飞行器装备盐腐蚀环境适应性工程体系的设计、评价与失效分析

2020-10-13朱龙奎

导弹与航天运载技术 2020年5期

朱龙奎

（北京强度环境研究所，北京，100076）

0 引言

20 世纪初英军在印度贮存弹体的应力腐蚀开裂（当时命名为季节性开裂）是科学上较早记载的盐腐蚀引起飞行器失效的事故[1]。目前盐腐蚀仍然是当前工程技术难点和科学研究热点。常见的飞行器盐腐蚀环境包括海洋、酸雨、大气氨盐、含硫盐等，在此情况下装备结构常常发生均匀或局部腐蚀。当耦合力学载荷，即使弹性应力作用的工程构件也发生脆性断裂失效[2]，易造成飞行器装备无征兆故障及事故。例如，浸泡海水7～8 h、空气中静置2 个月的AISI204 不锈钢紧固件发生盐腐蚀断裂失效，类似情况下略耐蚀且飞行器常用的316 不锈钢紧固件也发生同类型失效现象[3]。

整体上看，飞行器装备盐腐蚀是盐氛环境（如盐溶液、盐雾、沉积盐等）、力学载荷多因子耦合作用下系统、结构或构件的一种失效现象，因此飞行器装备、盐氛环境及力学载荷三者构成一个体系。更进一步，盐腐蚀失效机理可归结为M→Mn++ ne，其中，M 表示装备结构的盐腐蚀双电层、解理区、扩散区或吸附区原子；e 表示电子；n 为电子数。在表现形式上，盐腐蚀失效模式包括全面腐蚀和局部腐蚀，而局部腐蚀又由点蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、缝隙腐蚀、磨损腐蚀、冲刷腐蚀、空泡腐蚀、氢蚀等组成。这些失效模式是飞行器装备盐腐蚀环境适应性等特征功能性能的制约因素，因此亟需采取系统性方法加以避免。

本文主要从选型设计、耦合评价和失效分析三方面，解析飞行器装备环境适应性工程。

1 盐腐蚀环境适应性工程体系

基于盐腐蚀环境适应性技术理论，其工程体系如图1 所示。

图1 盐腐蚀环境适应性工程体系Fig.1 A Salt Corrosion Environment Compliance Engineering System

本征上，盐腐蚀环境适应性工程的内涵可概括为：工程设计时首先选型耐蚀材料、结构和工艺，然后针对所选材料、构件、结构、分系统、全系统等进行盐腐蚀环境适应性评价，同时基于全生命周期中的各层级失效现象进行分析，以改进设计、提升功能性能及延长寿命。在阶段特征上，盐腐蚀环境适应性工程设计涵盖研制、初样、定型、生产工艺选型、使用规范制定等过程，而盐腐蚀环境适应性评价和失效分析则包括从原材料制备至飞行器装备服役寿命的全生命周期。针对飞行器装备，中国已开展多年研究和应用，各方面技术渐趋完善，但目前在材料结构与工艺选型、多因素耦合评价和失效分析方面，仍存在较大提升空间。

2 盐腐蚀环境适应性系统优化

2.1 选型设计

飞行器选型设计对其功能性能有极大影响，因此飞行器装备盐腐蚀环境适应性工程首先应合理选型设计，包括材料选型、结构选型和工艺选型。

2.1.1 材料选型

盐腐蚀是一个多因素耦合体系，是在特定盐氛环境下受应力或无力学载荷作用的敏感材料构件、结构或系统发生电化学反应失效的现象。通常，不同环境条件下材料具有不同的盐腐蚀敏感性，材料选型时则应谨慎或避免选用盐腐蚀敏感体系中的材料类型。例如，材料+盐氛+力学载荷三种因素耦合盐腐蚀敏感体系如表1 所示，其中的材料类型在相应盐氛+力学载荷耦合作用下则易发生盐腐蚀失效[4～7]。

表1 材料+盐氛+力学载荷三因素耦合盐腐蚀敏感体系Tab.1 Susceptible Salt Corrosion Systems of Three Synergistic Factors Including Materials, Salts and Mechanics Loads

2.1.2 结构选型

从盐腐蚀环境适应性专业考量，其工程结构选型必须细致入微，需要考虑盐腐蚀环境影响的结构强度、门槛应力和腐蚀电偶、缝隙、摩擦、磨损等。例如，对于大尺寸及细观结构，采用有限元模拟等简约经济的方法对衡量结构构型进行初步选型较为可取，而单纯基于数值模拟结果选型结构构型的方法则需要商榷。因为工程材料几乎都具有点、线、面、体缺陷及各向异性[8]，数值模型中均匀化假设等在工程应用材料中并不存在，且对材料结构系统寿命功能性能有显著影响的多种盐离子、极性分子、原子氢、高能光量子等环境损伤因子无法真实融合于数值模型中。由此可知，在盐腐蚀环境适应性工程的结构选型中，初步选型的结构必须通过实验室模拟环境或真实环境试验验证，以及进行可能的失效分析，因此，定型及交付服役前飞行器装备出现非过失盐腐蚀故障失效的现象是“一次成功”的一个常见环节。此外，盐腐蚀环境适应性工程的结构选型必须利用盐腐蚀专业知识进行逻辑构筑，才能避免或更少出现初步结构选型引入的盐腐蚀故障、失效或失利。

2.1.3 工艺选型

飞行器装备结构加工、连接、装配、热处理、表面处理等方法都属工艺范畴，因此为获取优异的盐腐蚀环境适应性，工程结构必须合理选型工艺路径。

a）酸洗工艺因其成本低且外观光洁等优点，目前在一些领域仍在大规模应用。但从表1 可知酸洗引入的氢原子或氯离子等易导致飞行器装备常用的高强钢、不锈钢、铝合金及铝基复合材料、碳基复合材料等结构发生盐腐蚀失效，而以上结构常用作飞行器装备的发动机、芯体主轴、关重件、壳体等，故应谨慎或避免选用酸洗工艺。

b）飞行器装备结构生产过程中，局部不可避免会出现残余应力及应力集中，在条件允许的情况下去应力退火工艺不应忽略，类似的还有氢脆敏感高强钢结构的烘氢工艺、表面盐氛残留结构的无损清洗工艺等，这些方法可有效提升飞行器装备的功能性能及延长其服役寿命。

c）为降低产品成本，盐腐蚀结构表面涂镀防护层工艺已广泛应用。目前，较难防护的依然是海洋环境特别是低纬度海域环境，其防护层同样采用阳极溶解型涂镀材料、耐蚀材料、疏水材料等，如石墨烯在防护层中的应用[9]。除防护层外，有些还要耦合阴极保护、缓蚀剂等工艺方法。尽管如此，尚且没有在设计寿命内对海洋环境服役的飞行器装备仅需涂镀一次的防护层。目前，美军航空母舰等也需要有计划开展维护，例如“尼米兹”级航空母舰每年都进行不同程度的维修，并且平均约3～5 年进行一次较大规模的维修[10]。

2.2 耦合评价

国（军）标、美（军）标等系统性梳理了环境试验技术，既有单因素试验评价方法，也有多因素耦合试验技术。多数标准注重单因素试验，而由于缺乏对装备失效机理、环境作用机制和环境损伤基因的客观认识，多因素耦合试验技术尚处“炒菜式”任意耦合阶段。综上所述，飞行器装备盐腐蚀是一个多因素协同作用的体系，因此其环境适应性评价需在多因素耦合作用下通过精准试验开展。

2.2.1 盐腐蚀环境损伤基因

盐腐蚀环境包括盐氛环境以及盐氛环境+力学环境，单纯力学环境不属此类。其中，盐氛与力学载荷耦合损伤的要义举例如下：

a）只有盐氛环境作用时，陶瓷、玻璃等因耐蚀性较强，不发生破坏，但在力学载荷协同作用下极性水分子则体现出陶瓷、玻璃的盐腐蚀环境损伤基因的特性，如玻璃在海洋大气等含水潮湿空气中的强度往往比真空中低三分之二[11]，类似地铁电陶瓷也出现断裂韧性降低的现象[12]。

b）只有盐氛环境（如盐水溶液）作用时，高强度钢内部发生氢蚀，原子氢是高强度钢盐腐蚀环境的损伤基因，进一步施加力学载荷则使高强度钢材料结构氢脆断裂，表明原子氢基因的损伤性极大增强[13]。

c）只有盐氛环境（如氯环境）作用时，奥氏体不锈钢、铝合金及铝基复合材料等只发生均匀腐蚀、点蚀等[14]，破坏相对不严重，这时Cl-是盐腐蚀环境损伤基因，若在力学载荷耦合作用下该类型材料结构会发生严重的应力腐蚀开裂或断裂，那么Cl-基因的损伤模式与损伤机理都发生了变化[15]。

d）盐氛+力学载荷耦合作用下，装备结构损伤所需的强度已大幅降低，有些已下降至室温空气环境的弹性应力范围，此时盐腐蚀环境损伤的应力基因不再是通常意义的断裂强度、原子键合力等，甚至有些已发生了韧脆转变，相应强度理论则不适用[16]。

综上所述，盐腐蚀环境损伤基因可概括为电负性粒子、原子分子、量子、应力等，如表2 所示。

表2 盐腐蚀环境损伤基因Tab.2 Salt Corrosion Environment Degradation Genes

2.2.2 盐腐蚀环境作用机制与试验方法

盐腐蚀环境具有多因素耦合的鲜明特点，因此存在各因素相互作用机制和环境因素作用于装备结构点、线、面、体缺陷的机制，其根本特征在于多因素耦合使环境损伤基因作用最大化，进而强化耦合损伤效应，以在相同机理下最优化开展环境适应性评价。例如，含氯盐雾环境中Cl-在干燥或湿度过大条件下的耦合损伤效应较弱、损伤程度未达到极大值，只有在适中温度、适中相对湿度条件下其腐蚀性最强，在此条件下开展试验评价则出现同机理加速因子峰值，原因在于盐氛环境与单纯湿度及湿热环境不同，当试件表面温度低至极限相对湿度的温度时，试件表面形成腐蚀性氯盐液膜，而发生盐腐蚀[17]。这种沉积氯盐溶解与试件表面温度、相对湿度之间的关系如图2 所示[17]。

图2 沉积氯盐溶解与试件表面温度、相对湿度之间的关系Fig.2 Relationship between Specimen Surface Temperature,Relative Humidity and Deposited Chloride Salt Deliquescence

在力学载荷方面，如上所述盐腐蚀环境损伤的应力基因通常处于较低量值区间，有些在盐腐蚀过程中已由韧变脆而不发生宏观与微观塑性变形，根据Irwin-Orowan 理论其失效断裂所需的力学载荷则大幅降低，且多是弹性小变形，那么试验时只需施加低量级力学载荷，否则会出现试验状态与实际状态机理不一致、模型预测偏差大的现象。研究表明，盐腐蚀环境适应性评价的可行技术路径是增强盐氛环境的腐蚀性，而非施加高量级力学载荷，例如开展不锈钢、铝合金结构海洋环境适应性评价时只需弹性力学载荷与较强腐蚀性盐氛耦合环境，其中316L 不锈钢构件断裂失效时间仅200～300 h，且与工程应用失效的机理一致，表明该高加速盐腐蚀环境的多因素耦合效应显著[2,15,18,19]。

2.2.3 盐腐蚀耦合评价方法

盐腐蚀环境适应性评价不是瞬时性或一段时间的短暂性适应评价，应针对系统、结构、构件或防护层等的设计寿命时限，不能缩短，也无需延长。同时，盐腐蚀环境适应性评价具有典型的预测性特点。例如，设计服役10 年的航空发动机的环境适应性可以通过1 年或更短时间的加速试验进行预测评价。另一方面，为获得精准性评价结果，盐腐蚀环境适应性评价通常采用多个参量，即评价一个系统、结构或构件时选用2 个以上相互佐证的参量开展耦合式评价。常用的环境适应性评价参数较多，主要包括飞行器装备功能性能及寿命的特征参量，如服役时间t（含疲劳周期N）、服役强度σ、疲劳应力σf、缺陷密度ρD、缺陷尺寸LD、点蚀深度dP、腐蚀面积SC、腐蚀失重Δm、腐蚀电流icorr、钝化膜破裂电位EOP、断裂韧性KIC、延伸率δ、断面收缩率ψ、氢浓度、含水量以及受盐腐蚀影响的装备飞行或行驶参数、命中精度、毁伤威力等服役功能性能特征参量。针对批量生产的飞行器装备系统、结构及构件材料，可以选取具有损伤性的参数进行评价。而单样本及小样本试件，必须采用无损性参数（如缺陷密度、缺陷尺寸、测试强度或应变等）开展评价，基于环境断裂（损伤）力学-化学-物理理论中实际服役环境致缺陷演化、强度弱化、寿命降低等规律，预测设计寿命的盐腐蚀环境适应性。换言之，在规定置信度下，当飞行器装备受盐腐蚀影响的功能性能及寿命特征参量的置信区间达到或高于设计要求时，评价为适应盐腐蚀环境，否则为不适应。由此可知，这种盐腐蚀环境适应性评价，既包含设计要求的置信度，更具有多参量耦合评价相互佐证的精准性。

2.3 失效分析

图3 盐腐蚀失效分析“六步法”Fig.3 Six-step Criterion on Salt Corrosion Failure Analysis

盐腐蚀失效分析与“一次成功”并不矛盾，相反以改进设计为目的的正确失效分析是“一次成功”的最后一道屏障。对于飞行器装备盐腐蚀失效，有利于正确的方法路径包括6 个步骤，统称为盐腐蚀失效分析“六步法”，如图3 所示[4,20]。

基于“六步法”的盐腐蚀失效分析过程中，最关键最耗时的一步是失效机理解析，也是盐腐蚀失效分析正确与否的根本所在。尽管飞行器装备失利、失效或故障，有时相应系统、结构或构件因发生燃烧、坠海等状况而丢失，但在盐腐蚀失效分析时也要深入研究失效现象和全生命周期的工况条件。找到原始系统、结构或构件，并基于全面数据进行腐蚀失效分析。在失效件丢失等特殊情况下，可以利用故障树分析方法，从整体到局部以及从局部到整体进行剖析，推测可能的盐腐蚀失效现象和工况条件，为解析失效机理奠定基础。

飞行器装备常见的应力腐蚀失效模式，目前从机理上可分为6 种类型，各类型应力腐蚀机理（Stress Corrosion Cracking，SCC）模型与微观基因的关系如表3 所示[4]。

表3 SCC 微观基因与机理模型的关系Tab.3 Relationship between Microscopic Genes and Mechanism Models on Stress Corrosion Cracking (SCC)

此外，飞行器装备系统、结构或构件的一次盐腐蚀失效有时同时包含5 种失效模式：应力腐蚀-过载断裂，缝隙或电偶腐蚀-应力腐蚀，均匀或局部腐蚀-氢脆-氢致开裂，点蚀或表面缺陷-应力腐蚀-过载断裂，均匀或局部腐蚀—腐蚀疲劳等。工程上，常用断口形貌、缺陷分布、能谱或光谱等解析盐腐蚀失效机理[4]，初步形成系统、结构或构件失效机理的客观理性认识。

然后，应基于解析形成的盐腐蚀失效机理开展材料、结构或系统层级试验（批量生产和必要时也可对全系统开展盐腐蚀试验），以确认失效机理是否正确。当再次出现相同盐腐蚀机理原因的失效现象时，即可确定盐腐蚀失效机理原因。进一步地，基于确定的盐腐蚀失效机理，开展材料、结构、工艺等选型设计，并进行盐腐蚀环境适应性耦合试验评价，验证选型设计的合理性。

3 盐腐蚀环境适应性发展展望

虽然目前针对盐腐蚀失效的研究已有成熟理论、方法、技术、应用等方面的成果，但盐腐蚀环境适应性仍不能满足当前及未来需求和工程需要。因此，盐腐蚀环境适应性亟待发展。首先，盐腐蚀环境适应性的研究要遵循客观规律；其次，要瞄准专业发展方向，盐腐蚀早现于飞行器等大尺寸工程装备[1]，而作用机制则关联于微观基因，因此盐腐蚀环境适应性专业发展方向也主要分为两个方面：

a）大尺寸及细观层次的应用，例如多层级系统装备盐腐蚀环境适应性选型设计方法、高加速高通量评价与失效分析技术应用等；

b）微纳尺度机理与预测模型，例如多离子及原子作用下纳米尺度电偶对脆化解理基因解析与预测模型构建等。再次，发展盐腐蚀环境适应性要突破损伤范畴，盐腐蚀是一种损伤现象，但可以基于损伤规律开展无损评价。针对单样本或小样本试件盐腐蚀环境适应性无损试验评价的需求，首先要选用无损性可测试参量（如本征缺陷密度、本征缺陷尺寸、本征强度或本征应变等），然后基于环境断裂（损伤）力学-化学-物理理论中相应盐腐蚀环境致缺陷演化、强度弱化、寿命降低等的预测模型，凝练飞行器装备盐腐蚀环境适应性无损试验评价的新技术、新方法。