模拟舰载平台多元环境因素耦合作用的加速试验方法

摘要

本发明属于环境工程与试验技术领域，涉及模拟舰载平台多元环境因素耦合作用的加速试验方法；按照舰载平台环境中服役的固定连接结构的连接方式、组成材料、材料规格、防护体系，制备固定连接结构试验件，使其经历如下4个阶段的循环试验并确定适当的实验室加速试验的时间；本发明采用引入多元环境因素的实验室环境试验方法来重现舰载平台环境对固定连接结构的作用，综合考虑了湿热、紫外辐射、低温载荷、盐雾等对固定连接结构的破坏效果，较好地模拟了固定连接结构受环境因素影响的过程，为能更准确、快速地评价、预估舰载机固定连接结构在环境因素耦合作用下的腐蚀性能提供了实验室加速试验方法。

说明书

技术领域

本发明属于环境工程与试验技术领域，涉及模拟舰载平台多元环境因素耦合作用的加速试验方法，适用于在实验室快速重现环境因素对舰载机固定连接结构的耦合作用。

背景技术

长时间暴露于自然环境中，飞机机体结构在温度、湿度、太阳辐照、氯离子等各种环境因素的作用下容易发生腐蚀(老化)。由于材料种类、表面状态、连接方式等存在差异，各种结构在特定的自然环境条件下的腐蚀规律不尽相同。

为了掌握飞机典型结构在特定环境中的腐蚀规律，通常需要开展长时间的户外暴露试验。开展此项工作，需要将制备的各类典型材料试片、结构试件投放在自然环境试验站点，定期取样观察、测试，从而系统积累相关腐蚀数据。自然环境试验的优点是直接、真实，但同时也存在周期长、成本高、试样易遗失、极端自然环境下管理难度大、试验资源紧缺等缺点，为试验的开展造成了较大的阻碍。

在此背景的促使下，许多研究机构纷纷进行技术创新，努力提升实验室环境试验方法对所模拟的环境因素的重现精度。此外，随着对典型材料、结构腐蚀失效机理地深入探究，实验室加速试验方法的功能也由单因素模拟向多因素耦合模拟的方向发展。

舰载平台环境具有高温、高湿、高盐、高辐照强度、高风速、干湿交替频繁等特征。目前，国内外针对舰载平台环境的模拟加速试验方法仍以单项环境因子为主，如盐雾试验、周期浸润试验、腐蚀性气体试验等。然而，这些加速试验方法缺乏针对不同环境因子间耦合作用的重现，因此，对舰载平台环境的模拟性并不理想。另一方面，大多数模拟加速试验方法仅能针对材料级别试验样品(材料试片)进行环境试验，无法用于评价结构级别试验样品(结构试件)的腐蚀性能。总体来说，目前缺少针对舰载平台环境特点进行有效模拟的实验室加速试验方法。因此，建立一种面向舰载平台环境、面向结构试件的模拟多元环境因素耦合作用的实验室加速试验方法是合理的技术选择。

发明内容

本发明的目的是提供一种较为贴近实际舰载平台环境、可在实验室条件下重现多元环境因素耦合作用的加速试验方法。

为了达到本发明的目的，采取的技术解决方案是：在试验方法中，按顺序设置湿热试验、紫外辐照试验、低温疲劳试验、盐雾试验等步骤，以重现温度、湿度、紫外辐照、疲劳、盐雾等环境因素的耦合作用；以固定连接结构试验件的力学性能(如抗拉强度、疲劳循环数等指标)作为评价实验室加速试验和舰载平台环境暴露对典型固定连接结构影响的参考依据，通过对比，优化实验室加速试验的时间设置。

本发明技术方案：模拟舰载平台多元环境因素耦合作用的加速试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照舰载平台环境中服役的固定连接结构的连接方式、组成材料、材料规格、防护体系，制备固定连接结构试验件，使其经历如下4个阶段的循环试验并确定适当的实验室加速试验的时间。

湿热阶段

将固定连接结构试验件放入已设置好温度和相对湿度的温度湿度试验箱内运行试验，温度湿度试验箱的温度为30℃～60℃，相对湿度为70％R.H.～95％R.H.，持续时间7天～14天，之后在2h之内转入紫外辐射阶段；

紫外辐射阶段

将经历湿热阶段的固定连接结构试验件放入已设置好紫外辐照强度和辐照温度的紫外老化箱内运行试验，紫外老化箱的紫外辐照强度为0.77～1.00W/m2@340nm，辐照温度为50℃～60℃，辐照持续时间为24h～7天，之后在2h内转入低温疲劳阶段；

低温疲劳阶段

将经历了紫外辐射阶段的固定连接结构试验件放入已设置好应力水平、循环数、温度的疲劳试验装置上运行试验，该阶段采用拉-拉疲劳的方法在试验件垂直方向上引入疲劳载荷，应力水平(σmax，σmin)为(55，10)～(110，20)MPa，循环数500次～5000次，温度为-30℃～-70℃，之后在2h之内转入盐雾阶段；

盐雾阶段

将经历低温疲劳阶段的固定连接结构试验件放入已设置好温度和盐雾沉降率的盐雾试验箱内运行试验，盐雾试验箱采用5wt.％NaCl的溶液进行连续喷雾，温度为33℃～37℃，盐雾沉降率为(1～2)mL/h·80cm2，连续喷雾的持续时间为7天～11天，得到模拟舰载平台多元环境因素耦合作用的加速试验件。

所述步骤①中温度湿度试验箱的温度、相对湿度、持续时间是根据舰载机固定连接结构的实际服役条件通过不同温度和湿度下潮湿空气之间的折算系数确定的预估值。

所述步骤②中的紫外辐照强度、辐照温度、持续时间是根据舰载机固定连接结构的实际服役条件通过总紫外线辐照量相等的方法确定的预估值。

所述步骤③中的应力水平、循环次数、温度是根据舰载机固定连接结构的实际服役条件通过等疲劳损伤原则当量折算方法确定的预估值。

所述步骤④中盐雾试验箱的温度、盐雾沉降率、持续时间是根据舰载机固定连接结构的实际服役条件通过基于金属电化学腐蚀规律的当量折算法确定的预估值。

所述步骤④后实验室加速试验时间的确定：对比固定连接结构试验件在实验室加速试验后和在舰载平台环境暴露1年后的力学性能，如果实验室加速试验的抗拉强度或疲劳循环数相对误差大于20％，同比例增加或减少试验时间，再重复湿热、紫外辐射、低温疲劳、盐雾试验等4个阶段的过程，直至抗拉强度或疲劳循环数达到为止。

所述实验室加速试验的抗拉强度或疲劳循环数是采用拉伸方法沿试验件长度方向引入静载荷或采用拉-拉疲劳的方法沿试验件长度方向引入疲劳载荷获得的，疲劳应力水平(σmax，σmin)为(55，10)～(110，20)MPa，拉伸或疲劳时的实验室温度为23±2℃。

所述步骤③中采用的疲劳试验装置应配备低温试验箱。

本发明采用引入多元环境因素的实验室环境试验方法来重现舰载平台环境对固定连接结构的作用，综合考虑了湿热、紫外辐射、低温载荷、盐雾等对固定连接结构的破坏效果，较好地模拟了固定连接结构受环境因素影响的过程，为能更准确、快速地评价、预估舰载机固定连接结构在环境因素耦合作用下的腐蚀性能提供了实验室加速试验方法。

具体实施方式

下面对模拟多元环境因素实验室加速试验、实验室加速试验时间确定等步骤做进一步说明。

按照舰载机固定连接结构的实际情况，选择典型连接方式、组成材料、材料规格、防护体系，并制备相应的固定连接结构试验件，试验件尺寸为301mm×80mm。使结构试件经历如下4个阶段的循环试验并确定适当的实验室加速试验的时间。

①湿热阶段

根据固定连接结构的实际服役条件，通过不同温度和湿度下潮湿空气之间的折算系数预估和设置适当的温度、相对湿度和湿热持续时间。典型湿热环境的温度为43℃，相对湿度为95％R.H.，30℃～60℃范围的其它温度也可，70％R.H.～95％R.H.范围的其它相对湿度也可；典型的湿热持续时间为12天，7天～14天范围的其它持续时间也可；具体试验时，将固定连接结构试验件放入已设置好温度和相对湿度的温度湿度试验箱内运行试验，待湿热时间到了之后在2h之内将固定连接结构试验件转入紫外辐射阶段。

②紫外辐射阶段

根据固定连接结构的实际服役条件，通过总紫外线辐照量相等的方法预估和在紫外老化箱上设置适当的紫外辐照强度、辐照温度、辐照持续时间。典型的紫外辐照强度和辐照温度为0.89W/m

③低温疲劳阶段

采用拉-拉疲劳的方法沿试验件长度方向引入疲劳载荷。根据固定连接结构的实际服役条件，通过等疲劳损伤原则当量折算方法预估和设置适当的低温疲劳应力水平、低温疲劳循环数和低温疲劳温度。典型的应力水平(σ

④盐雾阶段

去离子水和分析纯的NaCl配置5wt.％NaCl的盐雾溶液，在盐雾试验箱上调试盐雾沉降率为(1～2)mL/h·80cm

⑤实验室加速试验时间的确定

待盐雾试验时间到了之后，力学试验时，将试验件垂直放置，采用拉伸方法沿试验件长向引入静载荷，或采用拉-拉疲劳的方法沿试验件长向引入疲劳载荷，应力水平(σ

同步地，开展固定连接结构试验件的舰载平台环境暴露，待户外暴露完成后，同样采用拉伸方法沿试验件长向引入静载荷，或采用拉-拉疲劳的方法沿试验件长向引入疲劳载荷。

对比固定连接结构试验件在实验室加速试验后和在舰载平台环境暴露1年后的抗拉强度或疲劳循环数，并计算抗拉强度或疲劳循环数的相对误差。当实验室加速试验的抗拉强度或疲劳循环数相对误差大于20％时，同比例增加或减少湿热、紫外辐射、低温疲劳、盐雾试验时间，再重复湿热、紫外辐射、低温疲劳、盐雾等4个阶段的过程，直至达到抗拉强度或疲劳循环数要求为止。

实施例1

针对在舰载平台环境中服役的铝合金铆接结构，可根据其实际服役条件选取下列试验条件，并确定重现多元环境因素耦合作用所需的试验时间：

按照舰载平台环境中服役的某型预警机的铝合金铆接结构的连接方式(铆钉连接)、组成材料(2A97-T3铝锂合金、7050-T7451铝合金、YSA602-4×9扁圆头2A10铝铆钉)、材料规格(2A97-T3铝锂合金、7050-T7451铝合金薄板厚度1.5mm)、防护体系(硫酸阳极化+QH-15高防腐底漆+QFS-15面漆)，制备301mm×80mm×1.5mm的铝合金铆接结构试验件，共5件。使5件铝合金铆接结构试验件经历如下4个阶段的循环试验，确定适当的实验室加速试验的时间，并评价铝合金铆接结构试验件的腐蚀性能。

①湿热阶段

根据某型预警机铝合金铆接结构的实际服役条件，通过不同温度和湿度下潮湿空气之间的折算系数预估湿热阶段的温度为43℃，相对湿度为95％R.H.，湿热持续时间为12天。在Espec公司的GSL-10KA型温度湿度试验箱上设置43℃、95％R.H.的温度和湿度条件，待温度和相对湿度稳定到达后，将经历过低温老化阶段的5件铝合金铆接结构试验件迅速放入已设置好温度和湿度条件的温度湿度试验箱内，在43℃、95％R.H.的温度和湿度条件下稳定运行12天后，将5件铝合金铆接结构试验件迅速转入紫外辐射阶段。

②紫外辐射阶段

根据某型预警机铝合金铆接结构的实际服役条件，通过总紫外线辐照量相等的方法预估紫外辐射阶段的紫外辐照强度为0.89W/m

③低温疲劳阶段

根据某型预警机铝合金铆接结构的实际服役条件，通过等疲劳损伤原则当量折算方法预估低温疲劳阶段的低温疲劳应力水平为(110，20)MPa，低温疲劳循环数为500次，低温疲劳温度为-53℃。采用美国MTS公司的370型疲劳试验机进行疲劳试验，采用拉-拉疲劳的方法沿试验件垂直长向引入疲劳载荷。在疲劳试验机上设置(F

④盐雾阶段

根据某型预警机铝合金铆接结构的实际服役条件，通过基于金属电化学腐蚀规律的当量折算法预估盐雾阶段的温度为35℃，连续喷雾时间为11天。事先用去离子水和分析纯NaCl配置好5wt.％NaCl的盐雾溶液，并在盐雾试验箱上调试温度35℃，盐雾沉降率(1～2)mL/h·80cm

⑤实验室加速试验时间的确定

待盐雾试验完成后，疲劳试验时，将5件铝合金铆接结构试验件垂直放置，然后采用美国MTS公司的370型疲劳试验机进行疲劳试验，采用拉-拉疲劳的方法沿试验件长向引入疲劳载荷，应力水平为(σ

在某型综合补给舰上开展铝合金铆接结构试验件的舰载平台环境暴露，待户外暴露完成后，将试验件垂直放置在疲劳试验机上，采用拉-拉疲劳的方法沿试验件长向引入疲劳载荷。对比固定连接结构试验件在实验室加速试验后和在舰载平台环境暴露1年后的疲劳循环数，并计算疲劳循环数相对误差。当实验室加速试验的疲劳循环数相对误差大于20％时，同比例增加或减少湿热、紫外辐射、低温疲劳、盐雾试验时间，再重复湿热、紫外辐射、低温疲劳、盐雾等4个阶段的过程，直至达到疲劳循环数要求停止试验。

测试铝合金铆接结构试验件的有关性能，如腐蚀程度(外观、涂层起泡面积、缝隙腐蚀情况)、基本物理信息、有机涂层综合性能、电化学性能等，以评价和预估铝合金铆接结构试验件的腐蚀性能。

实施例2

针对在舰载平台环境中服役的铝合金-复合材料螺接结构，可根据其实际服役条件选取下列试验条件，并确定重现多元环境因素耦合作用所需的试验时间：

按照舰载平台环境中服役的某型战斗机的铝合金-复合材料螺接结构的连接方式(螺钉连接)、组成材料(2A97-T3铝锂合金、7050-T7451铝合金、AC531/CF8611碳纤维增强树脂基复合材料、YSA101-4-3A钛合金螺栓，YSA503-4钛合金螺母)、材料规格(2A97-T3铝锂合金薄板、7050-T7451铝合金薄板、AC531/CF8611碳纤维增强树脂基复合材料层合板厚度1.5mm)、防护体系(2A97-T3铝锂合金和7050-T7451铝合金采用硫酸阳极化+QH-15高防腐底漆+QFS-15面漆，AC531/CF8611碳纤维增强树脂基复合材料采用清漆+H06-1371防潮环氧底漆+QFS-15面漆)，制备301mm×80mm×1.5mm的铝合金-复合材料螺接结构试验件，共5件。使5件铝合金-复合材料螺接结构试验件经历如下4个阶段的循环试验，确定适当的实验室加速试验的时间，并评价铝合金-复合材料螺接结构试验件的腐蚀性能。

①湿热阶段

根据某型战斗机铝合金-复合材料螺接结构的实际服役条件，通过不同温度和湿度下潮湿空气之间的折算系数预估湿热阶段的温度为60℃，相对湿度为95％R.H.，湿热持续时间为14天。在Espec公司的GSL-10KA型温度湿度试验箱上设置60℃、95％R.H.的温度和湿度条件，待温度和相对湿度稳定到达后，将经历过低温老化阶段的5件铝合金-复合材料螺接结构试验件迅速放入已设置好温度和湿度条件的温度湿度试验箱内，在60℃、95％R.H.的温度和湿度条件下稳定运行14天后，将5件铝合金-复合材料螺接结构试验件迅速转入紫外辐射阶段。

②紫外辐射阶段

根据某型战斗机铝合金-复合材料螺接结构的实际服役条件，通过总紫外线辐照量相等的方法预估紫外辐射阶段的紫外辐照强度为1.00W/m

③低温疲劳阶段

根据某型战斗机铝合金-复合材料螺接结构的实际服役条件，通过等疲劳损伤原则当量折算方法预估低温疲劳阶段的低温疲劳应力水平为(110，20)MPa，低温疲劳循环数为5000次，低温疲劳温度为-70℃。采用美国MTS公司的370型疲劳试验机进行疲劳试验，采用拉-拉疲劳的方法沿试验件垂直长向引入疲劳载荷。在疲劳试验机上设置(F

④盐雾阶段

根据某型战斗机铝合金-复合材料螺接结构的实际服役条件，通过基于金属电化学腐蚀规律的当量折算法预估盐雾阶段的温度为37℃，连续喷雾时间为11天。事先用去离子水和分析纯NaCl配置好5wt.％NaCl的盐雾溶液，并在盐雾试验箱上调试温度37℃，盐雾沉降率(1～2)mL/h·80cm

⑤实验室加速试验时间的确定

待盐雾试验完成后，疲劳试验时，将5件铝合金-复合材料螺接结构试验件垂直放置，然后采用美国MTS公司的370型疲劳试验机进行疲劳试验，采用拉-拉疲劳的方法沿试验件长向引入疲劳载荷，应力水平为(σ

在某型综合补给舰上开展铝合金-复合材料螺接结构试验件的舰载平台环境暴露，待户外暴露完成后，将试验件垂直放置在疲劳试验机上，采用拉-拉疲劳的方法沿试验件长向引入疲劳载荷。对比固定连接结构试验件在实验室加速试验后和在舰载平台环境暴露1年后的疲劳循环数，并计算疲劳循环数相对误差。当实验室加速试验的疲劳循环数相对误差大于20％时，同比例增加或减少湿热、紫外辐射、低温疲劳、盐雾试验时间，再重复湿热、紫外辐射、低温疲劳、盐雾等4个阶段的过程，直至达到疲劳循环数要求停止试验。

测试铝合金-复合材料螺接结构试验件的有关性能，如腐蚀程度(外观、涂层起泡面积、缝隙腐蚀、接触腐蚀、复合材料分层情况)、基本物理信息、有机涂层综合性能、电化学性能等，以评价和预估铝合金-复合材料螺接结构试验件的腐蚀性能。

实施例3

针对在舰载平台环境中服役的铝合金-钛合金螺接结构，可根据其实际服役条件选取下列试验条件，并确定重现多元环境因素耦合作用所需的试验时间：

按照舰载平台环境中服役的某型直升机的铝合金-钛合金螺接结构的连接方式(螺钉连接)、组成材料(2A12-T4铝合金、TC21钛合金、YSA101-4-3A钛合金螺栓，YSA503-4钛合金螺母)、材料规格(2A12-T4铝合金薄板厚度1.5mm、TC21钛合金锻件厚度3mm)、防护体系(2A12-T4铝合金采用硫酸阳极化+QH-15高防腐底漆+QFS-15面漆，TC21钛合金采用厚膜阳极化+QH-15高防腐底漆+QFS-15面漆)，制备301mm×80mm×3mm的铝合金-钛合金螺接结构试验件，共5件。使5件铝合金-钛合金螺接结构试验件经历如下4个阶段的循环试验，确定适当的实验室加速试验的时间，并评价铝合金-钛合金螺接结构试验件的腐蚀性能。

①湿热阶段

根据某型直升机铝合金-钛合金螺接结构的实际服役条件，通过不同温度和湿度下潮湿空气之间的折算系数预估湿热阶段的温度为30℃，相对湿度为70％R.H.，湿热持续时间为7天。在Espec公司的GSL-10KA型温度湿度试验箱上设置30℃、70％R.H.的温度和湿度条件，待温度和相对湿度稳定到达后，将经历过低温老化阶段的5件铝合金-钛合金螺接结构试验件迅速放入已设置好温度和湿度条件的温度湿度试验箱内，在30℃、70％R.H.的温度和湿度条件下稳定运行7天后，将5件铝合金-钛合金螺接结构试验件迅速转入紫外辐射阶段。

②紫外辐射阶段

根据某型直升机铝合金-钛合金螺接结构的实际服役条件，通过总紫外线辐照量相等的方法预估紫外辐射阶段的紫外辐照强度为0.77W/m

③低温疲劳阶段

根据某型直升机铝合金-钛合金螺接结构的实际服役条件，通过等疲劳损伤原则当量折算方法预估低温疲劳阶段的低温疲劳应力水平为(55，10)MPa，低温疲劳循环数为1000次，低温疲劳温度为-30℃。采用美国MTS公司的370型疲劳试验机进行疲劳试验，采用拉-拉疲劳的方法沿试验件垂直长向引入疲劳载荷。在疲劳试验机上设置(F

④盐雾阶段

根据某型直升机铝合金-钛合金螺接结构的实际服役条件，通过基于金属电化学腐蚀规律的当量折算法预估盐雾阶段的温度为33℃，连续喷雾时间为7天。事先用去离子水和分析纯NaCl配置好5wt.％NaCl的盐雾溶液，并在盐雾试验箱上调试温度33℃，盐雾沉降率(1～2)mL/h·80cm

⑤实验室加速试验时间的确定

待盐雾试验完成后，拉伸试验时，将5件铝合金-钛合金螺接结构试验件垂直放置，然后采用美国Intron公司的5882型紧凑拉伸试验机进行拉伸试验，采用拉伸方法沿试验件长向引入静载荷。拉伸时的实验室温度为23±2℃。

在某型综合补给舰上开展铝合金-钛合金螺接结构试验件的舰载平台环境暴露，待户外暴露完成后，将试验件垂直放置在拉伸试验机上，采用拉伸方法沿试验件长向引入静载荷。对比固定连接结构试验件在实验室加速试验后和在舰载平台环境暴露1年后的抗拉强度，并计算抗拉强度相对误差。当实验室加速试验的抗拉强度相对误差大于20％时，同比例增加或减少湿热、紫外辐射、低温疲劳、盐雾试验时间，再重复湿热、紫外辐射、低温疲劳、盐雾等4个阶段的过程，直至达到抗拉强度要求停止试验。

测试铝合金-钛合金螺接结构试验件的有关性能，如腐蚀程度(外观、涂层起泡面积、缝隙腐蚀、接触腐蚀情况)、基本物理信息、有机涂层综合性能、电化学性能等，以评价和预估铝合金-钛合金螺接结构试验件的腐蚀性能。