文 | 杜琴 張志明 張云 謝蘭川 代小強 楊程 周雪鵬 向偉 西南技術工程研究所

摘要：南海高溫高濕高鹽的環境特征，使得南海區域服役的飛機相較于內陸更容易發生腐蝕。本文著眼于飛機蒙皮連接件針對其在南海大氣環境中發生腐蝕的特點利用Cor「osionMaster腐蝕仿真軟件，對飛機蒙皮連接件螺接和柳接兩種連接方式在不同液膜厚度的電偶腐蝕效果進行腐蝕仿真研究。結果表職，連接件結構能很大程度上影喃材料的腐蝕程度，相同試驗條件下，液膜厚度越薄腐蝕速率越高腐蝕程度越深。仿真計算的結果給出了模型中各區域發生腐蝕的難以程度為飛機的腐蝕防護維修及試驗檢測提供了檢測方向，從而簡化試驗過程，大大減低研究成本。

關鍵詞：大氣腐蝕，CorrosionMaster,飛機蒙皮，螺接，柳接

在工業生產和日常生活中腐蝕現象尤為常見。由千腐蝕帶來的-系列安全事故，從而造成的人員傷亡和財產損失更為慘痛同時也給我們敲響了警鐘。迄今為止，國內外學者針對金屬腐蝕問題做了很多的研究[1-4]。但是腐蝕實驗試驗周期長、費用高，部分試驗甚至需要飛機、火箭炮等作為試驗對象沒辦法進行實際試驗，因此急需-種虛擬模擬試驗來代替現場試驗。

計算機仿真技術[5]是基于電化學原理用邊界元或者有限元的方法計算模擬金屬發生腐蝕的過程預測腐蝕部位與腐蝕程度，從而針對性地對金屬材料腐蝕防護處理，達到縮短研究周期，降低研究成本的目的目前以廣泛應用于金屈腐蝕研究[6-10]。例如胡志江[11]等人利用有限元方法模擬研究了鎂合金輪載螺栓連接的電偶腐蝕行為，并通過試驗證明了該方法的正確性。他們的研究結果表明，連接螺栓沉孔深度和沉孔半徑均能影響輪骰平均腐蝕深度。丁清苗[12]等人采用COMSOLMult1phys1cs仿真軟件建豆了7050鋁合金與鋼材的大氣電偶腐蝕預測模型，并研究了偶對表面鹽負載量、環境相對濕度以及陰陽極面積比對腐蝕行為的影響。

CorrosionMaster是一款金屬腐蝕軟件，它專注千電偶腐蝕和均勻腐蝕擁有界面簡潔友好操作簡便等優點龐震等人[13]應月CorrosionMaster研究了0235／有機涂層在不同的腐蝕環境下的服役壽命進行預測，并結合試驗驗證了CorrosionMaster腐蝕仿真的準確性。SaJ1dAli14]使用CorrosionMaster對不同厚度不同材料的環氧涂層失效過程進行模擬并預測其失效過程，同時也證明了相同實驗條件下模擬結果和試驗結果的吻合性。

木文基于CorrosionMaster金屬腐，蝕仿真軟件，建立了飛機蒙皮連接件大氣腐蝕仿真模型。該模型有效的預測不同連接件結構以及不同液膜條件下的腐蝕行為，為飛機蒙皮連接件的腐蝕防護與維修提供理論支撐，同時也為實驗提供技術方向，實現實驗成本的有效降低。

1腐蝕仿真機理

1.1電偶腐蝕

電偶腐蝕是指兩種不同的金屬在電解質溶液中接觸時， 它們之間若存在電位差 ， 則在兩金屬之間會產生電偶電流 ，使電位較低的金屬遭到腐蝕 電位較高位的結構需求 ， 飛機蒙皮常選用不同的金屬或者合金拼接而成， 所以常發生電偶腐蝕。 電偶腐蝕發生需要滿足三個條件， 即兩金屬或合金具有電極電位差 ，電子導體和離子導體。

1. 2 大氣腐蝕

大氣腐蝕是指金屬或者合金材料 在大氣環境的影響下發生的腐蝕行為[18]飛機主要就是發生大氣腐蝕。 由于空氣中含有水蒸汽。在-定溫度下空氣中的水蒸氣過飽和從而析出水分子， 在 金屬及其合金表面形成-層薄液膜。 同時， 大氣中的- 些其他氣體或者污染物也會-定程度上溶解于液膜之中 ， 從而構成飛機電偶腐蝕的電解液。

1. 3腐蝕仿真數學模型

計算機腐蝕仿真是基于腐蝕過程 中的-系列物理化學原理和方程 ， 從 而構建起來的金牒腐蝕行為預測模型 因此 ， 了解腐蝕過程 中的物理化學原 理尤為重要 。 

在電偶腐蝕中 ， 與反應 ， 主要有三部分 參 即電子導體 、 離子導體和兩 者的界面區域 。 其中 ， 電子導體主要 滿足歐姆定律，離子導體主要存在物 質的傳遞以及電場分布， 區則發生氧化還原反應以及電極極化。 歐姆定律較為簡單 ， 在這里我們不多 做闡述離子導體部分 ， 以便軟件進行計算仿真 。 ?? 兩者的界面 即電解液中 滿足質噩守恒和電荷守恒兩個平衡方 程 。 質量守恒滿足

其中，ci表示i物質的濃度Ni表示物質的通量，R 表示反應源相。若電解液中存在額外的反應發生，具體數值，若沒有，則為0 。 

物質的通量Ni相 則 R 有 在稀溶液下滿 足Nernst-Plank方程 ， 即

其中 等號右邊第-項表示擴散 項，D表示擴散系數，第二項表示電遷 移項 ， Z| 為電荷數 ，為電遷移數 ， F 為法拉第常數 第三項表示 對流項 ， 為流體流速。

 對于大氣腐蝕，電解質為很薄的液膜其對流速度為0 很小 可忽略不計 且其濃度梯度 因此對流項主要 山電遷移項組成 [17] 。

 電荷守恒則滿足電荷守恒方程：

其中 ， O表示電解液中的反應源相。 同時 ， 滿足局部電中性：

兩相界面區域主要發生的氧化還 原反應和電極極化過程 蝕 由于氧在液膜中擴散很容易 以陰極過程一般為氧的去極化過程

對 于Corrosion Master軟 件 ，有一個專門對極化曲線進行前處理的軟 件 Curve Analyze曲線分析軟件。 該 軟件專門分析金屬基材在液膜下的腐 蝕極化行為 ， 其本質是將極化曲線分 解為氫的生成反應 ， 氧的還原反應以 及金屬的氧化反應 ， 然后借助Bulter-Volmer方程將其用 數學表示式表示出 來以便軟件進行計算仿真 。

 2 Corrosion 過程 Master仿真計算

利月Corrosion Master腐蝕仿 真 軟 件研究金屬腐蝕過程相對簡單 如圖1 所示 ， 主要有三部分 輸入部分計算仿真以及輸出部分。

圖1 Corrosion Master 仿真模擬流程

2. 1幾何模型、環境參數及材料參數的獲取

幾伺模型的建立

本文采用CATIA軟件構建幾何模型 。 構建的螺接柳接連接件如圖2 和圖3所示兩種連接件均由三塊板 材及8個螺栓螺母或者柳釘組成 中板材1 和板材2 均為2A12鋁合金 板材3 為30CrMnS燦2A高強鋼螺栓 、 螺母和柳釘均為鑄鐵 。 本文主要研究 裸金屬連接件的腐蝕規律 ， 分材料均沒有添加涂層。

圖2螺栓連接件幾何模型

圖3柳釘連接件幾何模型

構建完幾何模型之后 ， 需將幾何模型輸出 為 STL格式 ，以便Corrosion Master模型的 輸入 。

材料參數及環境參數的獲取

本文所需 的材料參數為各個材料的極化曲線數據，由Corrosion Master 極化曲線數據庫提供 。 如圖 4所示 ， 將極化曲線數據導入Curve Analyze軟 件分析軟件 ， 對各材料的極化行為進行分析。 隨后 ， 將分析后的數據導入 Corrosion Master 里面作腐蝕仿真計算 。

環境設定為海洋大氣環境，其環境特征為高鹽、高濕，結合文獻及海南萬寧站的試驗結果 ， 環境的主要設 定參數及設定值如表1所示

圖4 極化曲線前處理：（a）2A12鋁合金；（b）30CrMnSiNi2A高強鋼；（c）鑄鐵

表1 主要輸入環境參數設定值

2 . 2 仿真過程求解

環境參數是設置如醫5a所示 ， 在軟件的環境選項下 ， 根據獲取的環境參數值 ， 設置好每-個參數 ， 材料參數的設置如圖5b所示 首先將材料的極化曲線數 據經過Curve A nalyze曲線分析軟件處理之后 ， 將其導入到 Corrosion Master的數據庫中 然后在Cor「osion Master的材 料選項中便可以賦予各個材料極化曲線性能 。

圖5環境參數（a）及材料參數（b）的設置

定義好環境參數和材料參數之后 ， 便可以進行求解計 算。 本文計算時長均為300天 ， 周期為30天 ， 最大迭代次數為20次 ， 收斂標準為 -6級 。 如圖6所示 ， 在計算之前 對材料進行了網格劃分 ， 本模型共劃分5 000個網格。

圖6幾何模型網格劃分

3仿真結果與討論

 3. 1腐蝕仿真結果分析

 Corrosion Master仿真計算完成后會自動生成結果 同時 可用Xplore「打開并進行后處理 。 在后處理過程中 模型的腐蝕速率 腐蝕電位 、 腐蝕電流及腐蝕形貌等多個腐 蝕特征值 以便全方面分析金腐的腐蝕特點 。 圖7為螺接件液膜厚度為200n m的腐蝕速率圖， 其中， 圖a-e為螺接件整體的腐蝕速率圖 ， 可導出 醫d-g為單個零件的 腐蝕速率圖 。 從圖中我們可以看出 ， 在本文所選用的幾侗模

圖7螺接件液膜厚度200nm下的腐蝕速率圖

型和材料下 ， 腐蝕主要發生在板材1和板材2。 板材1和板 材2的背面（定義所有向上的面為正面 ， 向下的面為背面） 腐蝕速率大千正面 ， 且與螺栓接觸的周邊腐蝕速率最大 。 這是由千2A12鋁合金電極電位比高強鋼和鑄鐵都要低 ，因此在與高強鋼和鑄鐵接觸的部分均形成電偶腐蝕 ，且充當陽極 ， 從而發生電化學腐蝕 。

圖8螺接件液膜厚度200nm下的腐蝕電流分布

圖9螺接件液膜厚度200nm下的腐蝕電壓分布

進-步分析模型的腐蝕電位和腐蝕電流 ， 如圖8和圖9 所示 ， 其電位和電流與腐蝕速率有著很好的-致性 。 如圖8 所示 ， 情況 ， ／丿IL。 同腐蝕速率 -樣 ， 圖a-c為螺接件整體的電流分布 圖d-g則為各個零件的分布情況 。 腐蝕電流的分布 情況與腐蝕速率分布-致 ， 都表現為板材3和螺栓螺母上面 幾何沒有腐蝕電流 ， 而板材1和板材3上面的腐蝕電流分布 則是背面大于正面 ， 與螺栓接觸的周邊表現出最大的腐蝕電流。

圖9為螺接件的腐蝕電壓分布 。 從圖中可以看出 ， 螺栓 的最底部出現電壓的最高值 沿著螺栓向電壓呈現梯度 分布，在三塊板材中 板材3背面電壓最高板材1和板材 2正面電壓最低 。

圖10 螺接件液膜厚度200nm下的腐蝕形貌

連接件的腐蝕形貌如冤 1 0所示 。 與腐蝕速率-致 ， 腐 蝕主要發生在板材1和板材2。 從圖中可以發現 ， 板材1和 板材2的接觸面腐蝕掉 -部分 與螺栓相接的部分腐蝕嚴 重板材1和板材2背面與板材3邊緣相接的部分腐蝕明顯 。 由圖4中可知 三種材料的電極電位滿足 2A12 鋁合金＜ 30CrMnS仙2A 高強鋼＜鑄鐵 。 根據腐蝕熱力學原理 ， 兩材 料電極電位相差越大 越容易發生電化學腐蝕 。 因此 本試 驗中 ，2A12 鋁合金與鑄鐵構成的電偶電極更容易發生腐蝕。

3. 2不同連接件腐蝕仿真研究

同樣的板材尺寸 同樣的材料采月不同的連接件連接其腐蝕效果會有很大的不同 。 本文分別采用了螺栓連接（簡稱螺接）和鋇釘連接（簡稱釧接）兩種連接方式 ， 研究他們的腐蝕差異及其機理 。 圖11為不同連接件結構的腐蝕電壓 （a-b）及腐蝕電流圖（c-d） 。 從圖中我們可以看出 ， 螺 接件電壓最高處為螺栓的底部 ， 而柳接件則為板材3的底部 。 除此之外 螺接件整體的電壓差大于柳接件 。 對比兩種連接 件的腐蝕電流螺接件的電流強度整體高于釧接件反映到 腐蝕速率（圖 12 a. b）上面 ， 則體現為螺接的腐蝕速率整 體高千釧接件的腐蝕速率 。 自然地 螺接件的腐蝕效果相對 千釧接件更為明顯（圖 12 c 、 d） 。 這種腐蝕的差異源自千陰極和陽極的尺寸差異 。 陰極和 陽極的面積比對電偶腐蝕速率的影響很大 其規律為 陰極 與陽極的面積越大 ， 陽極的腐蝕速率越大 。 在本文選用的兩 種結構中 ， 螺栓件的尺寸明顯高千釧釘 使得螺栓連接件 具有更大的陰陽極面積比 ， 因此其腐蝕速率較釧釘連接件更 大 ， 從而帶來更加明顯的腐蝕形貌 。

圖 11 不同連接件結構的腐蝕電壓（a） （b）及腐蝕電流（c）（d）

圖 12 不同連接件結構的腐蝕速率（a） （b）及腐蝕形貌（c）（d）

圖 13 不同液膜厚度的腐蝕電壓（a）- （c）及腐蝕電流 （d） -（t）

3 . 3螺接件不同液膜厚度腐蝕仿真研究

由千南海地區降雨噩比較大 降雨較為頻繁 連接件的 液膜厚度不是固定在 2 00nm, 因此 ， 本文除 2 00nm的液膜厚度外還研究了400nm, 600nm液膜厚度下的腐蝕情況 。選擇螺接件為研究對象 ， 其不同液膜厚度下的腐蝕 仿真結果如匼 13 , 圖 14所示 。 從圖 13a- C中夠可以看出 ， 隨若液膜厚度從 2 00nm 增加到400nm, 其腐蝕電壓的分布規律不變， 但是各區域的電壓強度均減少， 與之對應 ， 腐蝕電流強度也相應的減小（圖 13d-f） 。 同時 ， 腐蝕速率也隨著液膜厚度的增加而減小（圖 14a- c） 腐蝕形貌也隨之減輕（圖14d-f） 。

-般來說 大氣腐蝕速率隨液膜厚度的變化有三個階 段[15] 干大氣腐蝕 、 潮大氣腐蝕和濕大氣腐蝕。 干大氣腐 蝕 ， 其水膜厚度約為 1 - 1 0nm, 潮大氣腐蝕水膜厚度約 1 0- 1 00nm 濕大氣腐蝕水膜厚度為 1 00nm- 1 mm。 在濕大氣腐 蝕中 由隨著液膜厚度的增加氧擴散的阻力增加使得陰 極反應速率降低 ， 因此腐蝕速率降低 。 因此 ， 在本文的螺栓 連接件中 ， 當液膜厚度由200nm 增加到600nm時 ， 其腐蝕 速率反而降低 。

4結論

本文選用 Cor「 osion Master金屬腐蝕仿真軟件 ， 對飛機 蒙皮連接件不同連接件結構和不同液膜厚度下的腐蝕行為進行仿真研究。 研究結果表明 對于螺栓連接件板材 1 和板材 2 與螺栓連接部分腐蝕程度最大， 其 次是與板材3邊緣連接部分， 不同的連接方式， 由 于其陰陽極的尺寸比不同， 會使得連接件發生不同 程度的腐蝕不同的液膜厚度材料的腐蝕行為也 不同， 具體表現為液膜厚度越厚， 腐蝕速率越小， 這是山千液膜厚度的增加加大了氝擴散的阻力。 本 文為飛機的防護設計和日常維修提供理論支撐， 同 時也為腐蝕試驗提供設計依據， 可大大縮短試驗時 間， 節約試驗成本。

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