴、自來水、夾具、高速相機等。該裝置的工作原理：利用高壓氣體將5 mm 鉛彈以一定速度發射，碰撞墊圈擠壓密封腔內自來水，產生高速射流。該裝置可實現不同沖擊速度、直徑的液滴在多個沖擊角度下模擬雨滴對材料的沖擊作用過程。

圖3 單射流沖擊試驗裝置Fig.3 Single waterjet impact apparatus

為了能夠觀測射流的形態并計算射流的速度，試驗中使用了Phantom VEO 1310 高速攝像機進行拍攝。利用球頭射流前端像素點的變化與標定樣張像素點和距離關系可以得出射流的沖擊速度為：

式中：v為射流速度，υ 為拍攝幀率，X1和X2分別為液滴運動的起點和終點的x軸坐標值，N為通過標定得到的1 mm 位移內像素點的數量變化。在本次實驗中N=3.4 mm-1，拍攝幀率為υ=210 000 Hz。

圖4 為射流速度與形態隨距離噴嘴位置的變化規律（以噴嘴為原點）：初始階段射流速度和射流直徑均逐漸增大，而后由于空氣阻力的作用，射流頭部逐漸變成穩定的球形。由圖4 可知，當射流距離為10 mm 時，射流速度與形態趨于穩定；而隨著射流距離繼續增大，射流形態逐漸發散。由此，基于保證實驗的重復性及精確性考量，將試樣安裝在距離噴嘴10 mm 的位置上。為了保證實驗的重復性，在同一射流速度下進行至少3 次重復性實驗。在實驗中所使用的相關參數如表1 所示。

表1 實驗相關參數Table 1 Experimental parameters

圖4 射流形態及速度隨位移的變化Fig.4 Form and velocity of waterjet varied with stand-off distance

2.2 飛機蒙皮聚氨酯涂層規格及性能

飛機蒙皮涂層主要由無鉻高固體含量環氧底漆和高固體含量聚氨酯（PU）磁漆組成。其中，高固體含量聚氨酯磁漆又分為有光磁漆、半光磁漆和無光磁漆3 類，且均屬于熱固性聚氨酯，具有優異的耐磨、耐候性，一般采用噴涂制造工藝，廣泛應用于飛機制造業。本實驗中的涂層試樣由三種不同底漆和磁漆制作而成，均以3 mm 厚的T300 碳纖維編織材料為基體，底漆厚度為200 μm，磁漆厚度為300 μm，材料1 由丙烯酸聚氨酯底漆和聚氨酯無光磁漆制成；材料2 由環氧自干底漆和丙烯酸聚肪族聚氨酯磁漆制成；材料3 由無鉻高固體含量環氧底漆和無光高固體含量聚氨酯磁漆制成。原始涂層表面及其橫截面分層情況如圖5 所示，其中，A為面漆區域；B為底漆區域；余下部分為基體區域。

圖5 三種涂層試樣表面及橫截面Fig.5 Surfaces and cross-sections of three kinds of coating samples

為了探究涂層力學性能對抗雨蝕性能的影響，利用Hysitron TI980 納米壓痕儀器對涂層性能進行觀測。其中，高分辨率試樣表面粗糙度如圖6 所示，材料1、材料2 和材料3 涂層的粗糙度依次降低。而測得的涂層硬度和壓痕模量見表2。可以看出，材料1、材料2、材料3 的壓痕模量和硬度性能依次降低。

表2 三種涂層的模量與硬度對比表Table 2 Indentation modulus and hardness of three kinds of coating samples

圖6 三種涂層納米壓痕顯微圖像Fig.6 Nano-indenter micrographs of three kinds of coating samples

3 飛機涂層的高速射流沖擊試驗

3.1 沖擊后試樣的典型損傷模式與表征

圖7 為在490 m/s 沖擊速度和0°沖擊角度的情況下，三種涂層試樣的典型微觀損傷形貌顯微圖像。可以看出，針對3 種不同涂層材料，其典型損傷形貌均為由損傷區域包圍中央未損傷區域的環狀組成（Ⅰ），其中包括，表面擦傷（Ⅱ）、不規則凹坑（Ⅲ）等遞進損傷。這種形貌的產生是由于疊加的靜水壓力提高涂層表面屈服強度，水錘壓力對中央圓形區域未造成損傷，但隨著液滴后續開始壓縮釋放時，液固接觸邊界處會產生2～3 倍于水錘壓力的高壓，造成表面凹陷。

圖7 三種涂層在光學顯微圖像Fig.7 Optical microscope micrographs of three kinds of coating samples

圖8 給出了通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）觀測三種涂層典型損傷區域得到的微觀形貌圖像。可以看出，損傷區域的典型微觀形貌為環狀損傷。

圖8 3 種損傷試樣的SEM 掃描電子顯微圖像Fig.8 SEM micrographs of three kinds of damaged samples

3.2 不同射流速度下的沖擊實驗結果

圖9 為在15°沖擊角時，以360、430、490、555 和617 m/s 的射流速度沖擊材料3 涂層后得到的電子顯微鏡微觀形貌。在360 m/s 沖擊速度下，涂層未產生損傷，故沒有展示；從430 m/s 開始，涂層表面開始產生輕微擦傷，損傷面積為0.76 mm2；在490 m/s 沖擊速度下，損傷情況略微加劇，表面擦傷區域損傷面積增大至1.18 mm2，且整體呈現半環形包圍中央未損傷區域；在555 m/s 沖擊速度下，試樣產生大面積損傷，圓形損傷區域完全剝離露出底漆與部分基體，且基體部分受損產生凹坑，損傷面積擴大至5.36 mm2；而當沖擊速度達到617 m/s 時，涂層被完全破壞，表面材料呈現大面積圓形剝離并露出底漆與大部分基體，且基體局部產生斷裂狀挫傷，損傷面積增至22.22 mm2。除此之外，通過重復實驗發現，由于3 種涂層在360 m/s 的沖擊速度下均未出現損傷，因此，可判定在15°沖擊角下，涂層表面出現損傷的速度閾值約為360 m/s。

圖9 在15°沖擊角時，以430，490，555 和617 m/s 的射流速度沖擊涂層材料3 后得到的電子顯微鏡微觀形貌Fig.9 Electron microscope micrographs after impacting the coating material 3 at the jet velocities of 360,430, 490, 555 and 617 m/s with an impact angle of 0°

基于超景深三維數碼顯微鏡VHX-5000 的三維輪廓掃描重構功能，對試樣放大后局部結構形態進行了觀察，創建了能夠分析測量試樣表面的高分辨三維圖像，由此獲得損傷體積。在求得體積平均值后，建立了3 種涂層損傷體積隨沖擊速度的變化，如圖10 所示。可以得出，隨著沖擊速度的提高，雨蝕造成的涂層損傷體積也在逐漸加劇，直到涂層試樣完全破壞。Gujba 等[11]研究發現，沖擊速度越高，侵蝕起始時間越早，最大侵蝕速率越大。SEM 微觀圖像顯示，侵蝕損傷形貌的早期階段主要為微裂紋、凹凸和不規則形狀的孤立凹坑；而在液滴侵蝕的后期，涂層材料的剝離主要是由水力滲透造成的。

圖10 損傷體積隨沖擊速度的變化Fig.10 Relation between damaged volume and impact velocity

Imeson 等[30]和Nearing 等[31]通過繪制輸出信號電壓與沖擊力瞬時值之間的函數圖像，得到不同液滴直徑下二者之間的線性關系，獲得液滴沖擊產生的沖擊力瞬時近似值公式：

式中：F為沖擊力，m和d分別為液滴的質量和直徑。由上述公式可知，在相同液滴直徑與質量的條件下，沖擊速度決定著沖擊力的大小，即沖擊速度越大，液滴在接觸試樣時產生的瞬時沖擊力就越大，最終導致損傷程度逐漸加深。

除此之外，三種試樣中，材料1 涂層損傷體積增長相較其他兩種涂層較為穩定，而材料2 與材料3 涂層在490 m/s 速度后損傷急劇加速。根據表面粗糙度和侵蝕起始發生之間的關系可以判斷，在相同沖擊速度下，即使涂層材料1 的模量與硬度最大，力學性能最為優異，但其表面較多凹凸不平的突起會造成應力的增加，致使材料更易發生初始侵蝕損傷；而涂層材料3 雖然力學性能最差，但其表面較為光滑，因而不易形成初始侵蝕損傷。由此可知，表面粗糙度是導致涂層材料產生初始侵蝕損傷的主要原因。

從圖9 可以發現，分層損傷面積可數倍于表面損傷尺寸，因此對于涂層材料的高速雨蝕損傷而言，直接通過表面環狀損傷來量化其受雨蝕損傷影響程度不夠精確。為了更直觀地表征雨滴沖擊速度對涂層雨蝕損傷結果的影響，利用金剛石線鋸將試樣沿表面環形損傷的軸線切開，然后在SEM 掃描電子顯微鏡下觀測試樣損傷區域剖面形貌顯微圖像，圖11、圖12 和圖13 展示了三種涂層在不同沖擊速度下所得到的SEM 剖面顯微圖像，每幅圖中第一行是整體損傷形貌觀測圖像，第二行是黃框標注區域局部放大損傷形貌觀測圖像。圖中，A為面漆區域；B為底漆區域；余下部分為基體區域。可以看出，隨著速度的提升，損傷深度也在逐漸增加；在490 m/s 速度下，損傷主要存在于面漆區域，表現為不規則輕微擦傷；在555 m/s 速度下，損傷達到底漆區域，此時由于涂層剝離而形成了凹坑；當速度達到617 m/s 時，損傷延伸至基體區域，且損傷表面有明顯的犁削狀損傷。在涂層材料1 中，可以觀測到明顯的裂紋產生。由式(1)、(2)、(3)可知，隨著沖擊速度的增加，應力波強度逐漸增強，水錘壓力變大，液體-涂層界面，涂層-基體界面法向入射、反射和透射應力波產生的振幅導致了涂層的損傷破壞。

圖12 在沖擊角度為15°時不同沖擊速度下材料2 涂層的損傷SEM 顯微圖像Fig.12 SEM micrographs of the damaged coating of material 2 under the impact of different velocities at an impact angle of 15°

圖13 在沖擊角度為15°時不同沖擊速度下材料3 涂層的損傷SEM 顯微圖像Fig.13 SEM micrographs of the damaged coating of material 3 under the impact of different velocities at an impact angle of 15°

3.3 不同射流角度下的沖擊試驗結果

圖14 為涂層材料1 在沖擊速度為617 m/s，沖擊角度為0°、15°、30°下的電子顯微典型損傷微觀形貌圖像。可以看到，在0°沖擊角下，試樣表現為大面積剝離損傷基體完全暴露，且基體部分斷裂并伴有輕微挫傷，外圍呈現環狀波浪式損傷，涂層被完全破壞，損傷面積為42.18 mm2；而在15°沖擊角下，試樣整體呈現帶狀波浪式損傷，中央區域出現凹坑且露出底漆，損傷面積相對0°沖擊角時減小至2.57 mm2；當沖擊角度為30°時，試樣損傷表現為表面輕微擦傷，損傷面積僅為1.56 mm2。

圖14 涂層材料1 在不同沖擊角度下的損傷形貌Fig.14 Damage morphologies of coating material 1 at various impact angles

基于超景深三維數碼顯微鏡VHX-5 000 的三維輪廓掃描重構功能，測得了損傷體積后得到的平均值，建立了三種涂層損傷體積隨沖擊角度的變化，如圖15 所示。可以看出，隨著沖擊角度的增加，雨蝕造成涂層的損傷情況在逐漸減弱，直到涂層試樣幾乎沒有損傷出現。這是由于損傷程度主要與垂直于試樣的速度分量有關。隨著沖擊角度的增加，沖擊速度在垂直方向上的分量逐漸減小，致使損傷程度逐步減小；除此之外，隨著夾角增加，在液滴壓縮釋放之前，液固接觸在表面持續的時間也隨之增加，導致沖擊壓力的減小[32]，也是產生這一損傷趨勢的主要原因。

圖15 試樣損傷體積隨沖擊角度變化規律Fig.15 The relation between the damaged volume and impact angle

圖16、圖17 和圖18 為沖擊速度為617 m/s 時，不同沖擊角下三種試樣損傷的SEM 剖面形貌觀測圖像。可以看出，隨著沖擊角度的增加，損傷的深度在不斷減小。在0°沖擊角下，涂層損傷區域(C)完全剝離、破壞，基體大面積暴露，損傷剖面呈現出平臺狀。其中，在涂層材料2 的SEM 掃描電子顯微圖像中，可以明顯看到由于剪切波作用而產生的分層裂紋；在15°沖擊角下，三種涂層損傷呈現圓錐形截面，在高倍率的觀測下可以看到由于涂層剝離而產生的不規則凹坑以及犁削狀痕跡，損傷延伸至底漆區域(B)，且部分區域露出基體；而在30°沖擊角下，涂層損傷僅在面漆區域(A)產生，在涂層材料3 的高倍率觀測圖像中可以觀察到由于水錘壓力作用在涂層面漆上產生的初始裂紋。上述不同損傷情況是由于在較小沖擊角度時，應力波反射和透射造成的影響較大，導致界面先分層再剝離；但隨著沖擊角度的增大，應力波強度減弱，造成的損傷逐漸減小。

圖17 沖擊速度為617 m/s 時不同沖擊角度下三種材料2 涂層的損傷SEM 顯微圖像Fig.17 SEM micrographs of the damaged coating of material 2 under the impact of different angles at an impact velocity of 617 m/s

圖18 沖擊速度為617 m/s 時不同沖擊角度下材料3 涂層的損傷SEM 顯微圖像Fig.18 SEM micrographs of the damaged coating of material 3 under the impact of different angles at an impact velocity of 617 m/s

4 結 論

本文基于一級輕氣炮搭建了單射流雨蝕試驗平臺，可產生200～700 m/s，直徑為4～7 mm 蘑菇頭形態的穩定水射流。在不同射流速度和角度情況下，針對三種同樣厚度的飛機蒙皮涂層進行了單射流沖擊試驗。實驗結果表明，蒙皮涂層單次水射流沖擊的典型損傷有以下規律：

(1) 三種蒙皮涂層在受到射流沖擊時呈現出幾乎一樣的損傷模式；主要表現為低速時的表面擦傷和高速時的界面分層損傷；

(2) 在沖擊角度不變的情況下，隨著沖擊速度的增加，三種涂層試樣的損傷面積逐漸增加，由輕微擦傷逐漸過渡至剝離損傷；其中，涂層在較大速度的沖擊下更容易出現大面積的分層損傷；

(3) 在沖擊速度不變的情況下，隨著沖擊角度的增大，法向速度分量逐漸減少，液滴接觸材料表面瞬時沖擊力隨著速度分量的產生也在減小，由此產生初始損傷的程度不同，最終導致3 種涂層試樣的損傷面積逐漸減小，由0°時的明顯損傷過渡至30°的輕微擦傷，甚至無損傷；

(4) 單射流沖擊涂層出現侵蝕損傷的閾值速度約為360 m/s；侵蝕損傷形貌的早期階段主要為微裂紋、凹凸和不規則形狀的孤立凹坑；而在液滴侵蝕的后期，材料的剝離模式是由水力滲透造成的；

(5) 三種涂層試樣在相同雨滴沖擊速度與角度下，雖然涂層材料1 的力學性能最佳，但由于其表面最為粗糙，故初始侵蝕損傷最為明顯；盡管涂層材料3 的力學性能最差，但其表面最為光滑，故最不易發生初始侵蝕損傷；由此可見，在材料自身特性參數中，表面粗糙度是影響材料雨蝕損傷程度的主要因素。

感謝博士研究生王旋、侯乃丹等對本文理論和實驗部分工作的支持和幫助。