机载发射装置烧粘—腐蚀防护评估技术的研究进展.docx

    机载发射装置烧粘腐蚀防护评估技术的研究进展    肖军+程功+陈建敏+周惠娣Summary：“烧粘-腐蚀”是导轨式机载发射装置出现卡滞、腐蚀、寿命短、不安全等故障的主要原因，高温高速烧粘-腐蚀防护评估技术的完善成为实现总寿命服役期免维修目标的首要任务之一近年来，高温高速烧粘-腐蚀机理、烧粘-腐蚀模拟试验方法与装置，外场临时防护技术与长效防护技术成为研究热点，本文综述了该领域的研究进展Keys：导轨式机载发射装置；烧粘-腐蚀；长效防护；评估技术；研究进展TJ760 ：A ：1673-5048（2014）05-0060-050 引 言发射高能有烟机载导弹时，受发动机喷射炽热燃气流冲刷的机载发射装置表面涂层脱落，常常粘满一层粗糙、坚硬似砂轮表面的灰色或灰黑色残渣[1-7]（简称“烧粘”）这种残渣粘附牢固，不仅清渣费时费工，使用金属工具也难清除干净在沿海湿热、盐雾环境中的烧粘部位会出现腐蚀（简称“烧粘-腐蚀”），给装备的使用和维护保障带来极大的不便，严重影响到战备和训练多年来，通过基材改性、表面处理方法筛选等改进措施[2]，取得了一定的效果但用于高速、中远程新型导弹的大功率、高比冲发动机又产生了更为严重的烧粘-腐蚀问题。

本文就总寿命期免维修的高温高速烧粘-腐蚀破坏机理、模拟试验手段与技术、烧粘-腐蚀发展趋势及长效防护评估技术的进展进行了综述1 烧粘-腐蚀1.1 机载发射装置与烧粘-腐蚀发射装置从出厂服役到退役总寿命期间，一般会经历三种状态[8-9]：（1）库房贮存状态；（2）外场临时存放状态；（3）空中挂飞使用状态发射装置在库房长期贮存中，一般处于油封状态装箱，存放于自然通风、无空调的封闭式仓库内，不通电、不工作；外场临时存放状态可放置在包装箱内或悬挂于载机上暴露于大气环境中；空中挂飞使用状态要求在载机飞行包线内挂弹飞行，在发射包线内发射导弹，不仅通电工作、暴露于大气环境，还要承受飞行和作战的振动、冲击等应力环境鉴于高温、高速两相燃气流严重的烧粘-腐蚀，现有防护材料和措施都会在有限的一至几次冲刷后损耗殆尽[2]为解决高温高速烧粘-腐蚀问题，从工程角度曾研究过快速清洗、及时清除腐蚀性残渣，采用可更换表面导轨易损件以及基材改性和表面处理等方案，但都难以解决烧粘-腐蚀问题[2]1.2 烧粘-腐蚀的危害为了满足机载武器装备质轻、高强和结构可靠的设计要求，机载发射装置主体结构采用单面为导轨的硬铝合金和超硬铝合金型材，硬质阳极化处理后具有良好的日常使用和防腐蚀性能。

烧粘-腐蚀机理研究表明：高温高速烧粘-腐蚀主要源于高铝粉发动机装药高温高速两相燃气流烧粘破坏，产生防护表面缺陷———“腐蚀通道”等损伤和损耗的结果腐蚀通道”是烧粘-腐蚀的根源，不同导弹烧粘-腐蚀的差异，源于导弹发动机装药两相燃气流的温度、速度、残渣流量的不同高温高速烧粘-腐蚀不仅使机载发射装置滑动导轨腐蚀，残渣堆积也使挂弹和发射过程摩擦系数显著增大（如阳极化层摩擦系数在0.5～0.8、二硫化钼干膜0.025～0.03，而残渣表面类似砂轮，摩擦系数大至无法测量），此外，残渣的粘附和堆积会减小导轨与导弹吊挂之间的配合间隙，影响正常操作，甚至影响到发射过程的安全性除对装备使用性能的影响，烧粘-腐蚀对结构强度和可靠性的影响也不容忽视2 高温高速烧粘-腐蚀评估技术及其进展2.1 烧粘-腐蚀的试验与评估一次外场导弹发射试验需要提前进行产品的生产装配、多次性能测试和试验，动用大量的配套人员和设施，以及外场军方的测试手段、场地、遥测观察、载机等等，成本十分昂贵所以，对于烧粘防护研究而言，导弹实际发射试验的机会其实很少除成本高、试验周期长等因素外，还存在现场可提供的对比试验条件限制多、可控性差、试验本身的高度危险性等因素，使得实际发射试验通常只能作为验证考核试验。

因此，建立较为完善、实用的评估分级方法和试验手段是长效烧粘-腐蚀防护研究的基础[5]机载导弹高温高速燃气流的“烧粘”过程是气动环境与材料热化学和热力学作用的复杂过程，结果分别或同时包含了烧蚀、冲蚀和粘渣等多种破坏现象，存在着热冲蚀减重、粘渣增重以及烧蚀产生炭化、脱落等现象，采用“称重法”或者用残渣“附着力”或“+、-”或文字描述来表征烧粘-腐蚀破坏程度，都不准确研究发现以分级方式将连续变化的试验观测值转化为非连续的分立数值，可快速量化评估研究中的烧粘-腐蚀和防护效果[5]，已用于防烧粘方案的研究、筛选和改进通常，材料的耐热性可采用常规热分析方法[2，5]，如TG，DTA，DSC以及动态机械分析等试验评估和表征在常规实验室中，电热鼓风烘箱、马福炉常用于从室温到1500℃高温加热然而，这种加热方式与高温高速烧粘-腐蚀瞬时过程的差异太大；实验室常用的酒精喷灯或燃气灯的烧蚀过程与发动机的烧蚀有相似之处，但烧蚀温度和热流偏低，与实际工况差距大，也不适用于高温高速烧粘-腐蚀的表征此外，防护方案和措施的不确定性和复杂性（如涂层防护、表面处理防护或其他防护方案等），很难简单地按涂层、镀层类指标体系或仅以材料耐热性或抗侵蚀性等指标量化评估。

一种从烧粘-腐蚀机理出发，将瞬时破坏解析成高温烧蚀、高速热冲蚀、粘渣、腐蚀等破坏因素，有针对性防护的思想为改进研究防护技术、完善烧粘-腐蚀的评估提供了方向发动机燃气瞬时的高温烧蚀、熔融残渣的高速热冲蚀磨损、粘渣烧蚀、辐射及其耦合破坏作用的机理十分复杂考虑到烧粘过程是气动力学与材料的热化学和热力学的复杂作用过程，相关因素多、关系复杂，从烧蚀角度出发，除TG，DSC以及DMA等常规热分析方法外，还可以借鉴航空航天领域的其他烧蚀评估技术[5]，如GJB323—92氧乙炔烧蚀试验，航天常压驻点电弧等离子烧蚀试验方法，烧蚀材料内部温度测量方法；企标级的等离子烧蚀试验方法，水冷量热测量热流密度方法等 研究人员为评估战略导弹、宇航飞行器再入大气层时“粒子云”的侵蚀破坏，已建立多种抗侵蚀试验方法[2，5]：（1）电子枪、激光枪等，用以模拟单粒子撞击效应；（2）电弧加热器、弹道靶、固体发动机燃气流等，模拟多粒子碰撞；（3）各种高速气流、液流喷砂、以及利用高速转盘离心力的粒子流冲蚀模拟方法等这些方法中有些试验成本偏高、适应面窄，仅能作为防烧粘应用研究的参考针对烧粘现象的特点通过分析和建模，用因素解析方法可以了解各主要破坏作用的方式、程度。

根据烧粘-腐蚀破坏机理，其主要破坏因素可解析为：（1）高温气相烧蚀；（2）高速粒子流冲蚀；（3）熔融残渣的粘附烧蚀；（4）辐射破坏研究中曾参照采用氧乙炔焰或等离子烧蚀作为热模拟试验；高速喷砂冲蚀磨损作为冷模拟试验研究抗冲蚀性能；采用发动机试车台模拟试验装置代替导弹实际发射了解烧蚀粘渣工况，考察防烧粘材料和技术的工程实用性；通过粒径、硬度、质量流量和流速的选取、控制，采用5级外观目视方法判别冲蚀破坏程度（P，%）[2，5]，可获得抗侵蚀筛选数据[10]石英灯快速加热的热辐射试验是航空航天领域广泛采用的一种加热试验方法该类试验首先需要通过计算、分析确定全过程辐照强度的热流曲线，制作试验装置，按热流曲线进行试验图1所示为美国NASADryden飞行研究中心飞行载荷实验室结构热试验装置发动机试车台模拟试验与实际发射相比，点火试验的机会更多、模拟真实（综合了烧蚀、粒子流冲蚀与粘渣作用）、代价相对较小烧粘破坏（P）分5级评估发动机试车台模拟装置、原理见文献[2-5]环境适应性试验是高温高速烧粘-腐蚀防护技术能否工程化应用的另一项重要评估内容除烧粘-腐蚀专项评估外，要求参照GJB150或GJB150A《军用设备环境试验方法》系列试验作为综合评估烧粘-腐蚀防护技术能否适合实际服役环境条件的依据。

进行烧粘前后环境试验考核，要求评估试验件与发射装置材质、状态、机械加工、热处理和表面处理相同烧粘部位在湿热、盐雾环境中的腐蚀现象是烧粘破坏的典型特征以往对于检测防护有效性最直观和有效的方法是烧粘后外观检查烧粘部位是否粘渣和粘渣严重程度，然后将烧粘产品、试验件置于规定的湿热、盐雾环境中，观察环境腐蚀的严重程度2.2 腐蚀试验技术腐蚀试验通常采用一定数量的与待试材料状态相同的试验件投入腐蚀环境，达到规定时间后，观察、记录其外观变化，测试其性能变化，采用称重等方法测算出腐蚀造成的质量损失如GB 11112—89《有色金属大气腐蚀试验方法》提出的腐蚀质量损失测算：式中：V为腐蚀速率，g/m2h；K为腐蚀速率换算系数；m1为腐蚀试验前试验件质量，g；m2为腐蚀试验后试验件质量，g；A为试验件表面积，m2；t为腐蚀时间；ρ为密度，g/m3GB/T14165—2008给出了大气腐蚀试验现场的一般要求防护涂层下的金属腐蚀是由于涂层失效出现的一个从量变到质变的过程，这种转折点往往不易察觉：虽然肉眼检查时涂层完好，而涂层下的金属基体可能实际上已发生腐蚀，带来破损隐患和其他事故的潜在风险有机涂层下金属腐蚀的本质是一种电化学过程，因而电化学技术是现场检测这种腐蚀的主要方法。

国内外对电化学阻抗谱（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，EIS）、电流中断（CurrentInterruption，CI）、电化学噪声（ElectrochemicalNoise，EN）等技术进行了较广泛的研究，提出了不同环境快速准确测量涂层保护性能及检测涂层下金属腐蚀情况的技术和方法此外，近期在远场涡流（RemoteFieldEddyCurrent，RFEC）技术方面也有了新的突破和进展文献[11]针对以上涂层下金属腐蚀无损检测技术的现状与进展进行了评述其中，电化学阻抗谱、电化学噪声和电流中断属于电化学检测技术，通过解析获取电化学参数来表征涂层性能和涂层下金属的腐蚀状态而远场涡流技术可检测到涂层下金属腐蚀的定量数据，其方法更为直接和可靠，可在机载发射装置涂层下金属腐蚀检测中发挥作用随着检测和监测技术的发展，当代技术已具备多种腐蚀连续监控和测试手段，在航空、航天等国防和民用领域广泛应用例如：物理机械方法、无损检测方法、电化学方法、光纤腐蚀传感技术、化学方法等其中，外观检测方法采用肉眼或工具（如放大镜、内窥镜、千分尺照相和摄像设备等）对腐蚀现象、程度观察和比对获得评估意见最为简便实用。

此外，还有超声波检测方法、涡流检测方法、漏磁桶检测方法、渗透检测方法、射线检测方法、红外检测方法、电化学检测方法等，这些方法为烧粘-腐蚀的现场监控提供了有力的手段2.3 残渣成分与显微结构分析现代显微技术的发展，扩大了人的视力范围，能够从微观尺度观察烧粘过程表面结构发生的变化，分析材料和性能的变化，了解烧粘-腐蚀破坏机理和现象鉴于烧粘-腐蚀的变化主要发生在微米级尺度，扫描电子显微镜（ScanningElectron Microscope）、电子探针仪（Electronprobemicroanalyser）、X-射线电子能谱等显微分析成为揭示烧粘-腐蚀机理的重要手段电子探针、扫描电镜EDS，以及X-射线光电子能谱对残渣腐蚀物微区成分进行分析，有助于认知烧粘-腐蚀过程例如，利用电子探针高能电子束轰击烧粘样件表面，激发出特征X射线，按其波长及强度对烧粘表面微区进行定性及定量分析此外，X-射线荧光光谱分析技术重现性好、测量速度快、灵敏度高，适合分析原子序数为F（9）～U（92）的各种元素，且样品可以是固体、粉末、熔融片或液体，无需分离，可以十分便捷地进行烧粘-腐蚀残渣分析扫描电子显微镜是自20世纪60年代以来迅速发展起来的一种新型显微分析手段。

由于制样简单、放大倍数可调范围宽、图像分辨率高、景深大等特点，被广泛应用于烧粘表面、残渣形貌分析；烧粘-腐蚀试验件微区成分分析；测量厚度；观察试验件各区域细节信息 2.4 长效防护快捷评估技术研究所谓“长效”，是指用户针对已有高温高速烧粘-腐蚀防护技术。