CN109612916A - 金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法 - Google Patents

金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，包括如下步骤：收集选定海域的海洋大气环境数据，制定出该海域的环境谱；采用周期浸润方法进行循环加速试验；当量折算：将使用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；将加速环境谱作用时间折算为水介质的作用小时数t2；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。本发明确定的海洋大气当量加速环境谱及当量关系可用于飞机的结构选材和防护体系、腐蚀关键结构日历寿命试验研究与验证、设计与评定等。

Description

金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法
技术领域
本发明涉及飞机环境谱编制技术领域，尤其涉及金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法。
背景技术
海洋环境下飞机不同于陆基飞机，其服役环境相对恶劣，一直处于高温、高湿、高盐分的海洋环境下；部分结构遭受盐雾、飞溅海水以及干/湿交替循环侵蚀，腐蚀问题非常严重，极大的影响了飞机的结构寿命。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。国内目前在编制飞机环境谱时一般仅针对不同机型和不同环境进行区分，并未针对材料进行细分，故当前的环境谱无法体现同一环境谱对不同材料加速效果的差异。
发明内容
本发明的目的：提出金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，针对金属材料编制对应的环境谱并确定当量关系。
本发明的技术方案：
金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，包括如下步骤：
步骤1：收集选定海域的海洋大气环境数据，制定出该海域的环境谱；
步骤2：采用周期浸润方法进行循环加速试验；
步骤3，当量折算：
1)将使用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；
2)将加速环境谱作用时间折算为水介质的作用小时数t2；
3)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。
优选的，步骤1中海洋大气环境数据包括温、湿度和年均盐雾谱，该海域的环境谱包括年均太阳总辐射量、年均太阳辐射强度、紫外线含量、凝露次数。
优选的，步骤2中的循环加速试验包括如下过程：
(a)腐蚀溶液：质量百分数为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。
优选的，海南海域的环境谱为：年均太阳总辐射量为Q＝4687MJ/m2，年均太阳辐射强度为Q'Z＝306W/m2，其中紫外线含量为6.53％，凝露每次作用时间为5.5小时，年均发生凝露的次数为320次。
优选的，对于加速环境谱中采用酸性溶液应进行综合折算，综合折算系数β为：
式中：β1、β2分别为NaCl浓度和酸浓度对水的折算系数。
优选的，加速环境谱中的溶液外高温高湿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。
优选的，得到铝合金裸材在海南海域的加速环境谱为：
(1)烘烤：温度T＝40℃，湿度RH＝90％，时间28min；
(2)溶液浸泡：5％NaCl，稀H2SO4，PH＝4，浸泡时间6min；
(3)循环进行烘烤和溶液浸泡332次。
优选的，得到钢裸材在海南海域的加速环境谱为：
(1)烘烤：温度T＝40℃，湿度RH＝90％，时间19min；
(2)溶液浸泡：5％NaCl，稀H2SO4，PH＝4，浸泡时间8min；
(3)循环进行烘烤和溶液浸泡332次。
本发明的有益效果：本发明确定的海洋大气当量加速环境谱及当量关系可用于飞机的结构选材和防护体系、腐蚀关键结构日历寿命试验研究与验证、设计与评定等。
附图说明
图1为铝合金裸材加速环境谱。
图2为钢裸材加速环境谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的介绍。
本发明以海南海洋大气环境谱为基础，给出了金属材料加速环境试验模块参数的确定方法及加速环境谱与服役环境的当量关系，编制了适合金属材料的典型海洋大气环境加速环境谱。
1.1海南海域环境谱
表1、表2为海南海域14年间的年均温-湿度谱和年均盐雾谱。实测数据显示该海域年均太阳总辐射量为Q＝4687MJ/m2,年均太阳辐射强度为Q'Z＝306W/m2，其中紫外线含量为6.53％。
据统计飞机结构表面温度低于大气温度，相对湿度RH≥65％时，在达到结构露点温度差的条件下，结构的表面会产生凝露。实测统计海南海域每天在飞机结构表面有5～6小时空气湿润程度达到饱和状态，可假设每次凝露从形成开始以及在飞机表面停留的作用时间为5.5小时。实测结果表明，该海域年均发生凝露的次数为320次。
表1海南海域年均温-湿度谱
表2海南海域年均盐雾谱
1.2.金属裸材加速环境谱
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。采用以下周期浸润方法进行循环加速试验：
1)腐蚀溶液：质量百分数为5％NaCl溶液，加少量稀H2SO4，使pH＝4～4.5；温度T＝40℃±2℃，湿度RH＝95％±5％；
2)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。其中t泡为在腐蚀溶液中的浸泡时间，t烘为溶液外烘干时间。
1.2.1当量折算
当量折算的实施步骤如下：
1)将使用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；
2)将加速环境谱作用试件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；
3)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。
表3潮湿空气与标准潮湿空气的折算系数
表4不同浓度NaCl溶液与水介质的折算系数
表5不同浓度酸与水介质的折算系数
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：
式中：β1、β2分别为NaCl浓度和酸浓度对水的折算系数。
1.2.2海南海域环境谱与标准潮湿空气的当量折算
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℃时一律按20℃计算)，RH＝90％的标准潮湿空气的作用小时数：
T1(铝合金)＝2293h
T1(钢)＝1397h
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：
T2(铝合金)＝5.76h
T2(钢)＝7.494h
3)凝露作用时间折算
凝露每次作用5.5小时，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：
T3(铝合金)＝5.5×320×0.207＝355.2h
T3(钢)＝5.5×320×0.22919＝393.3h
1.2.3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＝0.1066；α1钢＝0.314。
由表5，pH＝4的稀硫酸对应的折算系数α2铝＝0.2732；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＝0.07668、β钢＝0.10287。
加速环境谱中的溶液外高温高湿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，1年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。
单个循环周期内合金钢材料浸泡时间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。
合金钢裸材试件的加速环境谱见图2。

Claims (8)

1.金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：收集选定海域的海洋大气环境数据，制定出该海域的环境谱；
步骤2：采用周期浸润方法进行循环加速试验；
步骤3，当量折算：
1)将使用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；
2)将加速环境谱作用时间折算为水介质的作用小时数t2；
3)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。
2.如权利要求1所述的金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，步骤1中海洋大气环境数据包括温、湿度和年均盐雾谱，该海域的环境谱包括年均太阳总辐射量、年均太阳辐射强度、紫外线含量、凝露次数。
3.如权利要求1所述的金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，步骤2中的循环加速试验包括如下过程：
(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。
4.如权利要求1所述的金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，海南海域的环境谱为：年均太阳总辐射量为Q＝4687MJ/m2，年均太阳辐射强度为Q'Z＝306W/m2，其中紫外线含量为6.53％，凝露每次作用时间为5.5小时，年均发生凝露的次数为320次。
5.如权利要求1所述的金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，对于加速环境谱中采用酸性溶液应进行综合折算，综合折算系数β为：
式中：β1、β2分别为NaCl浓度和酸浓度对水的折算系数。
6.如权利要求1所述的金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，加速环境谱中的溶液外高温高湿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。
7.如权利要求4所述的金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，得到铝合金裸材在海南海域的加速环境谱为：
(1)烘烤：温度T＝40℃，湿度RH＝90％，时间28min；
(2)溶液浸泡：5％NaCl，稀H2SO4，PH＝4，浸泡时间6min；
(3)循环进行烘烤和溶液浸泡332次。
8.如权利要求4所述的金属材料在海洋大气环境下的加速环境谱编制方法，其特征在于，得到钢裸材在海南海域的加速环境谱为：
(1)烘烤：温度T＝40℃，湿度RH＝90％，时间19min；
(2)溶液浸泡：5％NaCl，稀H2SO4，PH＝4，浸泡时间8min；
(3)循环进行烘烤和溶液浸泡332次。
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