CN108256139A - 一种异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于飞机环境谱及当量化技术研究，涉及一种异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法；本方法依据单一金属环境折算系数原理推导组合结构环境折算系数公式，建立环境折算系数数据库。基于仿真方法，建立异种金属接触时的电偶腐蚀模型，并获得电偶腐蚀的电位分布和总电流等信息，验证电偶腐蚀模型的正确性，补充组合金属结构环境折算系数数据库。选取飞机典型的异种金属组合接触结构进行试验，根据腐蚀损伤表征量来修正异种金属组合结构的加速当量环境谱。最终构建组合结构加速腐蚀当量化理论和工程方法。

Description

一种异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法

技术领域

本发明是关于飞机环境谱及当量化技术研究，具体是关于飞机异种金属材料组合结构实验室加速环境谱与服役环境间当量关系折算方法的研究。

背景技术

国外在飞机使用环境模拟分析、环境谱的编制及加速腐蚀当量化技术研究方面取得了一定研究成果，例如：美国已编制了飞机典型防护涂层加速谱，海洋环境下典型紧固件周围涂层验证的加速谱。另外，美国空军还针对军用飞机在亚热带沿海地区服役的环境条件，研究、编制了加速腐蚀试验环境谱及试验程序(简称“CASS谱”)，并在机体涂层体系、典型结构的环境损伤试验中得以应用。同时，国外在环境谱编制当量关系的自然暴晒试验验证方面，开展了大量的舰上、外场暴露试验及实验室加速腐蚀试验。借鉴国外的先进技术，结合飞机结构腐蚀防护与控制的总体技术要求，国内已逐步收集、整理了沿海地区、内陆地区、东海、南海及亚丁湾海域等区域的腐蚀环境要素数据，开展了环境谱当量化技术和加速腐蚀环境/载荷谱编制的技术方法研究研究，编制了个别机种/地域的使用环境谱，同时初步编制了检验外露件和内部件涂层有效性和有效期的加速腐蚀环境/载荷谱，并展开了新型材料及典型结构腐蚀加速试验工作。例如：“十五”期间，中国特种飞行器研究所开展了机场地面停放环境谱、个别机种机体结构局部环境谱、空中环境谱、加速腐蚀当量环境谱、环境/载荷谱的编制方法及各种典型环境谱的深入分析、研究。

综合而言，已有的加速当量关系确定方法，均是针对单一金属材料的腐蚀动力学而言的，与客观实际的组合结构腐蚀动力学存在着较大的差别，如何描述组合结构的腐蚀动力学规律，并将其环境实施当量化以再现组合结构的腐蚀发展规律，均是目前研究的难点。迫切需要开展深入的研究。

发明内容

本发明的目的

本发明是基于电化学原理，采用测试电偶腐蚀电流和理论腐蚀预测模型相结合的方法，计算异种金属组合结构在不同腐蚀环境下的折算系数，编制组合结构加速试验环境谱，能够评价飞机全寿命期内关键结构设计许用值正确性、生产制造工艺/措施质量的稳定性，维修与维护的安全性。

本发明技术方案

一种异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法，其特征在于，基于单一金属折算系数理论推导组合结构环境折算系数公式，建立环境折算系数数据库，基于仿真方法，建立异种金属接触时的电偶腐蚀模型，采用电化学测试方法测定组合结构折算系数公式中的待定项，验证电偶腐蚀模型的正确性，补充组合金属结构环境折算系数数据库，选取典型的异种金属组合接触结构进行试验，根据腐蚀损伤表征量来修正异种金属组合结构的加速当量环境谱，从而建立异种金属材料组合结构加速当量环境谱。

所述单一金属折算系数理论为采用异种材料组合结构电偶腐蚀电流I_c作为度量参量，环境因素随时间呈谱状变化，因此结构的腐蚀也是时强时弱呈谱变化，代表金属腐蚀速率的电流I_c也在随时间而变化，对组合金属结构件(接触面积S确定)，在t₁至t₂时间内金属的腐蚀电量可以用积分形式表示：

F为法拉第常数，I_c为腐蚀电流；

在试验室条件下，对同一结构件，由选定的试验谱，其结构试验件的腐蚀电流为I′_c如图2所示，在试验时间t′₁至t′₂之内金属结构的腐蚀电量Q′可表示为：

按腐蚀损伤等效原则，同一结构件在服役环境条件中的腐蚀电量Q在试验室条件下的腐蚀电量Q′，即可建立起两种环境下的等量关系，即：

Q＝Q′ (2)

其中，I_c、I′_c皆为随时间变化的变量，为说明问题方便，将I_c及I′_c作为常数讨论，并设：t＝t₂-t₁；t′＝t′₂-t′₁，于是：

I_c·t＝I′_c·t′ (5)

为了缩短试验时间t′，达到加速试验目的，可将试验环境条件的腐蚀性加重，如提高试验温度、湿度、电解液浓度等方法以提高I′_c值，由式(5)得：

令(记作当量折算系数)，则：

t′＝αt (7)

经当量折算之后，试验时间缩短α倍，达到服役环境与试验室环境当量加速的目的。

所述组合结构折算系数是在计算折算关系的过程中，异种金属接触时实际测得的电偶腐蚀电流是由于电偶效应引起的腐蚀速度的增量，因此腐蚀电流为阳极金属自腐蚀电流与电偶电流之和，即

I′_c＝I_s+I_g (8)

式中：I_s为自腐蚀电流，I_g为试验测量得到的电偶电流。且设在求不同NaCl 浓度下电偶腐蚀与水介质条件下的折算系数为α时，有

αI′_c＝I_w (9)

则

式中：。

所述待定项公式(10)中的水介质中腐蚀电流I_w。

所述腐蚀电流I_w是通过腐蚀电流测量装置采用动电位扫描法，并利用VersaStudio软件对试验数据进行采集测量，得到极化曲线；将制备好的两种材料试件及饱和甘汞电极置于溶液中，接入PARSTAT 4000电化学综合测试仪，并利用VersaStudio软件对试验数据进行采集测量，得到该电偶模型下的腐蚀电流。

所述建立异种金属接触时的电偶腐蚀模型是运用上节已经测量得到的单一金属材料极化曲线数据定义模型的非线性边界条件；

1)依据铝合金-钛合金组合结构单搭件的几何尺寸，设计电偶腐蚀电极，即确定模型几何形状，进行数字建模；

2)再次设计试验条件，包括电极状态和环境条件；

利用有限元法对异种金属电偶腐蚀预测仿真研究，预测结果包括腐蚀电位分布、电流密度分布和总电流等，根据当量折算系数法，计算不同阴阳极面积比、不同环境条件中铝合金和钛合金发生电偶腐蚀时与水介质中的折算系数，结合实际电化学试验测量得到的电偶电流，证明所建模型和计算结果的正确性。

本发明的有益效果

该研究方法基于单一金属折算系数理论推导组合结构折算系数，采用电化学测试方法测定组合结构折算系数公式中的待定项，从而建立异种金属材料组合结构加速当量环境谱编制方法，编制的加速谱可科学有效的能够评价飞机全寿命期内关键结构设计许用值正确性、生产制造工艺/措施质量的稳定性，维修与维护的安全性。其主要优点如下：(1)已有的加速当量关系确定方法，均是针对单一金属材料的腐蚀动力学而言的，与客观实际的组合结构腐蚀动力学存在着较大的差别，该方法从描述组合结构的腐蚀动力学规律，并将其环境实施当量化以再现组合结构的腐蚀发展规律，编制的加速谱更具有再现性、模拟性；(2)采用基于电化学阻抗值的腐蚀损伤等效原则建立异种金属组合结构加速环境与外场服役环境间的当量关系，并在同一母体下达到95％置信水平，较传统试验采用单一金属在不同腐蚀溶液下的环境折算系数编制的加速谱，该评估与验证方法将极大的提高飞机结构日历寿命的评定结果的可靠性；(3)从电偶腐蚀模型出发，充分考虑了腐蚀介质、电位差、阴阳面积比对腐蚀电流的影响，采用了试验与有限元法建立了较大样本量的环境折算系数数据库，为加速谱编制提供更扎实的理论基础。

附图说明

图1 I′_c—t曲线

图2腐蚀机理

图3腐蚀电流测量装置示意图

图4电偶腐蚀电流测试方案

图5电化学试验图

图6腐蚀预测及当量关系计算流程

图7一种异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法研究流程图

图8电化学测试试验件图纸

其中：图8a)金属裸材试验件(阴阳面积比2:1)、图8b)船底模拟件(含防护体系)

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

本方法依据单一金属环境折算系数原理推导组合结构环境折算系数公式，建立环境折算系数数据库。基于仿真方法，建立异种金属接触时的电偶腐蚀模型，并获得电偶腐蚀的电位分布和总电流等信息，验证电偶腐蚀模型的正确性，补充组合金属结构环境折算系数数据库。选取飞机典型的异种金属组合接触结构进行试验，根据腐蚀损伤表征量来修正异种金属组合结构的加速当量环境谱。最终构建组合结构加速腐蚀当量化理论和工程方法。

本发明专利所建立的异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法，主要研究内容包括：异种金属材料组合结构加速当量环境谱编制方法；异种金属材料组合结构腐蚀预测方法；异种金属材料组合结构当量环境谱验证。

所述异种金属材料组合结构加速当量环境谱编制方法实施的技术路线为：基于单一金属折算系数理论推导组合结构折算系数，采用电化学测试方法测定组合结构折算系数公式中的待定项，从而建立异种金属材料组合结构加速当量环境谱编制方法

a)单一金属折算原理

参考单一金属材料的腐蚀电流度量方法。采用异种材料组合结构电偶腐蚀电流I_c作为度量参量，环境因素随时间呈谱状变化，因此结构的腐蚀也是时强时弱呈谱变化，代表金属腐蚀速率的电流I_c也在随时间而变化，对组合金属结构件 (接触面积S确定)，在t₁至t₂时间内金属的腐蚀电量可以用积分形式表示：

F为法拉第常数，I_c为腐蚀电流。

在试验室条件下，对同一结构件，由选定的试验谱，其结构试验件的腐蚀电流为I′_c如图2所示，在试验时间t′₁至t′₂之内金属结构的腐蚀电量Q′可表示为：

按腐蚀损伤等效原则，同一结构件在服役环境条件中的腐蚀电量Q在试验室条件下的腐蚀电量Q′，即可建立起两种环境下的等量关系，即：

Q＝Q′ (4)

其中，I_c、I′_c皆为随时间变化的变量，为说明问题方便，将I_c及I′_c作为常数讨论，并设：t＝t₂-t₁；t′＝t′₂-t′₁，于是：

I_c·t＝I′_c·t′ (5)

为了缩短试验时间t′，达到加速试验目的，可将试验环境条件的腐蚀性加重，如提高试验温度、湿度、电解液浓度等方法以提高I′_c值。由式(5)得：

令(记作当量折算系数)，则：

t′＝αt (7)

经当量折算之后，试验时间缩短α倍，达到服役环境与试验室环境当量加速的目的。

b)组合结构电偶腐蚀电流的折算原理

在计算折算关系的过程中，异种金属接触时实际测得的电偶腐蚀电流是由于电偶效应引起的腐蚀速度的增量，因此腐蚀电流为阳极金属自腐蚀电流与电偶电流之和，即

I′_c＝I_s+I_g (8)

式中：I_s为自腐蚀电流，I_g为试验测量得到的电偶电流。且设在求不同NaCl 浓度下电偶腐蚀与水介质条件下的折算系数为α时，有

αI′_c＝I_w (9)

则

式中：I_w为水介质中腐蚀电流。

c)电化学测试

异种金属材料接触会形成电偶腐蚀，其腐蚀机理如图2所示。由公式(10) 可见，组合结构环境折算系数的计算，需已知组合结构的电偶腐蚀电流。本部分将采用图4装置进行电偶腐蚀电流测量。测试变量如下：

1)测试对象为：铝合金-钛合金、铝合金-结构钢组合结构单搭接件，其阴阳搭接面积比分为1/4、1/3、1/2三类；

2)电解液(腐蚀环境)主要包括：中性水溶液、不同浓度NaCl溶液、不同浓度酸溶液(不同pH值)和NaCl溶液。

以铝合金-结构钢单搭件为例，对其电偶腐蚀电流进行了测量，测试方案如图4所示，测试时，先将制备好的异种金属组合试件(工作电极Working Electrode,WE)、饱和甘汞电极(参比电极Reference Electrode,RE)和铂电极(辅助电极Counter Electrode,CE)置于电解槽溶液中，接入PARSTAT 4000电化学综合测试仪，组成三电极体系，。采用动电位扫描法，扫描范围为相对于工作电极的开路电位(-300～300)mV，扫描速率为0.1667mV/s，并利用VersaStudio软件对试验数据进行采集测量，得到极化曲线。将制备好的两种材料试件及饱和甘汞电极置于溶液中，接入PARSTAT 4000电化学综合测试仪，并利用VersaStudio软件对试验数据进行采集测量，得到电偶电流。

所述基于异种金属材料组合结构腐蚀预测方法实施的技术路线为：运用 comsol有限元软件建立电偶腐蚀预测几何模型，设置模型计算参数，将计算结果与试验测试结果对比分析，验证预测模型的可靠性；结合当量折算系数法，补充结构件环境折算系数数据库。以铝合金-钛合金组合结构为例，简述预测模型的建模过程如下：

3)运用上节已经测量得到的单一金属材料极化曲线数据定义模型的非线性边界条件；

4)依据铝合金-钛合金组合结构单搭件的几何尺寸，设计电偶腐蚀电极，即确定模型几何形状，进行数字建模；

5)再次设计试验条件，包括电极状态和环境条件(电解液)。

腐蚀预测及当量关系计算总体流程如图6所示。利用有限元法对异种金属电偶腐蚀预测仿真研究，预测结果包括腐蚀电位分布、电流密度分布和总电流等。根据当量折算系数法，计算不同阴阳极面积比、不同环境条件中铝合金和钛合金发生电偶腐蚀时与水介质中的折算系数。结合实际电化学试验测量得到的电偶电流，证明所建模型和计算结果的正确性后，可将此方法应用于其他腐蚀电化学的研究中去。

所述异种金属材料组合结构当量环境谱验证实施的技术路线为针对存在外场腐蚀损伤信息(如腐蚀深度、腐蚀面积等)的水陆两栖飞机典型结构：设计、加工典型的模拟试件，试件材料、工艺、连接形式、防腐处理措施与实际结构相同；进行加速腐蚀试验。在初步拟定的加速腐蚀试验环境谱下，进行若干周期的加速腐蚀试验，观测腐蚀损伤现象，记录腐蚀试验结果，对试验结果进行宏微观分析；将腐蚀试验结果与外场腐蚀信息进行对比，判断加速腐蚀试验方法是否具有相关性、加速性；对加速腐蚀试验环境谱进行分析，如果不满足要求，需要进一步调整。

综上所述，本方法的实施路线如图7所示，本方法的关键在于确立异种金属组合结构在实验室加速谱与外场服役环境下的当量加速关系。

本方法应用于大型灭火/水上救援水陆两栖飞机、舰载机、巡逻机结构加速环境谱的编制研究，通过该方法编制的加速试验谱和自然环境对材料的影响在 95％置信水平下属于同一母体。其部分研究设计图如图8所示。

Claims (6)

1.一种异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法，其特征在于，基于单一金属折算系数理论推导组合结构环境折算系数公式，建立环境折算系数数据库，基于仿真方法，建立异种金属接触时的电偶腐蚀模型，采用电化学测试方法测定组合结构折算系数公式中的待定项，验证电偶腐蚀模型的正确性，补充组合金属结构环境折算系数数据库，选取典型的异种金属组合接触结构进行试验，根据腐蚀损伤表征量来修正异种金属组合结构的加速当量环境谱，从而建立异种金属材料组合结构加速当量环境谱。

2.如权利要求1所述的异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法，其特征在于，所述单一金属折算系数理论为采用异种材料组合结构电偶腐蚀电流I_c作为度量参量，环境因素随时间呈谱状变化，因此结构的腐蚀也是时强时弱呈谱变化，代表金属腐蚀速率的电流I_c也在随时间而变化，对组合金属结构件(接触面积S确定)，在t₁至t₂时间内金属的腐蚀电量可以用积分形式表示：

F为法拉第常数，I_c为腐蚀电流；

在试验室条件下，对同一结构件，由选定的试验谱，其结构试验件的腐蚀电流为I′_c如图2所示，在试验时间t′₁至t′₂之内金属结构的腐蚀电量Q′可表示为：

按腐蚀损伤等效原则，同一结构件在服役环境条件中的腐蚀电量Q在试验室条件下的腐蚀电量Q′，即可建立起两种环境下的等量关系，即：

Q＝Q′ (2)

其中，I_c、I′_c皆为随时间变化的变量，为说明问题方便，将I_c及I′_c作为常数讨论，并设：t＝t₂-t₁；t′＝t′₂-t′₁，于是：

I_c·t＝I′_c·t′ (5)

为了缩短试验时间t′，达到加速试验目的，可将试验环境条件的腐蚀性加重，如提高试验温度、湿度、电解液浓度等方法以提高I′_c值，由式(5)得：

令(记作当量折算系数)，则：

t′＝αt (7)

经当量折算之后，试验时间缩短α倍，达到服役环境与试验室环境当量加速的目的。

3.如权利要求1或2所述的异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法，其特征在于，所述组合结构折算系数是在计算折算关系的过程中，异种金属接触时实际测得的电偶腐蚀电流是由于电偶效应引起的腐蚀速度的增量，因此腐蚀电流为阳极金属自腐蚀电流与电偶电流之和，即

I′_c＝I_s+I_g (8)

式中：I_s为自腐蚀电流，I_g为试验测量得到的电偶电流。且设在求不同NaCl浓度下电偶腐蚀与水介质条件下的折算系数为α时，有

αI′_c＝I_w (9)

则

式中：。

4.如权利要求3所述的异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法，其特征在于，所述待定项为公式(10)中的水介质中腐蚀电流I_w。

5.如权利要求4所述的异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法，其特征在于，所述腐蚀电流I_w是通过腐蚀电流测量装置采用动电位扫描法，并利用VersaStudio软件对试验数据进行采集测量，得到极化曲线；将制备好的两种材料试件及饱和甘汞电极置于溶液中，接入PARSTAT 4000电化学综合测试仪，并利用VersaStudio软件对试验数据进行采集测量，得到该电偶模型下的腐蚀电流。

6.如权利要求5所述的异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法，其特征在于，所述建立异种金属接触时的电偶腐蚀模型是运用上节已经测量得到的单一金属材料极化曲线数据定义模型的非线性边界条件；

1)依据铝合金-钛合金组合结构单搭件的几何尺寸，设计电偶腐蚀电极，即确定模型几何形状，进行数字建模；

2)再次设计试验条件，包括电极状态和环境条件；

利用有限元法对异种金属电偶腐蚀预测仿真研究，预测结果包括腐蚀电位分布、电流密度分布和总电流等，根据当量折算系数法，计算不同阴阳极面积比、不同环境条件中铝合金和钛合金发生电偶腐蚀时与水介质中的折算系数，结合实际电化学试验测量得到的电偶电流，证明所建模型和计算结果的正确性。