航空電子設備服役環境適應性分析

張娜，鄭修鵬，李笑塵

（海軍航空大學 青島校區，青島 266041）

引言

隨著中國海洋戰略的提出，越來越多的機場被部署在沿海或者沿海附近的島嶼等環境下來保障我國的安全穩定。但是我國沿海及沿海附近島嶼地區的氣候環境多變，有的機場所處的區域氣候是亞熱帶海洋性氣候區，高溫、高濕和高鹽霧則是這些地區的主要特點，因而使得我國部署在該地區的航空裝備面臨著嚴重的腐蝕威脅[1-3]。機載航空電子干擾設備作為特殊的作戰單元，其服役環境與其載機相同，因而其在服役過程中同樣面臨腐蝕問題，尤其在海洋性服役環境下，服役一定周期后，經過機場環境與海洋性三高環境作用，涂層體系易發生鼓泡、龜裂，更有甚直接剝落，喪失防護作用，易誘發設備結構材料腐蝕與設備電氣故障，降低設備完好率，進而引發安全問題。

涂裝有機涂層是保護機載航空電子設備最直接有效的方式，通常備選的有機涂層在正式選用之前，需通過國軍標的標準考核試驗考核。除此之外，為配合機載電子干擾設備的維修周期及壽命評定，備選的涂層還需經過模擬服役環境的多個日歷年下的長周期考核試驗。此種試驗若采用外置涂層試件于服役機場環境自然腐蝕，則試驗周期較長，通常不能夠滿足型號研制周期需求，因而通常采用模擬服役環境的仿真加速腐蝕試驗方法開展[4,5]。本文以某型機載電子干擾設備新型電泳有機涂層為研究對象，采用實驗室仿真加速腐蝕試樣方法，開展該涂層試件的加速腐蝕試驗，采用宏觀觀測與電化學阻抗譜分析技術[6,7]，對其一定服役周期下耐蝕性進行試驗分析與評估。

1 新型涂層試驗件

海洋環境中使用的常規防腐蝕涂料有氯化橡膠涂料、丙烯酸涂料、聚氨酯涂料和氯磺化聚乙烯涂料等，其中富鋁涂料由于既能對金屬起到電化學保護作用，又由于其腐蝕產物能夠封閉漆膜的毛細孔，起到進一步抑制腐蝕的作用，因而在海洋性環境下使用較普遍，本文選用某型 Al 基涂料與納米 Ce元素進行復合而得到的新型防腐涂層，基材試件為Q235鋼，基材鋼材采用240-3000 號砂紙水磨后，再進行拋光處理，然后采用浸涂離心的方法將基材鋼材涂覆均勻光滑，最后將涂敷涂層體系的Q235鋼試件在干燥箱內進行2 h、 60 ℃干燥處理。

涂層試件加工后，必須清除試件表面的油污：可用無水乙醇洗滌兩次，再用蒸餾水或去離子進行沖洗，熱風吹干。清洗后利用干燥箱或者自然干燥，對試驗件外觀形貌進行檢查、拍照，查驗試驗件表面原始狀態有無損傷，包括涂層是否起泡、起皺、脫落和開裂等。

試件原貌如圖1所示。試件尺寸單位為cm。

后續共進行8個當量腐蝕年限下的仿真加速腐蝕試驗，每個周期需要5個同批次試件，則試件總數為40個。為了保證后續試驗過程中不致發生試件混淆，腐蝕試驗前，需對試件進行分組與編號。將40個同批次試件隨機分8組。編號按以下原則進行，采用xx-yy表示，其中，xx表示當量腐蝕年限，取值在00至08之間，yy表示各個當量腐蝕年限下各個具體試件，取值在00至05之間，如06-05則表示第6個當量腐蝕年限下第5個試件，以此類推。

2 試驗方案及實現

2.1 仿真加速腐蝕試驗

依據文獻[4]、[5]中方法，采用仿真加速腐蝕試驗環境譜開展涂層試件加速腐蝕試驗。該環境譜在編制過程中，充分考慮機載航空電子干擾設備實際使用環境，即停放環境為沿海機場環境，飛行環境為低空海洋性環境，所以仿真加速腐蝕試驗環境譜兼具有高溫/高濕/酸性介質浸泡特點，環境譜的具體組成包括三部分：①酸性NaCl溶液浸泡環境：在濃度為5 %的NaCl溶液中加入稀H2SO4，使溶液的pH=（4.0±0.2），浸泡溶液溫度T=（40±2）℃；②烘烤環境：空氣相對濕度不小于90 %，溫度T=（40±2）℃；③紫外照射環境：輻照溫度T=55 ℃，輻照強度：K=60 W/m2，輻照24 h相當于外場輻照一年。

仿真加速腐蝕試驗環境譜的作用強度如圖2所示。當量腐蝕1年在如圖2所示的環境條件下干濕交變150次，其中每次浸泡4 min，烘烤8 min，周期浸潤當量加速腐蝕1年的試驗時間為30 h，紫外照射24 h，即該型涂層體系試件在試驗箱中加速腐蝕試驗環境譜中作用54 h產生的腐蝕損傷程度與腐蝕損傷機理，與其實際真實服役環境下使用1年的腐蝕損傷等效。

腐蝕試驗完成后，用蒸餾水沖洗試件，干燥后取樣保留，進行拍照，用于宏觀形貌觀測，然后用KH-7700三維顯微鏡或者XTZ-E體式顯微鏡進行觀察，若發現明顯腐蝕痕跡（如腐蝕斑點、微小蝕孔、表面鼓包等），則精確測量腐蝕損傷尺寸，并附以顯微鏡的數碼放大照片。

圖1 Q235鋼材料涂層試件原貌

2.2 標準三電極電化學試驗

在每個周期實驗結束后隨機選取各個腐蝕周期下單個試件進行電化學檢測，即將該預腐蝕試件進行電化學測試，測試設備采用PARSTAT 4000電化學工作站，如圖3所示。將所選預腐蝕試件磨出一個接導線部位，并將參比電極（鉑電極）、輔助電極（飽和甘汞電極）放到合適位置，試驗溶液的濃度為3.5 %的氯化鈉溶液，開機測試直到試驗件開路電壓穩定后，再測阻抗譜相關數據，其中電化學阻抗譜測試時采用的正弦擾動信號的幅值為10 mV，實驗過程中的阻抗譜測試頻率我們選取0.01 Hz至100 000 Hz，導出原始數據并分析試驗件的基本特征參數，選擇合適的等效電路進行數據擬合得到涂層電阻的變化規律來分析本次試驗件的涂層失效過程。

3 試驗結果與電化學阻抗技術分析

3.1 試件腐蝕損傷形貌

每個腐蝕周期后對試件形貌進行觀測，如圖4所示。相關定性描述如表1所示。典型腐蝕損傷形貌如圖5所示。

3.2 試件電化學阻抗技術分析

部分腐蝕周期后電化學試驗得到的Nyquist圖和Bode 圖，如圖6所示。

圖2 仿真加速腐蝕試驗環境譜

圖3 電化學測量過程示意圖

圖4 典型周期宏觀腐蝕形貌

表1 涂層試件腐蝕損傷狀態描述

圖5 典型周期腐蝕形貌

圖6 2當量腐蝕年限下涂層電化學測試數據

綜合各個腐蝕年限下電化學測試數據，如圖7所示。從中我們可以得到一定的涂層腐蝕狀態信息的變化，初始狀態下電泳涂層的Nyquist圖呈現出單個容抗弧，其低頻下的阻抗模值|Z|0.1 Hz為1.9×105Ω·cm2。而隨著腐蝕周期的延長，從第2周期開始，我們可以發現容抗弧的半徑發生了較大的變化，Nyquist中可以觀察到了兩個容抗弧半徑。從第4周期到第8周期，在（a）可以看到半徑變化逐漸緩慢，在低頻區可以觀察到擴散阻抗尾，其曲線尾與x軸成大約45 °角，第2周期的低頻下的阻抗模值|Z|0.1 Hz為7.2×104Ω·cm2，第8周期時低頻下的阻抗模值|Z|0.1 Hz為1.3×104Ω·cm2。這說明電泳涂層腐蝕在腐蝕后期，發生的腐蝕反應為擴散腐蝕，涂層喪失防護能力。

圖7 2當量腐蝕年限下涂層電化學測試數據

4 結論

本文開展新型機載電子干擾設備新型涂層試件模擬服役環境仿真加速腐蝕試驗和預腐蝕后電化學試驗，得到涂層腐蝕形貌演變規律和電化學基本特性容抗、阻抗參數演變規律。主要結論如下：

1）腐蝕形貌觀測發現，在前4個腐蝕周期時，涂層輕微變色，之后涂層表面就發生了許多涂層的剝落和邊角涂層脫落，與初始試驗件的色差相差較大，至第8個腐蝕周期時，涂層腐蝕脫落嚴重；

2）電化學阻抗技術分析發現，隨著腐蝕周期延長，電化學基本特性容抗、阻抗參數都分別減小，說明隨著腐蝕進行，涂層逐漸喪失防護功能；

3）總結上述兩種試驗，能夠驗證隨著腐蝕的進行，涂層宏觀腐蝕形貌與其電化學性能的演變行為較為一致。