某型直升机加速腐蚀试验环境谱编制及应用

吴 瑜，张晓娟

(1.天津航空机电有限公司，天津 300301；2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

直升机在海洋环境服役时，将暴露于高温、高湿、高盐雾的严酷腐蚀环境中。相关研究表明，结构腐蚀为直升机结构部位发生破坏的重要因素。因此，在直升机的使用寿命评定中必须考虑环境因素的影响。

然而由于直升机实际服役年限较长，通常要达到30年左右，使用环境恶劣，在实际使用环境下进行腐蚀试验无法满足设计周期的要求。目前通常采用的方式是在实验室环境下进行加速腐蚀试验，缩短试验周期。为此，需要建立对应的加速腐蚀环境谱。20世纪80年代，北大西洋公约组织(NATO)便开展了相关的腐蚀疲劳试验研究。而美国国防部制定了涂层加速试验环境谱及试验程序(CASS谱)，并阐述其加速试验环境谱的编制方法。但我国在环境谱编制、加速当量折算方法等方面的研究还处于探索阶段，主要存在如下方面的不足：收集的环境数据量较少，且较为分散，没有建立较为完整的飞机环境数据库；环境数据分析带有一定的经验性和片面性，还未形成完善的统计分析方法；未形成相对公认的方法，在环境谱的编制方面随意性较大，数据处理方法不够规范。

1 环境谱编制

1.1 环境谱编制原则

通过对美国空军制定并应用于F-18飞机结构的涂层加速试验环境谱及试验程序(简称CASS谱)以及国内已有型号加速环境谱编制情况的研究，得到编制合理的环境谱需满足如下几个原则：

1)相关性—针对具体结构对象，包含使用时实际环境产生腐蚀的主要因素及作用情况，再现实际服役过程出现的腐蚀损伤形式、特征和腐蚀产物的组成成分；

2)加速性—大大缩短实际环境下腐蚀历程的时间，使加速腐蚀试验周期和费用减少到工程可接受的范围；

3)可实施性—加速腐蚀试验环境谱能够在实验室实现对应的试验技术，不宜过于复杂；

4)能通过合理的准则和方法，建立加速试验环境谱与地面停放环境之间的当量加速关系。

此外，由于实际结构形式多样、环境条件变化多端，不可能针对每个结构或某类环境建立对应的加速环境谱，因此将细节类似、环境条件近似的结构进行适当归并，不细究其环境的差别。需要指出，满足上述要求的加速腐蚀试验环境谱并不是唯一的，要统筹多种因素综合确定。

1.2 环境谱编制技术途径

通过开展沿海直升机服役环境条件的研究，对气象环境数据，加速腐蚀试验相关资料和标准，如MIL-STD-810G《环境工程考虑和实验室试验》、HP 020 0008《环境技术条件》等进行了分析，并了解了国内航空行业开展环境试验的总体情况、固定翼飞机机体结构环境试验情况和GJB150A在国内航空领域的应用情况，分析得出了环境谱编制的主要技术途径：

1)明确加速腐蚀试验环境谱的编制原则，作为指导加速腐蚀试验环境谱编制的依据；

2)对直升机结构特点进行分析，明确结构部位、结构形式、材料、工艺、连接形式、密封和防腐处理措施等，特别关注其与外界环境的连通性；

3)对直升机结构使用特点进行分析，明确可能的使用剖面、服役地域及时间比例、服役地域环境特点以及维护修理措施等；

4)明确服役地域自然环境、机场环境、空中环境，给出各类环境因素的作用时间、频次等，给出环境介质组分、浓度、作用时间等，确定环境总谱；

5)在2)、3)、4)的基础上，确定典型结构部位的主要环境因素(介质、组分、浓度、作用时间等)，及可能出现的主要腐蚀损伤形式；

6)对防护涂层加速腐蚀试验方法进行调研和分析，选取依据充分、经过试验验证或被型号定延寿采用的加速腐蚀试验环境谱作为参考谱，并明确该加速腐蚀环境谱的背景使用特点和使用环境，作为参考环境；

7)以已有的加速腐蚀试验环境谱为基础，结合本次研究对象的特点(结构特点和环境特点)，初步确定各类加速环境谱的形式和构成；

8)通过使用环境和参考环境的对比分析，以及典型环境参数的计算和分析，明确环境参数和作用时间等关键参数，初步拟定加速腐蚀试验环境谱；

9)确定最终的加速腐蚀试验环境谱。

1.3 使用环境谱

使用环境谱可分为两类：服役环境谱、加速腐蚀当量环境谱。服役环境谱又可以大致分为地面停放环境谱、空中飞行环境谱和局部部位环境谱，三者之间存在着一定的联系。据有关机种的使用资料统计，军用飞机的停放时间可占全部日历寿命时间的97%以上，因此飞机的停放环境是影响飞机腐蚀的主要原因之一，故而地面停放环境谱为编制飞机环境谱的基础。空中飞行环境往往与地面停放环境存在着较大不同，如飞机材料的腐蚀疲劳、直升机结构的低温振动等等。

本文以军用直升机为例，通过对直升机停放环境的调研、测量、分析，编制直升机使用环境谱，并将使用环境谱转化成便于开展元件与模拟件加速腐蚀试验的当量环境谱。因该机服役地区主要为渤海海域和黄海海域，未来可能在中国南海环境服役，对以上区域的环境谱进行分析，最终环境总谱的编制以服役环境较为恶劣的青岛和南海的环境数据为基础，综合考虑其他海域的环境数据，得出符合该机实际的服役环境的年度雨、雾露、湿度总谱及大气环境谱，如表1、表2所示。

表1 某直升机服役环境年度雨、雾露、湿度总谱

表2 某直升机服役环境年度大气环境谱

2 结构分区及环境谱块分析

2.1 结构分区

大量的研究和调研结果表明，同样型号的直升机在不同服役地区的腐蚀损伤情况会有明显的不同。而直升机同样的结构、材料与表面防护，在不同的结构区域所形成的腐蚀损伤也不一样。由此可见，直升机结构的腐蚀与具体结构部位的局部腐蚀环境是密不可分的。如对于外露上表面而言，直接承受外部自然环境因素和化学环境因素的作用，受温湿、盐雾、紫外、化学介质的综合作用，环境条件较为严酷。而外露下表面承受的温度相对较低，湿度浸润时间相对稍长，紫外作用时间相对较少。而内部半封闭结构，湿气、盐雾的渗入会导致水汽在局部凝结、聚积，从而产生局部的部分时间的浸泡。

因此针对不同区域的腐蚀环境，需要不同的加速环境谱进行考核，不同区域的环境谱需在直升机停放环境谱的基础上确定。通过对局部结构的分析、归纳，将直升机典型结构分为以下几类：外部结构上表面、外部结构下表面、内部封闭结构及内部半封闭结构。

2.2 环境谱块分析

美国空军制定并应用于F-18飞机结构的涂层加速试验环境谱及试验程序(简称CASS谱)，主要针对军用飞机在亚热带沿海地区服役的环境条件。其中，一个周期包含五个环境块：湿热、紫外、热冲击、低温疲劳、盐雾，反映了飞机停放时，早晚多受高湿、盐雾作用，白天受紫外辐射、热冲击及载荷作用的实际情况。我国某型歼击机也是采用该环境谱块进行加速腐蚀环境试验。某型直升机的服役环境与F-18、某型歼击机类似，可以参考CASS谱确定环境影响因子。

环境谱中的潮湿空气对直升机结构的影响主要以湿热试验进行考核；太阳辐射对直升机结构的影响主要以紫外照射试验进行考核；各类酸性腐蚀介质对直升机结构的影响主要以盐雾试验及酸性盐雾试验进行考核；直升机振动产生的交变载荷对直升机结构的影响主要以低温疲劳试验进行考核；降尘对直升机结构的影响因无具体的考核方法，故不纳入环境谱块中。

2.2.1 外露结构上表面环境谱块

考虑到直升机没有严酷的热冲击环境，因此对CASS谱进行剪裁，删除热冲击谱块。故外露结构上下表面的环境谱块如图1所示。

图1 外露结构上下表面环境谱块

其中直升机外露结构上表面受阳光照射、气候风等条件的影响，湿热作用时间应有一定的缩减；而外露结构下表面只在早、晚太阳光斜射时接受少量紫外线照射，难以接受紫外线强度最高的正午时分的直射，因此外露结构下表面的紫外照射时间应有一定的缩减。

2.2.2 内部封闭结构环境谱块

内部封闭结构(如地板以下、顶部夹层区)不直接与外界环境接触，平时(除大修外)很少开启。由于外界环境介质，如湿气、盐雾、化学介质等，会渗入结构内部，而内部结构通常难以维护，会形成局部高湿(含盐及酸性离子)的腐蚀环境，甚至冷凝成液滴，个别排水不畅的结构，会由于溶液积存形成浸泡环境。对于封闭结构宜采用含浸泡环境块+常温疲劳的加速方法，故内部封闭结构的环境谱块如图2所示。

图2 内部封闭结构环境谱块

2.2.3 内部半封闭结构环境谱块

与内部封闭结构相比，内部半封闭结构会经常(或定期)打开或开启口盖进行维护。维护时间相对较短，维护时也会清除腐蚀介质。但是由于这些结构往往不做全面密封，外界环境介质，如湿气、盐雾、雨水、化学介质等更易渗入结构内部，也会形成局部高湿(含盐及酸性离子)的腐蚀环境，甚至冷凝成液滴，也会形成由于溶液积存造成的浸泡环境。

由于受外界环境的影响，外界的湿气、盐雾等会渗入，甚至凝结在局部聚集。海上服役时海水溅射后进入，维护清洗也可能有溶液进入，从而产生局部的部分时间浸泡。反复的湿润—浸泡过程导致产生腐蚀损伤。对半封闭结构，由于采取了合理的措施，可能不会形成长久溶液积聚，而积液聚集前及清除之后，则为温湿环境。对于内部半封闭结构宜采用温湿+浸泡环境+常温疲劳的加速方法，且溶液浸泡相较于内部封闭结构应有一定的缩减，其环境谱块如图3所示。

图3 内部半封闭结构环境谱块

3 内部封闭结构加速腐蚀环境谱

内部封闭结构主要承受湿热、盐雾、酸性气体或含盐、酸的积水浸泡、载荷的作用，无紫外线和热冲击作用。

3.1 参考谱选取

参考谱取为某系列飞机42框下半框腹板用加速腐蚀试验环境谱(EXCO溶液更改酸液成分的溶液浸泡+常温疲劳的试验)。参考谱的构成为：

1)溶液浸泡2天。根据外场腐蚀产物的能谱分析结果，在腐蚀损伤形式相当的前提下，对EXCO溶液的组分进行一定的调整，将HNO调整为HSO，每升溶液加入3毫升浓HSO，使得溶液pH=0.4，并将环境温度定为

T

=(43±2)℃。

2)常温疲劳。室温大气环境下施加恒幅载荷若干次，频率4Hz。

3.2 内部封闭结构加速腐蚀环境谱编制

根据某直升机内部封闭环境分析，内部封闭结构适用的环境谱块主要为溶液浸泡和常温疲劳两个谱块，各谱块参数确定如下：

1)溶液浸泡

①温度

环境温度定为室温

T

=(25±2)℃。

②溶液构成

NaC l234g/l

KNO50g/l

HSO(浓度为68%) 若干

③溶液pH值

pH值通过在溶液中添加稀HSO调整，使得溶液pH值与航母停放时外露结构表面水膜的pH值一致，取为pH=4.0。

④浸泡时间

考虑到内部封闭结构高湿环境主要是外部雨水或清洗飞机时沿缝隙流入或渗入内部结构造成的，用舰载飞机受到的雨水作用次数(包括清洗)除以参考环境中的雨水作用次数(包括清洗次数)，再乘以某系列飞机内部腐蚀失效关键部位加速环境谱中的溶液浸泡时间，就得到该直升机内部结构加速环境谱中的溶液浸泡时间。

参考环境谱平均每年雨水作用次数

n

=158次。某飞机平均每年雨水作用次数

n

=135次。以某飞机7天(每周)清洗1次；海上超低空飞行，每次飞行完后必须进行清洗，年均20～50次，按35次计算，全年共清洗

n

=87次。而J8系列飞机清洗次数明显低于该军直升机，可按某飞机的1/3即

n

=17次计算，J8飞机内部腐蚀失效关键部位加速环境谱中溶液浸泡时间为2天，则该直升机浸泡时间为：

2)疲劳试验

内部封闭结构的疲劳应力水平可以参考外露腐蚀关键部位的应力水平确定方法给出。在不能给出明确的结构受载的情况下，参考外露部位。如所选内部结构不受交变应力或所受交变应力影响不大，可以对疲劳试验部分进行裁剪。

综上，内部封闭结构加速腐蚀试验环境谱如图4所示。

图4 内部封闭结构加速腐蚀试验环境谱

4 内部封闭结构加速腐蚀试验

4.1 试验件设计

选取直升机内部封闭区典型连接形式，试验件为搭接件(如图5所示)。材料分别为复合材料及铝合金(如图6所示)，并进行适当的密封涂漆等表面防护处理。外廓尺寸为300mm×120mm，哑铃形夹持端宽40mm。

图5 试验件示意图

图6 内部封闭典型连接件

4.2 试验过程及试验结果

利用图4内部加速腐蚀环境谱进行10个周期内部封闭结构区域典型连接件的加速腐蚀环境试验，10个周期后试验外观结果如图7所示。结果表明经历10个试验周期的试验件铝合金和复合材料板材涂层完好，无起泡、开裂、剥落等现象，且涂层厚度未发生明显改变。根据GB/T 1766-2008《色漆和清漆涂层老化的评级方法》对涂层进行评级，试件A、B、C三个面的涂层色差值评级为1级，D面涂层色差值评级为3级，证明涂层性能较好。结果表明铝合金、复合材料防护体系在内部相对封闭环境下的抗腐蚀性能较好。

图7 第10周期试验件外观图

5 结束语

加速试验环境谱是直升机腐蚀防护设计、腐蚀防护性能的评定及主机结构环境鉴定试验的支撑依据，在后续试验中将与自然环境试验结果进行对比分析，验证该加速试验环境谱的合理性，并对具体的试验参数进行进一步修正。

本文对环境谱编制情况、环境谱编制技术途径进行研究，开展某型直升机腐蚀区域划分和环境谱编制，并进行了典型连接件的加速腐蚀环境试验应用研究。该环境谱的编制为某直升机的腐蚀防护设计改进和腐蚀防护性能评估提供了重要依据。

1)通过对机上腐蚀环境的分析研究可知，直升机不同区域的环境特征不同，直升机进行腐蚀环境分析前需对结构区域进行划分；

2)通过对某直升机内部封闭结构区经受的环境因素及各环境应力进行分析，编制了适用于考核直升机内部封闭区结构及防护体系耐腐蚀性能的加速腐蚀环境谱，该环境谱以年度环境进行当量加速，在理论上1加速试验周期当量外场服役一年；

3)选取某直升机内部封闭区域典型连接试验件，采用内部封闭区域加速腐蚀环境谱进行了试验，试验结果表明某直升机铝合金、复合材料防护体系在内部相对封闭环境下的抗腐蚀性能较好。