直升機(jī)非金屬材料高原高寒加速腐蝕老化試驗(yàn)研究

季佳，高蒙，崔騰飛，張曉娟，孫志華

（1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 通用技術(shù)部，景德鎮(zhèn) 333001；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

引言

直升機(jī)在運(yùn)輸、救援、醫(yī)療救護(hù)等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，其使用場(chǎng)景多變，服役區(qū)域復(fù)雜，會(huì)面臨各種復(fù)雜環(huán)境條件[1]。尤其是沿海環(huán)境、砂塵環(huán)境、低溫環(huán)境、高太陽輻射環(huán)境[2]，對(duì)直升機(jī)的損傷尤為突出，隨著直升機(jī)的服役環(huán)境越來越惡劣，對(duì)直升機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性也提出了更高的要求[3]，要能在綜合嚴(yán)酷環(huán)境中保持其飛行和任務(wù)使命要求，并在服役期內(nèi)具有持續(xù)穩(wěn)定的環(huán)境適應(yīng)性，保持優(yōu)良的出勤率和任務(wù)效能[4,5]。

在考核直升機(jī)環(huán)境適應(yīng)性能力時(shí)，為了縮短周期、減少費(fèi)用、提高時(shí)效性，有些國家采用加速試驗(yàn)的方法來進(jìn)行研究[6-8]。20世紀(jì)80年代，北大西洋公約組織（NATO）開展了相關(guān)的腐蝕疲勞試驗(yàn)研究[9,10]。而美國國防部制定了涂層加速試驗(yàn)環(huán)境譜及試驗(yàn)程序（CASS譜），并闡述其加速試驗(yàn)環(huán)境譜的編制方法[11]。國內(nèi)一些學(xué)者也對(duì)直升機(jī)加速試驗(yàn)環(huán)境譜開展了相關(guān)研究[12,13]，但是研究主要集中在對(duì)海洋腐蝕環(huán)境的分析及加速環(huán)境譜的構(gòu)建，而針對(duì)高原高寒環(huán)境的加速試驗(yàn)方法研究較少。直升機(jī)在高原高寒地區(qū)服役時(shí)，將暴露于低溫、高紫外的嚴(yán)酷環(huán)境中，對(duì)非金屬材料的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響[14,15]。尤其是橡膠、密封劑等材料在高原高寒環(huán)境下的性能，對(duì)直升機(jī)密封、隔離效果起著重要的作用。

本文根據(jù)高原高寒地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，采用某型直升機(jī)實(shí)際使用的橡膠和密封劑材料，編制直升機(jī)高原高寒加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室加速環(huán)境試驗(yàn)和自然環(huán)境試驗(yàn)，對(duì)所編制的加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜進(jìn)行驗(yàn)證，為其在直升機(jī)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性考核中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜的設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象的環(huán)境失效模式

橡膠、密封劑、有機(jī)涂層、膠粘劑等均屬于有機(jī)高分子材料，它們?cè)谧匀淮髿猸h(huán)境中的損傷主要是由太陽輻射、高溫、低溫、濕熱以及機(jī)械作用等引起的老化，高分子材料的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一系列變化，物理性能也會(huì)相應(yīng)變差，如發(fā)硬、發(fā)黏、變脆、變色、失去強(qiáng)度等。

1.2 加速腐蝕老化試驗(yàn)譜的譜塊結(jié)構(gòu)

雖然完全模擬直升機(jī)停放、飛行順序中的環(huán)境、載荷歷程的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法是最可信的，但在技術(shù)上無法實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)實(shí)際溫度、濕度、紫外輻照、載荷等的時(shí)間歷程分別進(jìn)行加速而得到溫濕度、紫外老化、加載等環(huán)境譜塊，則可以較為容易地解釋和評(píng)定各個(gè)譜塊試驗(yàn)結(jié)果以及各個(gè)譜塊的疊加效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象的有效評(píng)價(jià)。

最早提出環(huán)境譜概念的是美國海軍航空兵，編制了針對(duì)F-18飛機(jī)帶涂層結(jié)構(gòu)的加速試驗(yàn)環(huán)境譜（簡稱CASS譜）。該譜主要模擬F-18在亞熱帶沿海地區(qū)服役的環(huán)境，1個(gè)加速試驗(yàn)周期包含濕熱暴露、紫外照射、熱沖擊、低溫疲勞、鹽霧等5個(gè)環(huán)境譜塊，可認(rèn)為一個(gè)試驗(yàn)周期可當(dāng)量外場(chǎng)使用1年。其作用順序基本與使用情況基本相符，主要反映了飛機(jī)停放時(shí)，早晚多受高濕、鹽霧作用，白天受紫外輻射、熱沖擊及載荷作用的實(shí)際情況。在編制直升機(jī)高原高寒加速試驗(yàn)環(huán)境譜時(shí)，參考了CASS譜，并根據(jù)直升機(jī)的高原高寒環(huán)境特點(diǎn)和環(huán)境效應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以建立適用于直升機(jī)典型非金屬材料的實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)環(huán)境譜，具體譜塊構(gòu)成如圖1所示。

2 加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜編制

2.1 低溫試驗(yàn)譜塊

典型高原、高寒環(huán)境的年平均最低溫度為-14.7 ℃，且在12月、1月、2月等三個(gè)月月平均最低溫度達(dá)到了-35 ℃以下，歷史數(shù)據(jù)中，漠河地區(qū)出現(xiàn)極寒天氣時(shí)的溫度更達(dá)到了-52.3 ℃，考慮到誘發(fā)效應(yīng)，本項(xiàng)目取整在-55 ℃下進(jìn)行低溫試驗(yàn)。由典型非金屬材料的老化機(jī)理環(huán)境失效模式可知，對(duì)于典型橡膠、密封劑和連接件來說，它們的低溫環(huán)境效應(yīng)并不具備顯著的累積效應(yīng)，因此，參考GJB 150.4A-2009中的相關(guān)規(guī)定，選擇進(jìn)行72 h（3天）的低溫貯存試驗(yàn)。

圖1 直升機(jī)高原高寒加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜的譜塊結(jié)構(gòu)

2.2 濕熱暴露試驗(yàn)譜塊

由表實(shí)際環(huán)境參數(shù)可知，典型高原、高寒環(huán)境地面停放環(huán)境譜的月平均溫度僅在4月份至10月份期間略在10 ℃以上，濕熱環(huán)境效應(yīng)才起作用，因此，取4月份至10月份期間的平均溫度13.8 ℃和平均相對(duì)濕度61.3 %作為典型高原、高寒環(huán)境的平均溫度和平均相對(duì)濕度。

對(duì)于金屬來說，目前多以溫度T=40 ℃、濕度R.H.=95 %的潮濕空氣作為標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣，然后依據(jù)電化學(xué)腐蝕反應(yīng)中腐蝕電量Q相等的準(zhǔn)則，引入基于腐蝕電流比較的折算系數(shù)概念，計(jì)算不同溫度和濕度潮濕空氣之間的折算系數(shù)；而本項(xiàng)目加速腐蝕老化試驗(yàn)譜主要針對(duì)典型非金屬材料及連接件的自然老化效應(yīng)進(jìn)行再現(xiàn)，因此對(duì)于橡膠、密封劑、復(fù)合材料、防護(hù)涂層、膠接結(jié)構(gòu)等聚合物來說，主要根據(jù)不同濕熱環(huán)境下的吸濕擴(kuò)散速率或不同濕熱環(huán)境下的濕熱效應(yīng)試驗(yàn)給出加速吸濕（老化）的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算加速因子，見式（1），這種方法對(duì)本項(xiàng)目的研究對(duì)象來說較為適用。

式中：

K—時(shí)間加速系數(shù)；

t1—實(shí)際暴露時(shí)間；

t2—加速后的時(shí)間；

T1φ1—實(shí)際暴露的溫度（℃）和相對(duì)濕度（%）；

T2φ2—加速環(huán)境的溫度（℃）和相對(duì)濕度（%）；

C—試驗(yàn)系數(shù)，當(dāng)T2≤60 ℃時(shí)，C=46.1。

取實(shí)際暴露的溫度T1為典型高原、高寒環(huán)境的平均溫度13.8 ℃，取實(shí)際暴露的相對(duì)濕度φ1為典型高原、高寒環(huán)境的年平均相對(duì)濕度為61.3 % R.H.，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇加速環(huán)境溫度T2=38 ℃、加速環(huán)境相對(duì)濕度φ2=85 % R.H.的濕熱暴露試驗(yàn)條件，則根據(jù)式（1）計(jì)算得到的時(shí)間加速系數(shù)K=55.8，即：在典型高原、高寒環(huán)境中暴露7個(gè)月（4月份至10月份期間，t1=5 136 h）的濕熱環(huán)境效應(yīng)需要通過溫度為30 ℃、相對(duì)濕度為95 %R.H.加速濕熱試驗(yàn)t2= t1/K=5 136 h/55.8=92 h來進(jìn)行再現(xiàn)，出于加嚴(yán)考慮，實(shí)際進(jìn)行濕熱試驗(yàn)時(shí)可將92 h取整為4天。

2.3 紫外照射試驗(yàn)譜塊

典型高原、高寒環(huán)境年平均太陽總輻照量為7 459.1 MJ/m2，在全國各地區(qū)中處于較高水平，按拉薩地區(qū)年平均紫外輻射量占太陽總輻射量的比例η=4 %計(jì)算，典型高原、高寒環(huán)境的年平均紫外輻射量Qz=7 459.1 MJ/m2×4 %=298.4 MJ/m2。假設(shè)每次飛行所接受的太陽輻射量占全天太陽輻射量的二分之一，那么在典型高原、高寒環(huán)境中暴露1年的紫外輻射效應(yīng)需要通過輻照強(qiáng)度為60 W/m2的紫外照射試驗(yàn)Qz×106/(60×3 600) ×150/365×1/2=284 h（約12天）來進(jìn)行再現(xiàn)。

2.4 加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜

根據(jù)以上分析，最終編制的直升機(jī)高原高寒加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜如圖2所示。

3 試樣材料及試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)材料及尺寸

選用8360三元乙丙橡膠和HM119室溫硫化聚硫密封劑作為試驗(yàn)材料，進(jìn)行加速腐蝕老化試驗(yàn)，試樣尺寸如圖3所示。

圖2 直升機(jī)高原高寒加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜

3.2 試驗(yàn)方法

采用所編制的加速腐蝕老化試驗(yàn)環(huán)境譜對(duì)橡膠板和密封劑板進(jìn)行1周期的加速腐蝕試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)后材料的形貌和性能進(jìn)行檢測(cè)。

3.2.1 外觀

參考 GB/T 1766對(duì)試驗(yàn)件表面的光澤、顏色、粉化，開裂、斑點(diǎn)等缺陷的形態(tài)、分布和程度進(jìn)行評(píng)價(jià)和記錄。

3.2.2 檢測(cè)項(xiàng)目

硬度、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率、T型剝離強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能的檢測(cè)按照表1所列的檢測(cè)條件進(jìn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 8360三元乙丙橡膠試驗(yàn)結(jié)果

圖4所示為試驗(yàn)前及加速腐蝕老化試驗(yàn)、拉薩站暴露試驗(yàn)、漠河站暴露試驗(yàn)后，8360橡膠的宏觀形貌。從圖中可以看出，試驗(yàn)前后外觀形貌變化不大，整個(gè)表面較為完整，均無明顯的環(huán)境損傷。但是，經(jīng)過外場(chǎng)暴露試驗(yàn)后，試樣表面顏色更淺，這可能跟紫外強(qiáng)度變化有關(guān)。

8360 材料試樣經(jīng)過加速腐蝕老化試驗(yàn)、拉薩站暴露試驗(yàn)、漠河站暴露試驗(yàn)后，按ASTM D2240-15進(jìn)行硬度測(cè)試，每種材料包含3個(gè)平行試樣，每個(gè)試樣測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，經(jīng)過1周期的加速試驗(yàn)和漠河外場(chǎng)暴露后，8360的硬度基本沒有變化，拉薩外場(chǎng)暴露后硬度略有降低，但是降低的程度不大。

8360 材料試樣經(jīng)過加速腐蝕老化試驗(yàn)、拉薩站暴露試驗(yàn)、漠河站暴露試驗(yàn)后，按照ASTM D412-16進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，每種材料包含3個(gè)平行試樣，每個(gè)試樣測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，經(jīng)過1周期的加速試驗(yàn)，8360的拉伸強(qiáng)度基本沒有變化；經(jīng)過拉薩外場(chǎng)暴露和漠河外場(chǎng)暴露后拉伸強(qiáng)度略有升高，但是升高的程度不大。

8360 材料試樣經(jīng)過加速腐蝕老化試驗(yàn)、拉薩站暴露試驗(yàn)、漠河站暴露試驗(yàn)后，按照ASTM D412-16進(jìn)行扯斷伸長率測(cè)試，每種材料包含3個(gè)平行試樣，每個(gè)試樣測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，經(jīng)過1周期的加速試驗(yàn)，8360的扯斷伸長率基本沒有變化；經(jīng)過拉薩外場(chǎng)暴露和漠河外場(chǎng)暴露后扯斷伸長率略有升高，但是升高的程度不大。

4.2 HM119室溫硫化聚硫密封劑試驗(yàn)結(jié)果

圖8所示為試驗(yàn)前及加速腐蝕老化試驗(yàn)、拉薩站暴露試驗(yàn)、漠河站暴露試驗(yàn)后，8360橡膠的宏觀形貌。從圖中可以看出，試驗(yàn)前后外觀形貌變化不大，整個(gè)表面較為完整，均無明顯的環(huán)境損傷。

圖3 試驗(yàn)件尺寸

表1 試樣力學(xué)性能檢測(cè)條件

圖4 8360三元乙丙橡膠試驗(yàn)前后宏觀形貌

圖5 8630典型橡膠材料試驗(yàn)前后硬度

圖6 8630典型橡膠材料試驗(yàn)前后拉伸強(qiáng)度

圖7 8630典型橡膠材料試驗(yàn)前后扯斷伸長率

HM119材料試樣經(jīng)過加速腐蝕老化試驗(yàn)、拉薩站暴露試驗(yàn)、漠河站暴露試驗(yàn)后，按ASTM D2240-15進(jìn)行硬度測(cè)試，每種材料包含3個(gè)平行試樣，每個(gè)試樣測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，經(jīng)過1周期的加速試驗(yàn)、漠河外場(chǎng)暴露、拉薩外場(chǎng)暴露后，HM119的硬度略有上升，加速試驗(yàn)后的硬度略高與外場(chǎng)暴露試驗(yàn)后，但是總體差距不大。

HM119材料試樣經(jīng)過加速腐蝕老化試驗(yàn)、拉薩站暴露試驗(yàn)、漠河站暴露試驗(yàn)后，按照ASTM D412-16進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，每種材料包含3個(gè)平行試樣，每個(gè)試樣測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，經(jīng)過1周期的加速試驗(yàn)、拉薩外場(chǎng)暴露和漠河外場(chǎng)暴露后，HM119的拉伸強(qiáng)度均下降，而且加速試驗(yàn)和暴露試驗(yàn)后的拉伸強(qiáng)度基本相當(dāng)。

HM119材料試樣經(jīng)過加速腐蝕老化試驗(yàn)、拉薩站暴露試驗(yàn)、漠河站暴露試驗(yàn)后，按照ASTM D412-16進(jìn)行 扯斷伸長率測(cè)試，每種材料包含3個(gè)平行試樣，每個(gè)試樣測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。從圖中可以看出，經(jīng)過1周期的加速試驗(yàn)、拉薩外場(chǎng)暴露和漠河外場(chǎng)暴露后，HM119的扯斷伸長率有所下降，但是下降的程度基本相當(dāng)，拉薩站試驗(yàn)件的扯斷伸長率略低。

圖8 HM119室溫硫化聚硫密封劑試驗(yàn)前后宏觀形貌

圖9 HM119室溫硫化聚硫密封劑試驗(yàn)前后硬度

圖10 HM119室溫硫化聚硫密封劑試驗(yàn)前后拉伸強(qiáng)度

圖11 HM119室溫硫化聚硫密封劑后扯斷伸長率

5 結(jié)果分析

橡膠、密封劑等均屬于有機(jī)高分子材料，它們?cè)谧匀淮髿猸h(huán)境中的損傷主要包括太陽輻射、高溫、低溫、濕熱以及機(jī)械作用等，會(huì)發(fā)生硬化、發(fā)黏、變脆、變色、失去強(qiáng)度等。因此，在編制時(shí)主要關(guān)注了低溫、太陽輻射、濕熱的影響，忽略了其他他非關(guān)鍵因素。采用直升機(jī)典型橡膠材料和密封劑材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕老化試驗(yàn)。8360三元乙丙橡膠與HM119硫化聚硫密封劑經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕老化試驗(yàn)與自然環(huán)境暴露試驗(yàn)露天暴露1年后，橡膠和密封劑試樣的表面未出現(xiàn)鼓泡、裂紋、發(fā)粘等外觀變化，材料硬度、拉伸強(qiáng)度及扯斷伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)基本相同，2種材料目前對(duì)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性良好。8630典型橡膠材料和HM119室溫硫化聚硫密封材料經(jīng)過試驗(yàn)室加速試驗(yàn)后硬度、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率與外場(chǎng)實(shí)際暴露后基本相同、變換規(guī)律一致。

6 結(jié)論

1）編制的高原高寒腐蝕老化加速試驗(yàn)環(huán)境譜包含低溫、濕熱、紫外三個(gè)譜塊，材料性能退化加速試驗(yàn)與外場(chǎng)暴露試驗(yàn)差別控制在8 %以內(nèi)，涵蓋高原高寒地區(qū)環(huán)境損傷的關(guān)鍵要素，加速試驗(yàn)環(huán)境譜構(gòu)建基本合理；

2）8630 典型橡膠材料經(jīng)過試驗(yàn)室加速試驗(yàn)和外場(chǎng)暴露試驗(yàn)后，基本沒有發(fā)生老化、腐蝕現(xiàn)象，表面形貌變化不大，且硬度、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率基本保持不變，該材料目前對(duì)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性良好；

3）HM119室溫硫化聚硫密封材料經(jīng)過試驗(yàn)室加速試驗(yàn)和外場(chǎng)暴露試驗(yàn)后，基本沒有發(fā)生老化、腐蝕現(xiàn)象，表面形貌變化不大，且硬度略有上升、拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率略有下降，但變化較小不影響材料性能，該材料目前對(duì)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性良好；

4）編制的高原高寒腐蝕老化加速試驗(yàn)環(huán)境譜包含低溫、濕熱、紫外三個(gè)譜塊，涵蓋高原高寒地區(qū)環(huán)境損傷的關(guān)鍵要素，加速試驗(yàn)環(huán)境譜構(gòu)建基本合理；8630典型橡膠材料和HM119室溫硫化聚硫密封材料經(jīng)過試驗(yàn)室加速試驗(yàn)后硬度、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率與外場(chǎng)實(shí)際暴露后基本相同、變換規(guī)律一致。