车辆装备涂层加速试验环境谱研究

徐安桃，孙　波，吕湘毅，张　睿，张振楠

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161； 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161；3.96274部队，河南 洛阳 471003； 4.火箭军指挥学院 工程保障系，武汉 430014)



车辆装备涂层加速试验环境谱研究

徐安桃1，孙波2，3，吕湘毅4，张睿2，张振楠2

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161； 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161；3.96274部队，河南 洛阳 471003； 4.火箭军指挥学院 工程保障系，武汉 430014)

为了给车辆装备涂层服役寿命预测、防护性能评估和维修保养方案的制订提供重要依据，阐述了车辆装备涂层加速试验现状，并根据军用车辆服役特点综合分析了典型环境区中影响腐蚀过程的相关环境因素，建立了以湿热、紫外光照、盐雾为关键环境因素的车辆装备涂层加速试验环境谱，明确了各因素的具体试验条件，提出了构建加速试验与实际服役环境腐蚀损伤的当量加速关系法。

车辆装备；涂层；加速试验；环境谱；加速关系

装备暴露部位涂覆涂层，是提高装备腐蚀防护性能的重要手段[1]。涂层的主要破坏形式是老化失效，目前常见的涂层抗老化性能试验的方法有自然暴露试验与实验室加速试验[2]。

国外武器装备防护涂层加速试验研究开展较早。美军较早地利用室内加速试验方法对飞机结构涂层防护体系的使用年限问题进行了试验研究，设计运用湿热循环、紫外照射、热冲击损伤、低温疲劳损伤和盐雾侵蚀5个可使涂层加速老化的环境条件，并按照一定的顺序进行试验，形成了最早的加速试验环境谱(circulate accelerated spectrum system,CASS谱[3])及试验程序，其基本流程如图1所示。现阶段美军又针对武器装备试验系统化、一体化、完整化的新要求，提出了加速腐蚀试验设备大型箱仓化的设计思路，例如美军麦金利气候实验室建造的一座宽75 m、深61 m、中心高21 m的仓式环境试验设施，能够模拟温度湿度变化、紫外线辐射、雨雪天候等多种环境条件，并可对各种条件任意进行排列组合，制订不同的复合试验形式[4]。

图1　CASS谱基本构成

我国军民用装备涂层加速试验领域成果较为丰富，但各类研究主要集中在航空装备关键部位涂层、船舶防腐涂层等方面，对车辆装备涂层加速试验进行专门研究的较少。如：刘文珽等[5]以亚热带沿海地区及内陆湿热地区为分析对象，从环境因素中提取湿热循环、紫外光照、盐雾侵蚀等主要腐蚀因素，通过主要腐蚀因素综合试验，建立了飞机关键部位表面涂层的加速环境试验谱，并提出了实验室模拟试验与大气实际腐蚀间当量加速关系的确定方法；蔡健平等[6]以海洋环境为模拟对象，利用以海水成分、海洋压力、周期浸润和换季影响为关键因素的实验室循环试验，评价了船舶有机防腐涂层的防护性能，并建立了涂层的老化动力学方程；陈群志等[7]、杨洪源等[8]综合运用湿热暴露、紫外线照射、低温疲劳损伤和盐雾侵蚀4个环境试验块，对空间环境影响飞行器有机涂层的效果进行评价分析，建立了实验室加速试验环境与外场实际使用环境间的当量加速关系，通过对模拟试件若干周期加速试验结果与外场实际腐蚀数据间的分析比较，对该加速谱和当量加速关系的实用性进行了验证；骆晨等[9]通过开展航空涂层户内加速与户外暴露试验，长期对涂层形貌变化进行跟踪，运用电化学阻抗谱(EIS)定量分析涂层损伤,利用统计学方法建立了损伤等效关系。

当前，随着我军军事训练实战化程度日益提高，车辆装备“全天候、全疆域”运用需求不断凸显，这就要求车辆装备必须经历多样、复杂、严酷的服役环境。然而，现阶段我军车辆装备新老交替周期较长，实际服役年限通常达到15～20年左右，将试件置于实际服役环境中进行全过程试验，试验周期过长，工程上只能采用实验室加速试验的方法，通过分析车辆装备实际服役环境的特点，建立加速试验环境谱，强化关键腐蚀因素的影响效果，加速涂层腐蚀损伤进程，模拟车辆装备服役一定时间后的涂层腐蚀情况。利用该方法，可实现对涂层的可靠性评价与服役寿命预测，并制订合理的保养维修方案，实现对涂层腐蚀耐久性的控制，降低涂层腐蚀损伤对车辆装备使用造成的不利影响。

1　车辆装备服役特点分析及加速试验环境谱基本构成

1.1车辆装备服役特点分析

与军用飞机(简称军机)相比，车辆装备使用具有如下特点：

(1)参考现行军事训练大纲标准，军机年飞行时间约为200～300 h，约占地面停放时间的3%左右，而车辆装备始终处于地面服役状态，与军机地面停放时间基本类似；

(2)相同气候区域内，处于在地面停放状态下的车辆装备，其涂层和军机涂层所处的腐蚀环境基本一致，如湿度、温度等；

(3)相较于军机的工作情况，车辆装备处于常规运行状态，行驶速度低、环境温差小，各部位不存在因高速飞行气动加热引起的热冲击和高低温转换作用下的疲劳载荷；

(4)在地面停放状态下，车辆装备与军机接受紫外线辐射情况一样，但停放条件与防护措施均有所不同，因此，辐射量应根据车辆装备实际使用情况予以确定。

1.2总体气候环境的确定

加速试验环境谱的编制，应考虑服役地区的气候环境总体特征。根据美国军标MIL-STD.810D[10]《环境试验方法和工程导则》，依据世界气候状况，提出了“三分区”法即将全球地区依据气候特点划分为干热气候区、基本气候(热湿气候区)、冷和极冷气候区。根据我国国土实际地理气候特征，按照此法的分类方式，除西藏地区为冷和极冷气候区外，大部分地区均属于基本气候区。

1.3关键环境因素的确定

根据服役地区的大气环境特点，确定对车辆装备涂层造成腐蚀性损伤的关键环境因素。实际情况下，涂层在整个服役过程中，各种环境因素产生的腐蚀作用相互影响，较为复杂。为了在实验室环境下再现各种环境因素对涂层材料的腐蚀作用，必须对环境因素进行筛选，将对腐蚀贡献小的环境因素剔除，确定对腐蚀贡献大的关键环境因素。参考文献[5，11-12]，确定对现役车辆装备涂层造成腐蚀性损伤的关键因素包括湿度、温度、紫外线以及空气腐蚀性污染物(如氯化物、硫化物等)。关键环境因素对装备涂层的影响过程如图2所示。

图2　关键环境因素对装备涂层的影响过程

1.4环境因素块施加顺序的确定

装备涂层腐蚀性损伤试验，不对环境因素影响的全部历程进行描述，只针对已提取出的关键环境因素，结合装备服役过程中的环境腐蚀(或老化)历程，在确保涂层/金属体系的腐蚀效应和力学作用状态与实际环境下的使用情况相一致的基础上，合理确定各环境因素块的施加顺序，将腐蚀损伤过程以“谱”的形式再现，从而真实全面地再现实际服役过程中涂层出现的腐蚀损伤形式。根据对车辆装备服役特点的分析，确定车辆装备表面涂层加速试验环境谱的基本构成，湿热、紫外线光照和盐雾3个环境块依次施加。

2　加速试验环境谱的确定

各环境块试验条件的确定，由装备服役地区的气候环境与平均服役时间决定，应以服役地区实际气候资料为基础进行分析确定。根据相关文献有关数据[13-14]，结合实际调研情况分析，装备的腐蚀发展速度呈现由沿海地区向内陆地区逐渐降低的趋势，东南沿海某些地区个别装备实际使用年限不足2年，涂层就已出现分离、剥落等情况，需进行维修重涂。为满足车辆装备全疆域使用的要求，应选择腐蚀情况最为严重的地区作为模拟对象，故以沿海湿热地区为例编制车辆装备表面涂层加速试验环境谱。在编制过程中，应注意依据“全面性、一致性、经济性、可操作性、可靠性”的加速试验环境编制准则，制定出既可反映涂层实际服役情况，又能缩短腐蚀历程，节约试验成本，且易于实现和操作的车辆装备涂层试验环境谱[16]。

2.1湿热暴露试验

车辆装备在湿热环境下腐蚀情况最为严重，热作用和水分子的渗透作用是引起表面涂层失效及金属基体腐蚀的主要因素。考虑到我国基本气候区温度、湿度环境与美国沿海地区气候条件基本相同，在已制定出的飞机涂层加速试验环境谱中，均直接采用了CASS 谱中湿热试验的相关条件，因此，在沿海地区服役的车辆装备可以设定温湿暴露试验条件如下：温度43 ℃；相对湿度95%～100%；暴露时间为6天。

2.2紫外照射试验

紫外照射环境依托紫外线箱实现。通常要估算出服役周期1年内试样接收的紫外线辐射量，依据辐射量相等条件，确定一个试验周期紫外线环境块的作用时间。根据广州地区紫外辐射量的实测结果，并结合试样紫外照射试验结果，与多架飞机外场使用不同年限涂层情况对比，确定了军机表面涂层每年接收的紫外辐射量约为Hz=10.25 MJ/m3[5]。对于车辆装备而言(假设全年露天停放，且无蒙布覆盖)，其接收的辐射量应与军机大致相等。本试验中，拟采用辐射照度Ez=(60±10)W/m3[15]，通过计算得紫外线照射时间为

因此，试验时间取2天。由于涂层的紫外线照射老化与光照时的温度也有一定关系，参照GB 2424.14[16]相关标准，将试验温度定为50～55 ℃。

2.3盐雾试验

盐雾是车辆装备涂层和金属基体腐蚀的主要影响因素。我国亚热带地区气候条件与美国沿海地区气候条件大致相同，盐雾暴露时间可与CASS谱一致，代表服役1年的盐雾环境块作用时间为7天，环境温度t为(35±2)℃，沉降率为1～2 mL/80 cm2。同时，考虑到我国大气中含有较多的酸性腐蚀性成分(如SO2)，而CASS谱中盐雾环境块未对中性与酸性盐雾试验的比例进行明确要求，因此，须针对装备服役地区的具体情况合理分配两者的时间比例。盐雾试验由中性盐雾试验与酸性盐雾试验共同组成。其中，中性试验溶液为质量分数5%的NaCl溶液，酸性试验溶液为质量分数5%NaCl、调定pH 3.5～4.5的溶液。我国典型沿海湿热地区，年平均酸雨降水量占总降水量的45%[17]，根据装备实际服役情况确定：盐雾试验时间为7天，其中前4天喷洒中性盐雾，后3天喷洒酸性盐雾。

2.4环境谱编制

本文2.1—2.3节中相关试验参数是结合我军现役车辆装备服役特点，以沿海湿热环境气候区作为典型区域，偏保守考虑酸雨、紫外光照的影响，在充分利用实验室条件、参考国内外相关试验标准的基础上确定的，现编制车辆装备表面涂层加速试验环境谱(如图3所示)。

3　加速试验环境谱当量加速关系的确定

利用加速试验环境谱，使装备涂层在较短的时间达到与较长服役时间之间的对应关系，称为加速腐蚀当量关系(简称当量加速关系)。目前，主要以当量折算法和腐蚀程度对比法在实际试验中加以运用，能够较好地建立当量关系。

图3　车辆装备涂层加速环境试验谱

3.1当量折算法

通过电化学测试方法，以涂层下基材腐蚀电流Ic作为基材腐蚀的表征参数，进行不同腐蚀环境之间的当量折算[19]。基材腐蚀过程中，Ic随腐蚀作用的强弱呈谱状变化，在时间t内基材的腐蚀量为

(1)

式中：F为法拉第常数；t为实际环境服役时间；Ic为实际环境下腐蚀电流。

对同一结构,由选定的试验谱,在t′试验时间内的腐蚀量为

(2)

3.2腐蚀程度对比法

在装备表面涂层加速试验中，涂层腐蚀破坏程度是一个随腐蚀程度不断增加的指标。基于腐蚀程度对比确定当量关系，其基本思路：以起泡面积、失光率、粉化程度、剥落面积、膜厚变化的等变量作为统计指标，建立构件实际腐蚀与加速试验腐蚀情况的数据库，将腐蚀程度参数化，利用统计学方法分析比较有关数据，初步确定加速关系，再结合扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)、傅里叶变换红外光谱分析(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)，对实际损伤试件和加速试验试件涂层腐蚀产物进行形貌观察与分析比较，从腐蚀产物的生成量与化学成分角度验证对应关系的准确性。

4　结　论

(1)本文参照国内外军、民用飞机加速试验环境谱，综合考虑我军车辆装备实际服役环境特点，提出了表面涂层实验室加速试验环境谱的制定方法。

(2)环境谱中环境块数与试验参数，可根据车辆装备具体服役环境灵活调整，以模拟多种服役环境，具有较好的普遍适应性。

(3)利用电化学测试和统计学分析方法，对测量参数进行分析整理后确定加速关系，可以利用试验时间对车辆装备涂层服役寿命进行推算，从而为车辆装备保养维护周期的制定提供理论支持。

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(编辑：关立哲)

Study of the Environmental Spectrums of Accelerated Test for Vehicle Equipment Coating

XU Antao1， SUN Bo2,3， LYU Xiangyi4, ZHANG Rui2， ZHANG Zhennan2

(1. Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2. Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；3. Unit 96274, Luoyang 471003, China; 4. Engineering Support Department,the PLA Rocket Force Command College, Wuhan 430014, China)

To provide foundation for the service life prediction of vehicle composite coatings, its availability examination and maintenance plan preparation, this paper first introduces the current status and service characteristics of military vehicles and then analyzes the related environment elements affecting the corrosion process in the typical environment. With humidity, ultraviolet solar radiation and salt-fog as the key elements, the accelerated test environment spectrum for vehicle coatings is established, the test conditons of each element are specifed and the equivalent relation between accelerated spectrum and the actual application environment is presented.

vehicle equipment; coating; accelerated testing; environmental spectrums; accelerated relation

2015- 10-19；

2015-11- 28.

徐安桃(1962—)，男，博士，教授，硕士研究生导师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.04.008

TG174.46

A

1674-2192(2016)04- 0030- 05

● 车辆工程Vehicle Engineering