2A12与30CrMnSiA在相同海洋大气环境中的加速环境谱差异

刘成臣，鲁国富，张金奎，王浩伟

（中国特种飞行器研究所，荆门448035）

海军飞机相比陆基飞机，其服役环境更加恶劣，尤其是舰载飞机在任务期间一直处于高温、高湿、高盐分的海洋环境下，极易发生腐蚀［1-3］。由于自然老化试验周期太长，为快速确定自然环境对飞机结构的腐蚀影响，需建立自然环境谱与实验室加速环境谱的当量关系，从而，在较短时间内获得飞机材料、防护体系在飞机停放环境下的腐蚀损伤规律。由于不同的结构／材料对环境的敏感性不同，需建立相对应的加速环境谱分析其在典型海洋环境下的腐蚀规律。目前的海军飞机加速环境谱主要有金属、涂层、复合材料三类，但是金属种类并未进一步细分［4-5］。本工作认为不同的金属腐蚀机理存在差异，应在试验的基础上针对飞机典型金属材料分别编制加速环境谱。

为此，本工作综合分析了某典型海洋大气环境，建立了针对飞机常用材料2A12与30CrMnSiA的加速环境谱，为实现飞机结构日历寿命评定工程化提供背景数据。

1 某海域基本环境谱

表1、表2为某海域14a间的年均温湿度谱和盐雾谱。实测数据显示该海域年均太阳总辐射量为Q＝4 687MJ／m2，年均太阳辐射强度为Qz＝306W／m2，其中紫外线含量为6.53%。根据中国兵器工业第五九研究所在埃及贝尔贝斯空军飞行学院的检测结果，该海域年均发生凝露的次数为320次，每次凝露从形成开始以及在飞机表面停留的作用时间为5.5h。

表1 某海域年均温-湿度谱Tab.1 Average annual temperature-humidity spectrum in a certain sea area

表2 某海域年均盐雾谱Tab.2 Average annual salt spray spectrum in a certain sea area

2 金属裸材加速环境谱

2.1.1 环境要素的筛选

根据国内外文献及研究表明［6-7］，金属裸材的腐蚀主要是电化学腐蚀，使金属产生电化学腐蚀的主要环境要素有温湿度、凝露、雨水和盐雾。

2.1.2 加速环境谱的确定

通过环境因素分析，采用以5%NaCl溶液为基础的周期浸润试验能够充分考虑温湿度、凝露、雨水和盐雾的影响，同时精简了试验模块。据统计，我国典型的沿海、湿热地区酸雨的比例接近40%，其pH一般为3.5～4.5之间，为模拟酸雨对金属的腐蚀作用，采用硫酸将溶液pH调为4来加速腐蚀。

周期浸润试验参数如下：

（a）腐蚀溶液：5%NaCl溶液，加少量稀H2SO4，使pH＝4～4.5；温度T＝（40±2）℃，湿度RH＝（95±5）%；

（b）用烘烤灯照射试件，调节烘烤灯照射强度，使试件在临近浸入溶液前被烘干。

2.1.3 当量折算法

当量折算法是工程上常用的利用金属腐蚀电流来预估加速关系的方法，实施步骤如下［4］：

（a）将基本环境谱的作用时间折算为T＝40℃，RH＝90%的标准潮湿空气的作用小时数t1，铝合金和合金钢材料在不同潮湿空气下对应的折算系数见表3。

表3 潮湿空气与标准潮湿空气的折算系数Tab.3 Conversion coefficient between damp air and standard damp air

（b）将加速环境谱作用折算为水介质的作用小时数t2，铝合金和合金钢在不同浓度NaCl溶液中、不同浓度酸性溶液中与水介质的当量折算系数分别见表4、5。

表4 不同浓度NaCl溶液与水介质的折算系数Tab.4 Conversion coefficient between NaCl solution with different concentrations and water

（c）t1／t2为当量加速关系α，即加速环境谱作用α循环周期相当于使用环境谱的一个周期。

对于加速环境谱中采用酸性溶液应结合表4～5综合折算。综合折算系数β为：

表5 不同浓度酸与水介质的折算系数Tab.5 Conversion coefficient between acid with different concentrations and water

式中：β1、β2分别为NaCl浓度和酸浓度对水的折算系数。

2.1.4 某海域环境谱与标准潮湿空气的当量折算

2.1.4 .1温湿度作用时间折算

根据表1中的环境和表3的折算系数，计算每年潮湿空气相当于T＝40℃（低于20℃时按20℃计算），RH＝90%的标准潮湿空气的作用小时数：

2.1.4 .2盐雾作用时间折算

盐雾的作用过程可等效为相对湿度大于90%的潮湿空气，根据表2中的环境和表3的折算系数，计算每年的盐雾作用时间相当于标准潮湿空气的作用小时数：

2.1.4 .3凝露作用时间折算

凝露每次作用5.5h，每年320次，平均温度为25℃。凝露折算到T＝40℃，RH＝90%环境下的作用时间为：

2.1.5 周期浸润加速环境谱与标准潮湿空气的当量折算

由于加速环境谱周期浸润的温度是40℃，与标准潮湿空气的温度是相同的，因此，周期浸润加速环境谱与标准空气的当量折算中只考虑环境对水介质的折算。

由表4，采用插值法可得5%NaCl相对水介质的折算系数α1铝＝0.106 6；α1钢＝0.314。

由表5，pH＝4的稀硫酸对应的折算系数α2铝＝0.273 2；α2钢＝0.152。

在烘干过程中，可认为试件表面仍保留这溶液介质，利用公式（1）计算得到铝合金和合金钢的综合折算系数β铝＝0.076 68，β钢＝0.102 87。

加速环境谱中的溶液外高温高湿的的烘烤模拟自然环境谱中温湿度作用，溶液浸泡模拟使用环境谱中雨雾和凝露作用，因此，烘烤时间由温湿度作用时间折算，溶液浸泡时间由雨雾和凝露作用时间折算。由于雨雾作用时间短，按每月1次计算，每年可作为12次干湿交变，凝露每年发生320次，因此，1a时间对应的加速环境谱中干湿交变次数为（320＋12）＝332次。另温湿度环境数据统计中包含了凝露和雨雾环境下的时间统计，折合烘烤时间应将此部分去除。

单个循环周期内铝合金材料烘烤时间t铝烘为27.435min，规整后取28min。

单个循环周期内铝合金材料浸泡时间t铝泡为5.126min，规整后取6min。

单个循环周期内合金钢材料烘烤时间t钢烘为18.98min，规整后取19min。

单个循环周期内铝合金材料浸泡时间t钢泡为7.635min，规整后取8min。

因此，铝合金裸材试件的加速环境谱见图1。

图1 铝合金裸材加速环境谱Fig.1 Accelerated environment spectrum of aluminum alloy

合金钢裸材试件的加速环境谱见图2。

图2 钢裸材加速环境谱Fig.2 Accelerated environment spectrum of steel

3 当量关系验证

本课题组通过护航舰上挂片的形式共进行了一个护航周期共计半年自然暴露试验，为验证当量关系，可取加速试验166周期的腐蚀数据进行对比即可。

3.1 试验件及检测设备

2A12试验件为平板铆接连接式，30CrMnSiA试验件为平板螺接式，两种试验件尺寸一致，尺寸见图3，厚度为3.5mm。腐蚀坑深度检测设备为KH-7700三维体式显微镜，放大倍数为50～200倍，腐蚀坑深度的测量方法见国标GB／T 18590-2001所述的点蚀坑深度变焦显微测量法。失重检测设备为GH-202电子天平，精度为0.1mg。腐蚀失重检测首先利用塑料刮片手工去除易剥落的腐蚀产物，然后用20%NaOH＋200g／L锌粉组成溶液，沸腾5min，直至干净。

图3 试验件尺寸（mm）Fig.3 Dimensions of test piece

3.2 试验结果及分析

铝合金通过点蚀腐蚀坑深描述铝合金的腐蚀程度，且可通过两种环境下腐蚀坑深的分布规律确定其腐蚀程度的一致性。选取失重量作为合金钢螺接件腐蚀程度的依据。腐蚀后形貌如图4、图5所示，统计数据如表6～表10所示。

图4 铝合金试件加速腐蚀189周期后宏观形貌Fig.4 The morphology of 2A12after accelerated corrosion for 189cycles

图5 合金钢试件加速腐蚀162周期后宏观形貌Fig.5 The morphology of alloy after corrosion for 162cycle

表6 自然环境暴露一个护航周期铝合金裸材点蚀坑深Tab.6 The pitting depth of 2A12after a convoy cycle

表7 铝合金试验室加速腐蚀162周期点蚀坑深Tab.7 The pitting depth of 2A12after 162cycle

表8 铝合金试验室加速腐蚀189周期点蚀坑深Tab.8 The pitting depth of 2A12after 189cycle

表9 自然环境暴露一个护航周期合金钢裸材连接件重量变化Tab.9 The weight loss of alloy after a convoy cycle

表10 合金钢试验室加速腐蚀162周期失重数据Tab.10 The weight loss of alloy after 162cycles of accelerated corrosion

3.3 当量关系验证及差异性分析

对自然环境下一个护航周期的试验件数据和加速腐蚀环境下试验件当量一个周期的数据进行一致性验证，先用F分布验证两组数据的子样方差一致性，再检验两组数据的子样平均值，相关参数可直接查看HB／Z 112-1986标准。检验表明［8］，铝合金裸材加速腐蚀162周期与自然环境暴露一个护航周期的对应关系存在偏差，189周期加速试验对于腐蚀坑深的影响相当于自然环境暴露一个护航周期，总试验时间为6 426min。合金钢裸材结构加速腐蚀162周期对其腐蚀失重的影响相当于某海域自然环境暴露一个护航周期，总试验时间为4 374min。上述数据说明，周期浸润试验对合金钢的加速效果明显高于铝合金，通过与半年自然暴露时间的对比，容易得出该周期浸润环境谱对铝合金的加速系数约为40，对合金钢的加速系数约为59。

4 结论

（1）金属裸材在海洋大气环境的加速腐蚀可选用“周期浸润”单个环境块模拟，并与护航舰上自然环境暴露试验具有较好的相关性和重现性。

（2）周期浸润试验对合金钢的加速效果明显高于铝合金，通过与半年自然暴露时间的对比，可得出该周期浸润环境谱对铝合金的加速系数约为40，对合金钢的加速系数约为59。

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