确定实验室加速环境谱与大气环境等效加速关系的方法

本发明涉及试验测试，具体是一种针对铝合金材料的实验室加速环境谱与实际大气环境间等效加速关系的确定方法。

背景技术：

1、飞行器在多气候、多地域条件下工作时，其铝合金材料和结构性能易受到环境因素影响而发生腐蚀，尤其在海洋环境和沿海大气环境等工作条件下，高盐和高湿等环境特点对飞行器材料和结构的腐蚀损害极大，进而对其工作安全造成威胁。因此，研究和提升飞行器结构和材料的耐腐蚀性能和适海性能具有重要意义。

2、目前主要通过开展大气暴露试验和实验室加速腐蚀试验两种方法，来研究飞行器结构和材料的大气腐蚀情况。但由于飞行器的工作年限较长，一般可达20年以上，导致开展大气暴露试验的试验周期也较长，通常以年为单位计算试验周期，尽管试验结果真实可信，但试验花费的时间、人力和物力成本较大。因此通常选择开展实验室加速腐蚀试验来模拟研究铝合金材料大气腐蚀，该方法的核心问题是确定所用实验室加速环境谱与实际大气环境间的等效加速关系。

3、等效加速关系指的是材料或结构在其工作地区的大气环境下和实验室加速环境谱下达到相同腐蚀程度时，工作地区大气环境的作用时间对应的加速环境谱作用时间，单位通常是“小时/年”。其中，腐蚀程度相等需要通过某一确定的腐蚀程度参数进行对比，这一参数通常可以是材料表面的腐蚀坑的尺寸、数量，试验件腐蚀后的剩余厚度，材料的腐蚀电流和累积腐蚀电量等。

4、由于各国采取的飞行器腐蚀防护措施不同，有些国家的设备腐蚀防护理念主要以结构耐久性理念为主，即通过先进的材料抗腐蚀工艺及防腐技术，保证飞行器结构在发生腐蚀之前便得到有效的维护。其在jssg-2006“联合使用规范指南飞机结构”中规定“在飞机的计划使用期内要保持结构防护体系的有效性，不允许发生结构腐蚀”。因此，对于等效加速关系的研究主要集中在国内。目前关于等效加速关系的确定方法主要有当量折算法、腐蚀程度对比法和疲劳强度对比法。

5、穆志韬等在2007年5月在《海军航空工程学院学报》期刊第22卷第3期中发表的论文《飞机服役环境当量加速腐蚀折算方法研究》中以腐蚀电流ic作为金属腐蚀的表征参数，以腐蚀电量作为度量标准，采用当量折算法建立了了ly12cz、lc4cs、ly11c三类不通牌号铝合金的环境加速腐蚀当量折算关系，同时得到了温度和相对湿度对环境当量折算系数的影响规律，指出温度的改变对折算系数的影响比湿度的变化显著。刘元海等在2011年2月《装备环境工程》期刊第8卷第1期中发表的论文《典型海洋大气环境当量加速试验环境谱研究》中基于典型海洋大气环境谱，编制了由紫外照射和周期浸润两个环境块构成的加速试验环境谱，采用当量折算的方法确定了加速谱与外场暴露环境的当量关系，提出了多因素耦合时的当量加速关系计算方法。陈跃良等在1999年6月《南京航空航天大学学报》期刊第31卷第3期中发表的论文《飞机结构局部环境加速腐蚀当量谱》中将不同温度、湿度、腐蚀介质浓度折算到某一实验室便于实现的条件上，编制了海军飞机结构关键危险部位的加速环境谱，利用电化学原理，以腐蚀电流为当量参数得到等效加速关系。刘文铤等于2002年6月在《北京航空航天大学学报》期刊第28卷第1期中发表的论文《飞机结构腐蚀部位涂层加速试验环境谱研究》中以cass谱为基础，提出了适用于飞机结构腐蚀关键部位涂层的加速试验环境谱，并针对某型飞机腐蚀关键部位，采用腐蚀程度对比的方法，对试件表面涂层的腐蚀情况进行了观测，确定了该加速环境谱与某沿海、湿热地区环境的等效加速关系。该团队同时在1998年7月在《航空学报》期刊第19卷4期上发表的论文《飞机结构关键危险部位加速腐蚀试验环境谱研究》中通过由技术人员目测的方式对比试件在等效加速环境谱作用和实际大气环境作用下试件的腐蚀损伤情况，确定了针对某型战斗机关键危险部位加速试验环境谱与地面谱之间的当量关系。孙祚东等于2005年在哈尔滨工程大学发表的学位论文《军用飞机典型铝合金结构腐蚀损伤规律及加速腐蚀试验方法研究》中通过对比试件最大腐蚀深度，确定了飞机典型铝合金结构的等效加速关系。贺小帆等于2005年5月在《航空学报》期刊第26卷第3期中发表的论文《疲劳关键件加速腐蚀因子可靠性分析》中针对腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命分析和评定问题，对疲劳关键件的等效加速关系进行了研究，假定疲劳寿命服从对数正态分布、疲劳寿命随腐蚀试件呈指数变化，推导得到了等效加速关系的表达式以及等效加速关系与腐蚀时间无关的结论。得到了等效加速关系估计量的分布,对其进行了可靠性分析。并进行了典型结构模拟试件大气暴露和试验室等效加速关系的可靠性分析。同时，在公开号为cn112461735a的发明创造中公开了一种加速腐蚀试验的设计方法、在公开号为cn112461735a的发明创造中公开了一种加速腐蚀的试验方法，二者均是采用当量折算的方法，通过将腐蚀电流(电量)作为当量参数，获取等效加速关系。

6、所述现有技术中公开的技术方案与本发明提出的确定实验室加速环境谱与大气环境等效加速关系的方法对比，采用腐蚀程度对比法和疲劳强度对比法的前提是有用于对比损伤特征值的长时间大气暴晒试件，对于研发和采用的新材料，显然难以实现。当量折算法虽然无需大气长期暴晒试验件，但该方法目前普遍选择铝合金材料或结构在实际大气和实验室加速环境下的腐蚀电量作为损伤特征值计算等效关系，忽略了实验室和实际大气的环境因素以及腐蚀强度随时间变化呈谱状变化的规律，仅将铝合金材料或结构在两种环境谱下的腐蚀电流看作不随时间变化的常量，这显然与实际条件不符，增大了试验结果与实际情况之间的误差。

技术实现思路

1、为克服现有技术中存在的难以获取长时间大气暴晒件以及当量参数选取不当引入误差导致无法获取实验室加速环境谱和实际大气环境间等效加速关系的不足，本发明提出了一种确定实验室加速环境谱与大气环境等效加速关系的方法。

2、本发明的具体过程是：

3、步骤1，获取实际大气环境长年监测数据：

4、针对铝合金材料在实际大气环境下的工作情况搜集大气长年监测数据。所述大气长年监测数据的内容包括温度及其作用时间、湿度及其作用时间、so2的成分及其浓度、no2的成分及其浓度、发生降水的次数及降水的总时长、雾露的次数及雾露的总时长，以及在各年中降水和雾露所占的时间比例，降水的ph值和雾露的ph值，cl-沉积速率。

5、为增加该方法确定的等效加速关系结果的可靠性和适用性，所选监测数据的数据量≥5年。

6、步骤2，制作气候环境总谱：

7、依据不同的温度和湿度区间范围，对得到的≥5年大气环境数据分类，制作该大气环境的气候环境总谱。

8、所述气候环境总谱是将实际大气环境长年监测数据中的温度及其作用时间和湿度及其作用时间划分为在不同的温度区间、湿度区间下的作用时间；将降水和雾露的次数和作用时间划分为不同的温度区间下的作用时间，得到气候环境总谱。

9、所述气候环境总谱中，包括温度区间n和湿度区间m；n＝1,2,3,……,n；m＝1,2,3,……。

10、温度区间1～温度区间n包括了长年监测数据中的所有温度范围，n指的是温度区间的数量；湿度区间1～湿度区间m包括了长年监测数据中的所有湿度范围，m是湿度区间的数量。作用时间是实际大气环境长年监测数据中在该温度区间和湿度区间，或者在降水或雾露下的时间。

11、在得到的气候环境总谱中的各温度区间中选择任一温度作为该温度范围的代表温度；在湿度区间中选择任一湿度作为该温度范围的代表湿度。代表温度和代表湿度的选取由试验人员自行确定，该代表温度或代表湿度必须在其代表的温度或湿度区间的温度或湿度范围内。

12、步骤3，制作化学环境总谱：

13、依据实际大气环境长年监测数据得到该热带岛礁环境的化学环境总谱。

14、所述化学环境总谱是利用实际大气环境长年监测数据中的so大气介质成分及其浓度2、no2大气介质成分及其浓度，降水的ph值和雾露的ph值、降水的时间、潮湿空气的时间以及该降水及潮湿空气在一年中所占的时间比例、cl-沉积速率。

15、步骤4，确定铝合金材料的折算系数：

16、所述折算系数是指铝合金材料在不同温湿度环境和腐蚀介质作用下的折算系数。

17、该铝合金材料的折算系数分为空气环境下的折算系数和溶液折算系数：

18、第一类是铝合金材料在温度环境中的腐蚀电流和湿度环境中的腐蚀电流，与标准潮湿空气中腐蚀电流之间的比值，该比值即为空气环境下的空气折算系数。所述标准潮湿空气指的是环境温度为40℃、湿度为90％rh的环境。

19、通过公式(1)计算该空气折算系数。

20、

21、式中α1是空气折算系数；i1为铝合金材料在某一温度和某一湿度环境共同作用下的腐蚀电流；i2为铝合金材料在标准潮湿空气作用下的腐蚀电流。

22、第二类是铝合金材料在不同浓度的hno3或h2so的作用下的腐蚀电流与铝合金材料在水作用下的腐蚀电流的比值，该比值即为溶液折算系数。

23、通过动电位极化试验，分别测量铝合金在不同浓度的hno3溶液或h2so4溶液中的腐蚀电流，并通过公式(2)计算该铝合金材料在不同浓度的hno3溶液作用下与水之间的溶液折算系数，以及该铝合金在不同浓度h2so4溶液作用下与水之间的溶液折算系数。

24、

25、式中α2是溶液折算系数；i3为铝合金材料在各不同浓度的hno3溶液或h2so4作用下的腐蚀电流值；i4为铝合金材料在水中的腐蚀电流。

26、得到铝合金材料在不同温/湿度环境和腐蚀介质作用下的空气折算系数与溶液折算系数。

27、步骤5，计算实际大气环境长年监测数据折算到标准潮湿空气中作用的总时间：

28、ⅰ依据步骤4得到的不同温度、湿度和标准大气环境间的空气折算系数，将得到的气候环境总谱中，实际大气长年监测数据中不同温度、不同湿度环境下实际大气环境的作用时间乘以对应该温度和湿度下铝合金材料的空气折算系数，得到空气折算时间t11。

29、ⅱ将降水和雾露看作90％标准潮湿空气的作用，将所述气候环境总谱中降水和雾露在不同温度下的作用时间看做不同温度、90％rh空气下的作用时间。依据不同温度、湿度和标准大气环境间的折算系数，将处理后的气候环境总谱中不同温度下的降水时间乘以对应温度和90％rh湿度的空气折算系数后相加，得到酸性降水折算时间t12。

30、将所述化学环境总谱中的降水时间视为与该降水具有相同ph值的h2so4的作用时间。该h2so4的溶质成分为so2溶于水后形成的h2so4的介质。将酸性降水折算时间t12乘以h2so4的溶液折算系数，得到降水折算时间t13。

31、将空气折算时间t11和降水折算时间t13相加，得到大气总折算时间t1。

32、步骤6，确定短期暴露的腐蚀电流和短期暴露的累积腐蚀电量：

33、所述短期暴露的腐蚀电流和累积腐蚀电量是实地测量铝合金材料在实际大气环境下暴露的腐蚀电流和累积腐蚀电量。所述短期暴露的时长≥1个月。

34、通过大气环境腐蚀监测测量铝合金材料在实际大气环境下短期暴露的腐蚀电流。同时实时监测该时间段内实际大气温度和湿度，以及降水的作用次数和每次降水的持续时间。

35、将测量得到的实际大气作用天数的腐蚀电流与短期暴露的总时间相乘得到电量；将得到的电量除以试验件的表面积得到短期累积腐蚀电量q1。

36、将监测得到的短期暴露的总时间等效为标准潮湿空气的大气短期折算时间t2。

37、步骤7，确定实际大气环境长年监测数据对应的铝合金材料腐蚀电量：

38、通过公式3获得实际大气环境长年监测数据对应的铝合金材料腐蚀电量q。

39、

40、步骤8，确定实际大气环境长年监测数据对应的铝合金材料腐蚀失重：

41、将得到的所述实际大气环境长年监测数据对应的铝合金材料腐蚀电量q带入公式4，得到实际大气环境长年监测数据对应的铝合金材料腐蚀失重值。

42、

43、式中：w为试验件溶解的质量；m为金属的原子质量；n为金属离子的电荷量；f为法拉第常数，f＝96500库伦；q为腐蚀电量。

44、步骤9，配置实验室加速腐蚀溶液：

45、依据化学环境总谱中得到的腐蚀气体溶于水后生成的酸性介质的种类和浓度，通过等比例浓缩的方法，获得实验室加速腐蚀溶液。具体是：

46、所述化学环境总谱中的腐蚀介质为no2和so2。该no2和so2溶解在铝合金表面的水膜中，同时在水膜中与水发生化学反应(5)和(6)。同时so2、no2存在各自的溶解平衡且服从henry定律，且各气体在水中的溶解度用式(7)表示。

47、

48、

49、[x(aq)]＝kh·pg                                         (7)

50、所述式(5)、(6)和(7)中，k1为电离平衡常数；k2为化学平衡常数；kh为各气体的henry常数；pg为各气体的分压。

51、通过式(7)计算各气体在水中的溶解度，并从电离平衡和化学平衡的角度，计算so2、no2在溶解平衡状态下，以h+浓度相同当量成h2so4和hno3的浓度。

52、步骤10，测量不同腐蚀时间下铝合金材料的重量损失：

53、开展实验室加速腐蚀试验，并测量不同腐蚀时间下铝合金材料的重量损失。

54、取多组相同的试件，将各组试件分别放入加速腐蚀溶液中进行腐蚀，并使各组试件的腐蚀试件不相同。腐蚀完成后，得到经过不同时间腐蚀后的铝合金材料的重量损失。

55、在经过不同的腐蚀时间后，依据gb/t16545-2015《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》，对铝合金材料进行清洗，并采用电子天平获得铝合金材料去除腐蚀产物后的重量。

56、铝合金材料去除腐蚀产物后的重量与铝合金材料开展加速腐蚀试验之前的重量之差为铝合金材料在该腐蚀时间下的重量损失。

57、步骤11，确定等效加速关系的数值：

58、将步骤8得到的实际大气环境长年监测数据对应的铝合金材料腐蚀失重值除以监测数据监测的总时间，得到铝合金材料在实际大气中的年平均腐蚀失重速率δm2；将步骤10得到的不同腐蚀时间下铝合金材料的质量损失除以腐蚀时间，得到铝合金材料在实验室加速环境谱作用下的平均腐蚀失重速率dm1/dt。依据公式8，通过将铝合金材料在实际大气中的年平均腐蚀失重速率δm2和铝合金材料在实验室加速环境谱作用下的平均腐蚀失重速率dm1/dt相比，得到铝合金材料实验室加速环境谱与大气环境之间等效加速关系。

59、

60、式中：e为实验室加速环境谱与大气环境之间等效加速关系，δm2为铝合金材料在实际大气中的年平均腐蚀失重速率；dm1/dt为铝合金材料在实验室加速环境谱作用下的平均腐蚀失重速率。

61、至此，得到实验室加速环境谱与大气环境等效加速关系。

62、本发明目的在于提出一种实验室加速环境谱与大气环境之间等效加速关系的确定方法，以解决现有技术在确定上述两种环境之间等效加速关系时难以获得铝合金材料长时间大气暴晒试件的困难，以及采用电流和电量等作为当量参数时忽视或简单化实验室和实际大气电流和电量的真实变化情况，导致所得等效加速关系存在较大误差等情况。

63、与现有技术相比较，本发明取得的效果是：

64、1、通过采用腐蚀失重△m作为度量参量，克服了现有技术中采用腐蚀电流ic作为度量参量确定上述两种环境间等效加速关系时忽视实际情况，尤其是实验室加速腐蚀环境下铝合金材料或结构腐蚀电流ic随时间的变化情况。提高了所得加速等效关系的精度和准确度。如下图2呈现的是实验室试验所得ph＝2的加速腐蚀溶液的周期浸润试验作用下的腐蚀失重大小呈现随腐蚀时间的增加而线性增加的情况，该腐蚀失重情况是试验腐蚀后测量出来的，是腐蚀后试件重量的真实变化值，没有任何的简化，但是如果采用传统方法测量试验过程中的腐蚀电流，那么腐蚀电流的大小必定是时刻变化的，然而原有的方法中是将腐蚀电流简化成了一个恒定的值，与实际情况有差别，不能反映出电流随着腐蚀时间变化的规律。所以采用本方法的腐蚀失重作为度量参量计算得到的加速等效关系更加准确。

65、2、本方法实现了在没有实际大气环境长期暴晒试验件的情况下，仅通过实际大气环境长年监测数据和实地短期电流、电量和大气环境监测数据便可以计算得到实验室加速环境谱和实际大气环境间的等效加速关系大小。采取该方法得到的某铝合金材料在ph＝2的腐蚀溶液，浸润的周期为6h的周期浸润试验与某热带岛礁实际大气环境之间的等效加速关系是64.43h/年。

66、将该铝合金材料在实验室加速环境谱作用72h的试验件表面与外场实际大气环境暴晒12个月的试验件表面进行对比，结果如图3所示，可以看到二者表面损伤形貌相同，均存在局部的点蚀损伤情况。