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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-03-12 21:12
1、 研究背景
飛機金屬結(jié)構(gòu)表面防護層是結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的第一道防線。在飛機金屬結(jié)構(gòu)的服役過程中，結(jié)構(gòu)表面防護體系首當(dāng)其沖。具有表面防護體系的飛機結(jié)構(gòu)，在投入使用后不久，在腐蝕介質(zhì)及載荷的耦合作用下，其表面防護層往往在偏離預(yù)期的保證期出現(xiàn)脫落、裂縫或裂紋、起泡等，從而導(dǎo)致防護層失去起保護作用，使得腐蝕介質(zhì)不斷侵入，對基體材料構(gòu)成腐蝕。為了保障涂層的可靠性，需掌握飛機金屬結(jié)構(gòu)涂層的失效機制，在此基礎(chǔ)上建立有效的失效預(yù)測模型。圍繞防護涂層的失效研究主要在以下幾方面：
1）結(jié)構(gòu)及其防護涂層的腐蝕原理、各腐蝕相關(guān)因素的腐蝕機理，如鈦-鋼螺栓搭接件的電偶腐蝕機制，紫外、水、溫度、濕度、SO2、Cl-、沙漠、力學(xué)因素等對涂層的腐蝕原理；
2）結(jié)構(gòu)及其防護涂層在不同腐蝕環(huán)境下的失效行為，如在深海環(huán)境、海洋環(huán)境、大氣化境、熱浸鍍合金熔體等環(huán)境中的腐蝕現(xiàn)象、失效原因、改進措施；
3）防護工藝研究。防護涂層在服役環(huán)境中逐漸老化失效，目前，國內(nèi)研究中或單純采用老化試驗來評價涂層的材料性能，或單純采用鹽霧等腐蝕試驗來研究涂層-合金體系耐腐蝕性能，還沒有充分考慮環(huán)境因素之間相互作用導(dǎo)致的損傷失效表征和演化規(guī)律。防護涂層失效預(yù)測模型方面，有的研究提出防護涂層的老化分析模型，如阻抗模值老化動力學(xué)模型，但該模型分析的是某特定頻率下阻抗模值與試驗周期之間的關(guān)系，并不能給出防護涂層失效的程度；或者利用失效現(xiàn)象，如從鼓泡的數(shù)量和面積入手，根據(jù)周期的變化情況進行分析，指導(dǎo)可能的失效情況。文獻(xiàn)分析表明，防護涂層的失效預(yù)測預(yù)防研究缺乏。
在腐蝕介質(zhì)及載荷的耦合作用下，金屬表面防護體系往往出現(xiàn)失效，揭示飛機金屬結(jié)構(gòu)典型防護體系材料在多場耦合服役環(huán)境下破壞行為和失效機理，建立飛機金屬結(jié)構(gòu)典型防護體系材料損傷演化模型和失效預(yù)測模型，可為實現(xiàn)多場耦合服役環(huán)境下飛機金屬結(jié)構(gòu)服役使用壽命評定、預(yù)測及單機壽命監(jiān)控提供基礎(chǔ)。本文研究防護體系材料在腐蝕環(huán)境或腐蝕＋載荷耦合環(huán)境作用下?lián)p傷演化行為、表征參量和失效判據(jù)，采用損傷形貌和電化學(xué)阻抗譜結(jié)合的方法，在防護涂層失效預(yù)測模型研究的基礎(chǔ)上，分析防護涂層失效階段的評價方法。
2、 試驗材料與方法
模擬實驗環(huán)境譜見圖1，模擬分析金屬結(jié)構(gòu)在海南三亞和山東團島服役環(huán)境下的損傷失效行為，紫外輻照試驗是為了模擬太陽光對有機涂層的老化作用，試驗在紫外輻照箱中開展。熱沖擊試驗是為了測試氣溫的變化對有機涂層的作用影響，試驗在熱沖擊試驗箱中開展。低溫疲勞試驗是為了測試材料在高空低溫條件下的疲勞性能，試驗在帶在低溫箱的MTS疲勞試驗機上開展。鹽霧試驗?zāi)MSO2、Cl-對防護涂層的影響，在鹽霧箱中進行。
圖1 試驗譜每周期具體試驗條件
對3代飛機在外場使用、腐蝕、失效情況進行調(diào)研分析，確定失效發(fā)生概率較高的典型研究部位作為模擬部位，如中央翼3墻部位、中央翼25框處、左尾梁下壁板和平尾大軸等。模擬結(jié)構(gòu)包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不包括紫外線輻照試驗環(huán)節(jié)，模擬試樣分為2類，不包括低溫疲勞試驗環(huán)節(jié)的矩形板試樣和包括低溫疲勞試驗環(huán)節(jié)的疲勞試樣（圖2）。
圖2 試驗所用的兩類試樣
金屬基體7B04鋁合金，模擬結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部的防護體系一致，防護體系如下：硫酸陽極化，重鉻酸鹽填充，噴漆（S06-0215）2層交叉噴。表面防護參數(shù)為硫酸陽極化（電壓18V，180g/L硫酸，25min，膜厚8～9μm）和重鉻酸鹽填充。噴漆（S06-0215）2層交叉噴，厚度為50～60μm。
金屬基體30CrMnSiA鋼、AF1410鋼、30CrMnSiNi2A鋼，模擬結(jié)構(gòu)內(nèi)部的防護體系為底漆為：噴丸+H06-076底漆；模擬結(jié)構(gòu)外部的防護體系為：噴丸＋噴鋅＋1層H06-076底漆＋1層881-Y01磁漆。試樣表面處理工藝中噴鋅厚度為30～60μm，底漆為H06-076，灰色，厚度為15～25μm；磁漆為881-Y01，藍(lán)色，厚度為40～60μm。
噴丸參數(shù)：噴丸強度為0.3A，230鋼，彈丸直徑為0.6mm，覆蓋率100%。
4種模擬環(huán)境、4種金屬基體、疲勞試樣和非疲勞試樣共32種組合下共400多個試樣。
對不同防護層、不同試驗條件下的試樣，定期進行表面宏觀、微觀損傷形貌觀察分析，對防護層的電化學(xué)性能進行測試分析，通過截面信息對損傷的深度及損傷過程進行分析，在以上分析的基礎(chǔ)上對防護層的失效機制、失效表征參量，失效形貌與電化學(xué)之間的關(guān)系進行研究。
對國內(nèi)外防護層失效預(yù)測模型進行調(diào)研分析，防護層失效預(yù)測模型主要有阻抗模值數(shù)據(jù)處理法、老化動力學(xué)模型。分析現(xiàn)有模型存在的局限性，在此基礎(chǔ)上，對老化動力學(xué)模型進行改進，提出全頻率老化動力學(xué)模型，并新建立神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)失效預(yù)測模型。利用鋁合金、鋼及其防護涂層在不同實驗條件下的實驗結(jié)果對各模型的預(yù)測結(jié)果進行比對分析。
3 、防護涂層失效行為
1）主要失效形貌和影響因素
本文統(tǒng)計分析三亞內(nèi)部、三亞外部、團島內(nèi)部和團島外部4種模擬環(huán)境、4種金屬基體、疲勞試樣和非疲勞試樣32種組合下共400余個試樣隨著試驗周期的變化其損傷演變情況。防護層的主要失效模式為點蝕和電偶腐蝕，鋁合金防護層在試驗過程中主要呈現(xiàn)顏色變化、花斑和鼓泡現(xiàn)象，鋼表面防護體系在試驗過程中主要呈現(xiàn)顏色變化、鼓泡和剝層現(xiàn)象。雖然基體材料和防護層不同，但以上損傷均是在在模擬環(huán)境譜各因素綜合作用下的結(jié)果 。
從試驗譜中可以看出，試驗參數(shù)包括紫外線、熱、疲勞載荷和鹽霧。紫外光照射能引起涂層的化學(xué)變化，如使碳鏈發(fā)生斷裂，涂層孔隙率增大，使涂層老化。酮、醇、酸等小分子易在涂層光老化過程產(chǎn)生，這些小分子很容易被水沖刷掉，涂層高聚物不均勻的損失會表現(xiàn)出“花斑”形貌。1）應(yīng)力對涂層損傷的影響：由于合金表面的漆層與基體金屬延伸性存在差異，在拉應(yīng)力的作用下，促進合金的氧化膜及漆層破裂。在疲勞試驗過程中，應(yīng)力主要起到促進防護層開裂或剝落、降低防護層與基體的結(jié)合強度、促進腐蝕介質(zhì)穿過防護層的作用。在涂層中可能存在殘余應(yīng)力、吸濕應(yīng)力、熱應(yīng)力和其它因素導(dǎo)致的應(yīng)力，這些應(yīng)力能夠使涂層發(fā)生膨脹，當(dāng)涂層的附著力不能承受應(yīng)力引起的變形時就會起泡；2）熱和溫度對涂層老化作用：影響化學(xué)和光化學(xué)反應(yīng)的速度，加速某些高聚物發(fā)生降解，導(dǎo)致性能下降；影響有機涂層中添加劑以及外來組分（雜質(zhì)、污染物等）的擴散速度；導(dǎo)致收縮和膨脹，加速材料的龜裂和開裂。
在有機涂層涂裝過程中，可以通過嚴(yán)格控制涂裝工藝控制宏觀缺陷，但微觀缺陷不能完全避免。憑借微觀缺陷，可以在涂層中形成長徑比很大的腐蝕通道，水、氧等半徑較小的分子可以通過這些通道擴散到涂層-基體的界面區(qū)域，形成微觀腐蝕原電池，進而使得基體發(fā)生腐蝕。另外，涂層即使達(dá)到理想狀態(tài)，也會發(fā)生涂層表面水分子吸附、擴散和溶滲作用，可到達(dá)涂層金屬基體界面。
2）失效形貌與電化學(xué)阻抗之間定量關(guān)系
通過對防護層表面損傷形貌演變分析，防護層和基體金屬界面損傷形貌定量表征，防護層電化學(xué)阻抗隨試驗周期的演變分析，研究防護層材料損傷演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著試驗周期的進行，失效形貌的變化與電化學(xué)參量存在一定的對應(yīng)關(guān)系，本文給出不同失效階段低頻電化學(xué)阻抗模值范圍，以及對應(yīng)的失效形貌。
以30CrMnSiA鋼基體表面噴丸+噴鋅+噴底漆+噴磁漆防護層在團島外部環(huán)境下（沒有低溫疲勞試驗環(huán)節(jié)）為例，給出失效形貌演變和電化學(xué)參量的變化。
第1周期至第17周期試樣表面沒有明顯變化；第18周期，試樣內(nèi)部出現(xiàn)數(shù)量較多、尺寸細(xì)小的鼓起，鼓起肉眼觀察不明顯；第19周期，試樣內(nèi)部細(xì)小的鼓起有所長大，尺寸增大，肉眼基本可見；第20周期，出現(xiàn)尺寸較大的鼓泡；第21周期，尺寸較大的鼓泡明顯長大，其他鼓起變化不明顯，隨著試驗的進行，大鼓泡周圍出現(xiàn)較多尺寸較小的鼓泡，之后的腐蝕周期，至試驗結(jié)束，第24周期，腐蝕現(xiàn)象更加嚴(yán)重。失效形貌演變見圖3。
圖3 不同實驗周期損傷形貌變化
不同周期下的bode圖見圖4，從圖中可以看出在隨著試驗的進行試樣不同頻率下的阻抗模值出現(xiàn)明顯變化，未試驗至第17周期時，bode圖基本在一個區(qū)間內(nèi)分布，不同周期之間的差別不明顯，第18周期及之后，bode圖基本不重合，明顯隨著試驗周期的增多，呈下降趨勢。
不同周期0.1Hz時的阻抗模值|Z|見圖5，未試驗時阻抗模值在109Ω·cm2水平，試驗初期阻抗模值在108~109Ω·cm2水平波動，隨著試驗的進行，在第18、19周期阻抗模值有所下降至107~108Ω·cm2，并且于第20周期降至106Ω·cm2之下，阻抗模值處于106Ω·cm2之下說明涂層防腐能力已經(jīng)顯著下降。
不同周期的Nyquist圖見圖6，可知在試驗初期Nyquist出現(xiàn)一條半徑較大的容抗弧，隨著試驗的進行，容抗弧半徑逐漸變小，并逐漸出現(xiàn)感抗弧，說明涂層的防護能力逐漸下降，并引起基體逐漸受到腐蝕。
Fig.6 不同腐蝕周期Nyquist圖
微觀形貌觀察表明，涂層經(jīng)歷18個周期后出現(xiàn)輕微鼓起現(xiàn)象，在第19周期，涂層表面鼓起有所加重，在第20周期時試樣表面的腐蝕顯著加重，出現(xiàn)明顯鼓泡現(xiàn)象，說明經(jīng)歷第20周期時涂層的防護能力很弱，基本處于失效狀態(tài)。腐蝕損傷狀態(tài)（鼓泡現(xiàn)象）變化與電化學(xué)測試結(jié)果存在很好的一致性：電化學(xué)顯示在第18周期時涂層出現(xiàn)損傷、第20周期基本處于失效狀態(tài)；形貌結(jié)果顯示第18周期時涂層出現(xiàn)輕微損傷、第20周期時基本處于失效狀態(tài)。
3）失效階段的劃分及對應(yīng)的等效電路
電解質(zhì)溶液滲入有機涂層會引起涂層電容、電阻的變化，反過來也可以從涂層電容及電阻的變化了解電解質(zhì)溶液滲入有機涂層的程度，通過對不同腐蝕（浸泡）時期涂層阻抗譜的表征，實現(xiàn)對涂層防護性能和腐蝕程度進行定量分析，有機防護涂層在不同老化周期后產(chǎn)生的電化學(xué)阻抗譜呈現(xiàn)出階段性的變化，對應(yīng)不同腐蝕模型。
①浸泡初期防護層體系的阻抗譜特征
將水分還未滲透到達(dá)涂層-基底界面的那段時間稱作浸泡初期；H2O、O2和腐蝕介質(zhì)離子通過涂層表面的微孔隙縫向涂層內(nèi)滲透，但只要水分沒有到達(dá)涂層/基底界面，涂層仍具有隔絕作用，電化學(xué)阻抗譜顯示涂層只出現(xiàn)一個容抗弧，其等效電路見圖7。
Fig.7 浸泡初期等效電路模型
②浸泡中期防護層的阻抗譜特征
防護層表面尚未形成宏觀小孔的階段時間稱作浸泡中期，主要表征參量為高頻端對應(yīng)的涂層電容Cc及涂層表面微孔電阻Rpo，低頻端對應(yīng)界面起泡部分的雙電層電容Cdl及基底金屬腐蝕反應(yīng)的極化電阻R，電解質(zhì)溶液通過涂層表面的微孔滲入涂層并到達(dá)涂層/基底界面，破壞涂層與基底之間的結(jié)合，引起涂層的起泡或腫脹，基材可能發(fā)生輕微腐蝕，但在涂層表面尚未出現(xiàn)肉眼可觀察到的宏觀小孔，其等效電路見圖8。
(a)Suitable for most organic coating
(b)Zinc coating
Fig.8 浸泡中期等效電路模型
③浸泡晚期防護層的阻抗譜特征
有機涂層表面出現(xiàn)肉眼可見到的銹點或宏觀孔稱作浸泡晚期，該階段防護層表面的孔隙率及涂層/基底界面的起泡區(qū)都已經(jīng)很大，基材發(fā)生腐蝕時，涂層已開始失效。交流阻抗譜低頻部分出現(xiàn)感抗現(xiàn)象，該階段用基底反應(yīng)的電極過程表征防護層的電化學(xué)行為更合理，其等效電路見圖9。
Fig.9 浸泡晚期等效電路模型
30CrMnSiA鋼基體表面噴丸+噴鋅+噴底漆+噴磁漆防護層，在腐蝕早期（17周期之前），適用圖76中等效電路模型，使用Zsimpwin軟件分析計算防護層電阻Rc、溶液電阻Rs和涂層電容Cc。
該試樣在17個周期內(nèi)，涂層電阻均大于108Ω·cm2，涂層性能優(yōu)異，尚未受到較嚴(yán)重破壞。涂層電容先處于一個平臺期，然后增大。在平臺期，試樣處于0~14周期，雖然溶液向涂層內(nèi)滲透，但只要沒有達(dá)到涂層/基底界面，涂層仍然是一個隔絕層，有良好的保護作用。隨著周期的增加，涂層表面逐漸破壞，溶液通過微孔縫隙向涂層內(nèi)不斷滲透，涂層電容不斷增大。
在大量統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合失效機理，提出防護涂層失效階段劃分，以及不同階段防護涂層失效形貌與電化學(xué)之間的對應(yīng)規(guī)律，見表1。
表1 防護涂層失效階段劃分及不同階段損傷形貌與0.1Hz處的阻抗模值對應(yīng)關(guān)系
3 、防護涂層失效預(yù)測模型分析
結(jié)合防護體系的損傷演變過程可知，在防護層未明顯破損前，會有鼓泡現(xiàn)象，腐蝕是從防腐層與金屬基體的界面處開始的。因此，本研究中防護層的腐蝕原理主要是由于腐蝕介質(zhì)使防護層發(fā)生損傷失效，表面為鼓泡、剝落，在損傷的過程中還伴隨著腐蝕介質(zhì)穿過防護層進入金屬基體與防護層的界面使金屬基體發(fā)生腐蝕。
1）防護層失效預(yù)測模型評價、改進與新建
①阻抗模值模型
該模型認(rèn)為0.1Hz下的阻抗模值|Z|會隨著老化周期的增加而發(fā)生明顯的變化，對老化過程較為敏感，統(tǒng)計相關(guān)試樣的0.1Hz下的阻抗模值，與106Ω·cm2進行比較，大于106Ω·cm2的則認(rèn)為涂層性能良好，小于106Ω·cm2的則認(rèn)為涂層已遭到較嚴(yán)重破壞。
模型評價如下：只考慮某個周期某一頻率下的試驗數(shù)據(jù)，導(dǎo)致預(yù)測的誤差較大；針對不同的涂層，采用統(tǒng)一的大致失效判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（106Ω·cm2），沒有考慮具體涂層的防護性能，也是導(dǎo)致預(yù)測誤差大的原因。
②老化動力學(xué)模型
老化動力學(xué)模型基于0.1Hz下|Z|對老化過程非常敏感，隨著腐蝕的進行，阻抗模值呈現(xiàn)指數(shù)型降低，提出加速試驗和自然暴露試驗0.1Hz下的|Z|符合下式的老化方程：
（1）
式（1）中， |Z|(t)和|Z|0分別是老化時間t和0時涂層的0.1Hz下的阻抗模值，|Z|m為金屬基材的阻抗模值，一般為104Ω·cm2左右，t是涂層體系老化時間，θ為反應(yīng)常數(shù)，與涂層特性和老化環(huán)境嚴(yán)酷度相關(guān)，相同環(huán)境中θ越小，涂層對環(huán)境越敏感，即涂層越容易老化，不同環(huán)境中θ越小，說明環(huán)境越嚴(yán)酷。
模型評價如下：該模型認(rèn)為涂層0.1Hz下的|Z|與腐蝕時間取對數(shù)后符合線性關(guān)系，但實際上在沒有發(fā)生明顯損傷之前，|Z|并不隨腐蝕時間有規(guī)律下降，而是在某值附近上下波動，該模型沒有充分考慮涂層的損傷過程和損傷機制。該模型也只考慮某個周期某一頻率下的試驗數(shù)據(jù)，導(dǎo)致預(yù)測的誤差較大。該模型主要適用于防護層發(fā)生損傷之后，對還沒有發(fā)生損傷而需要預(yù)測損傷的情況會導(dǎo)致較大誤差。工程上更需要還沒有發(fā)生明顯損傷而需要對剩余壽命進行預(yù)測的情況。
③全頻率的老化動力學(xué)模型
在老化動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，為了降低僅利用某固定頻率下實驗數(shù)據(jù)進行壽命預(yù)測誤差問題，本文提出了全頻率老化動力學(xué)模型，見下式：
（2）
式（2）中，|Zt|和|Z0|分別是老化時間t和0時涂層的頻率為f下的阻抗模值，t是涂層體系老化時間，θ為反應(yīng)常數(shù)，與涂層特性和老化環(huán)境嚴(yán)酷度相關(guān)。
全頻率老化動力學(xué)模型與傳統(tǒng)老化動力學(xué)模型相比，改進主要有以下兩點：一是在擬合公式中去除了基體阻抗模值的影響。在涂層性能相對良好時，頻率0.1Hz時阻抗模值一般為107Ω·cm2以上，相較基體一般為104Ω·cm2的阻抗模值，相差幾個數(shù)量級，可見在涂層性能相對良好時，基體阻抗模值對于測得的阻抗模值影響可忽略不計。在涂層已被破壞時，基體實際上也已遭到破壞，阻抗模值不能簡單以104Ω·cm2計；二是采用全頻率阻抗模值擬合，還可以降低測量時偶然誤差的影響，提高預(yù)測精度。
④神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型
為了充分利用防護涂層在不同腐蝕環(huán)境譜作用下的電化學(xué)參量變化規(guī)律，以及電化學(xué)阻抗譜變化與損傷形貌之間的對應(yīng)關(guān)系，建立Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在預(yù)測時不僅考慮全頻率下的阻抗模值，同時考慮阻抗模值變化情況。Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第一層為輸入層，第二層為競爭層（輸出層）（圖11）。
Fig.11 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型示意圖
Fig.11 Schematic diagram of neuron network model
Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接應(yīng)用阻抗譜特征進行分析，利用阻抗譜Bode圖中幅頻曲線的斜率，即下式：
（3）
式（3）中f為頻率，|Z|為阻抗模值，實際應(yīng)用中用微商代替微分：
（4）
不同性能的防護層的特征參數(shù)k(f)不同。在防護層失效過程中k(f)隨防護層性能的變化而變化，可以利用k(f)的特性對涂層失效過程進行研究，利用Kohonen網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)功能，將k(f)曲線作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，競爭層上的神經(jīng)元計算輸入樣本與競爭層神經(jīng)元權(quán)值之間的歐幾里德距離[19]，距離最小的神經(jīng)元為獲勝神經(jīng)元。網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)后，網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果即可反映涂層的狀態(tài)，同時輸出被預(yù)測的曲線與哪條曲線最接近，得到預(yù)測的周期數(shù)。
在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型中，對應(yīng)防護層失效過程的5個子過程，分別為：
①防護層浸泡初期具有好的保護性能，定義為過程1；
②腐蝕介質(zhì)逐漸滲入防護層且有電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，定義為過程2；
③防護層中出現(xiàn)微孔，含水率接近飽和，有剝離傾向，保護性能較差，定義為過程3；
④防護層局部不具有保護性能，出現(xiàn)大鼓泡或小的缺陷，定義為過程4；
⑤防護層完全失效，出現(xiàn)大的缺陷，定義為過程5。
此種分類方式是對防護層腐蝕過程傳統(tǒng)分為腐蝕早期、腐蝕中期和腐蝕晚期的一種細(xì)化，其中過程1、2對應(yīng)腐蝕早期，從防護層未腐蝕發(fā)展到初步腐蝕，出現(xiàn)小鼓泡；過程3、4對應(yīng)腐蝕中期，防護層出現(xiàn)大鼓泡甚至剝離缺陷，局部喪失保護能力；過程5對應(yīng)腐蝕晚期，涂層大范圍產(chǎn)生缺陷，且較為明顯，涂層失效。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與傳統(tǒng)老化動力學(xué)模型相比，改進主要有以下4點：一是考慮涂層的損傷過程和失效機制；二是考慮全頻率下的阻抗模值，可以降低偶然誤差，提高精確度；三是是在預(yù)測時不僅考慮阻抗模值大小的影響，同時考慮阻抗模值變化情況；四是采用自適應(yīng)的自主學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)算法，而不是簡單的線性擬合。
2）不同模型失效預(yù)測效果分析
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與阻抗模值模型測試結(jié)果比較見表2，試樣標(biāo)號含義：SWZDC為三亞外部-基體30CrMnSiNi2A大試樣，無低溫疲勞；TWZDC為團島外部-基體30CrMnSiNi2A大試樣，無低溫疲勞；XDCW為三亞外部-基體30CrMnSiNi2A小試樣，無低溫疲勞；XDCWT為團島外部-基體30CrMnSiNi2A小試樣，無低溫疲勞； 30SW為三亞外部-基體30CrMnSiNi2A，有低溫疲勞；30TW為團導(dǎo)外部-基體30CrMnSiNi2A，有低溫疲勞；ASW為三亞外部-基體AF1410，有低溫疲勞；ATW為團導(dǎo)外部-基體AF1410，有低溫疲勞。由表2可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測精度普遍較阻抗模值模型高。在預(yù)測XDCW、XDCWT、30SW、30TW、ASW和ATW試樣中，阻抗模值模型預(yù)測平均誤差為1.92周期，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測平均誤差為0.5周期，精度提高74.0%。
與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比，阻抗模值模型簡單的考慮0.1Hz|Z|與106Ω·cm2的大小，優(yōu)點在于應(yīng)用簡單。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型考慮全部頻率下的全部阻抗模值進行預(yù)測，因此更為精確。
表2 阻抗模值模型與神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果對比
全頻率老化動力學(xué)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與老化動力學(xué)模型比較結(jié)果見表3，可以看出，全頻率老化動力學(xué)模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測精度均較老化動力學(xué)模型有很大提高。在所有試樣的預(yù)測中，老化動力學(xué)模型的平均誤差為10.03周期，全頻率老化動力學(xué)模型平均誤差為2.89周期，預(yù)測精度提高71.2%，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型平均誤差為1.35周期，預(yù)測精度提高86.6%。在實際應(yīng)用中更為關(guān)心涂層尚未破壞時的預(yù)測，老化動力學(xué)模型平均誤差為10.04周期，全頻率老化動力學(xué)模型平均誤差為2.80周期，預(yù)測精度提高72.2%，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型平均誤差為1.12周期，預(yù)測精度提高88.9%。
表3全頻率老化動力學(xué)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與老化動力學(xué)模型預(yù)測結(jié)果對比
*為未失效周期預(yù)測相關(guān)數(shù)據(jù)分析
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與全頻率老化動力學(xué)模型相比，在全局預(yù)測上平均誤差較小，但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是離散比較預(yù)測，而導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測會有個別周期誤差較大，如TWZDC2#試樣第1周期的預(yù)測、30TW2#試樣第4周期的預(yù)測和30SW2#試樣第4周期的預(yù)測等。全頻率老化動力學(xué)模型是連續(xù)擬合預(yù)測，則可避免這種情況的發(fā)生。
4 、結(jié)論
1）在紫外、熱沖擊、低溫疲勞和鹽霧多因素耦合作用下，鋁合金防護層主要損傷為顏色變化、花斑和鼓泡；鋼防護層主要損傷為顏色變化、鼓泡和剝層。
2）將防護層失效階段劃分為早期、中期和晚期，在不同階段，鼓泡失效形貌與0.1Hz電化學(xué)阻抗模值之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系，可以利用損傷形貌和電化學(xué)阻抗結(jié)合的方法預(yù)測防護層損傷失效階段。
3）對傳統(tǒng)老化動力學(xué)模型進行改進，提出全頻率老化動力學(xué)模型，全頻率老化動力學(xué)模型與傳統(tǒng)老化動力學(xué)模型相比，改進主要有以下2點：一是在擬合公式中去除基體阻抗模值的影響；二是采用全頻率阻抗模值擬合，可以降低測量時偶然誤差的影響，提高預(yù)測精度。
4）建立神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)失效預(yù)測模型，該模型與傳統(tǒng)老化動力學(xué)模型相比，改進主要有以下4點：一是考慮涂層的損傷過程和失效機制；二是考慮全頻率下的阻抗模值，可以降低偶然誤差，提高精確度；三是在預(yù)測時不僅考慮阻抗模值大小的影響，同時考慮阻抗模值變化情況；四是采用自適應(yīng)的自主學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)算法，而不是簡單的線性擬合。
5）利用實驗結(jié)果對提出的全頻率老化動力學(xué)模型和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型進行了測試和驗證，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)老化動力學(xué)模型相比，預(yù)測精度可提高達(dá) 50%。
通訊作者：
劉新靈，中國航發(fā)北京航空材料研究院，博導(dǎo)，研究員，主要從事疲勞斷口定量分析、高溫合金斷裂特征與機理、金屬構(gòu)件失效分析及安全評估和失效預(yù)測預(yù)防等方面的研究。
引用文章：
劉新靈,趙凱,劉春江,等. 飛機金屬結(jié)構(gòu)防護層在多因素耦合作用下?lián)p傷行為與失效預(yù)測模型[J]. 失效分析與預(yù)防,2020,15(6):349-357.
來源：Internet
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