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金涛:瞄准防腐前沿技术 夯实装备发展基础

2017-11-08 09:26:24
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

十八大以来,加快推进“建设海洋强国”战略的深化实施成为我国当前和今后一段时期内的重要任务,作为装备安全性使用的基石,腐蚀防护与控制技术的发展水平是影响和制约海军装备先进性、可靠性、安全性及综合作战能力的重要保障因素。为了全面科普航空装备防腐技术前沿,了解中国特种飞行器在防腐技术研究方面面临的机遇与挑战,记者特邀请到中国航空特种飞行器研究所金涛高级工程师做相关方面的精彩解读。

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金涛 中国航空特种飞行器研究所高级工程师

 

    十八大以来,加快推进“建设海洋强国”战略的深化实施成为我国当前和今后一段时期内的重要任务,作为装备安全性使用的基石,腐蚀防护与控制技术的发展水平是影响和制约海军装备先进性、可靠性、安全性及综合作战能力的重要保障因素。为了全面科普航空装备防腐技术前沿,了解中国特种飞行器在防腐技术研究方面面临的机遇与挑战,记者特邀请到中国航空特种飞行器研究所金涛高级工程师做相关方面的精彩解读。


    记者:结构腐蚀防护与控制技术属于航空装备的重要技术领域,未来一段时间基于我国国家战略规划及海洋航空装备发展需求,请您谈谈海洋装备腐蚀防护与控制技术发展面临的机遇与挑战。

 

    金涛:随着我国“海洋强国”、“一带一路”、“海洋十三五规划”等重大战略的提出与实施,越来越多的装备将使用于恶劣的海洋环境下,部分环境正常工作温度低于零下 30℃,高至零上70℃,温度最大可达 100%,盐雾浓度接近 3%,这些高温、高湿、高盐雾等恶劣的环境因素加速装备腐蚀。XX 直升机海洋环境下使用以来所暴露出的严重腐蚀问题,表明我国海洋装备腐蚀防护与控制体制及技术水平与欧美强国仍存在较大差距,已严重影响飞机的使用安全性和使用寿命。


    我国海洋装备的需求与发展将逐渐趋向于深蓝海域,对装备的寿命、使用安全性、可靠性、低成本使用要求越来越高,这不仅对研发设计过程中融入腐蚀防护与控制理念提出要求,同时对装备使用过程中的全面维护与维修提出了新的挑战。具体表现为:


    一是新形势海洋装备的使用要求必须有健全的腐蚀防护与控制管理及技术体系。美国海洋装备在各种规划的具体落实方面投入了巨大精力,根据不同时期的战略需求变化,及时调整包括设计、制造、维护与维修等全寿命期的腐蚀防护与控制,对于我国而言没有远海装备使用的经验,缺乏对于装备全寿命周期宏观和微观腐蚀防护与控制的经验,这就需要有健全的腐蚀防护与控制管理及技术体系。


    二是装备从近岸走向远海对结构 /设备在极端条件下的环境适应性、可靠性、安全性等提出了更高的要求。装备在严酷的海洋环境中服役,必然会面临腐蚀问题,导致海洋装备腐蚀问题最为突出。我国海洋装备将逐步从近海走向远洋,装备服役环境更为恶劣,对结构/ 设备的环境适应性、可靠性、长寿命要求越来越高。这就要求装备在研发设计过程中需要充分考虑腐蚀的影响,强化结构抗腐蚀细节设计,增强结构在极端恶劣环境下的抗腐蚀能力。


    三是海洋装备寿命要求延长对关键结构材料和腐蚀防护材料技术提出了严峻挑战。过去 60 年来,我国舰船寿命要求不超过 30 年提升到目前的 45 年服役要求,飞机日历寿命提升至目前大约30 年左右。随着战略转型和越来越多的重大战略装备进入研制流程,对重大装备寿命提出了更高的要求,这对关键结构材料的耐腐蚀、长寿命、高可靠性提出了挑战。


    四是大量海军装备驻岛使用要求积极开展腐蚀维护与维修技术及其防护产品应用研究。海洋恶劣环境将对装备造成严重的腐蚀影响,未来一段时间对如何作好岛礁装备的腐蚀维护与维修工作将是面临的一道难题。


    记者:贵所通过多年的预先研究开展了诸多腐蚀防护与控制技术储备,针对航空装备海洋环境下使用模式和发展需求,请谈谈贵所腐蚀防护与控制研究中心当前的前沿技术研究进展情况,如您负责的飞机结构腐蚀监测技术研究进展及应用情况。


    金涛:中国特种飞行器研究所腐蚀防护中心以型号腐蚀防护与控制工程应用技术需求为导向,对腐蚀防护与控制的基础理论、关键技术攻关、前沿技术等开展了系统研究,突破海洋环境下使用的防腐蚀关键技术,为保障重点型号使用对于防腐的需求奠定了技术基础。就目前而言,针对型号研制、使用维护与维修等防腐技术需求,开展了多项前沿技术研究,如石墨烯重防腐特种涂料防护技术、飞机结构腐蚀监测技术、飞机结构腐蚀仿真模拟与预测技术、先进的表面处理工艺等。


    (1)开展了基于石墨烯改性的重防腐特种涂料防护技术研究。采用氧化石墨烯的表面功能化改性和涂层的微结构调控技术,提升了涂料的防腐性能,探索了高性能石墨烯改性防腐蚀涂料、绝缘石墨烯防腐蚀涂料等配方工艺,开发的高性能石墨富锌重防腐涂料,达到了9000h的耐盐雾性能(划叉法)。目前,研究中心正在与广东省航运科学研究所合作,开展石墨烯防腐涂料在南海民船上的涂装工作。


    (2)开展了飞机结构腐蚀监测技术研究。国外基于电化学的腐蚀损伤监测技术实现了较大的技术突破,已经在军、民用飞机上实现了工程应用。如美国海洋护航卫队在 HC-130、HH-60、HU25 飞机上安装了几十个薄片式腐蚀传感器,以监控结构的腐蚀速率及评定使用维护措施的有效性;美国海军将腐蚀监测传感器应用于 C-130、F-16、H-60等飞机上,采集了 3 ~ 5 年的腐蚀环境或腐蚀速率数据,通过传感器对清洗周期、缓蚀剂和防护体系的性能进行了在线评价。国内开展了基于腐蚀引起较大的应力或应变后监测的压电、光纤、声发射等原理的腐蚀监测技术应用,基于电化学的腐蚀监测技术在石油化工行业有一定应用,但只适用于本体溶液或本体介质,不适用于大气环境中薄液膜下的腐蚀监测。鉴于此,中国特种飞行器研究所依托工信部民机科研专项技术研究项目开展了飞机结构腐蚀监测技术研究及腐蚀监测系统研制,借助于电化学理论分析和试验验证,突破了空气薄液膜状态下的电化学腐蚀监测技术,建立腐蚀特征量与腐蚀监测系统输出信号的映射关系,开发了飞机结构腐蚀监测系统及可视化软件分析系统,可实现对空气薄液膜状态下的涂层老化、金属腐蚀速率、温度、湿度、环境严酷度、表面湿度 pH 值、离子浓度的监控,该腐蚀监测系统获得了军方机关单位的认可并下发了军机验证试飞计划,并于舟山开展了民用飞机可靠性、稳定性及功能性装机试飞测试验证,同时获得了多家行业内单位的采购与合作应用。


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图1 氧化石墨烯表面功能化改性示意图

 

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图2 石墨烯改性防腐涂层体系的微结构设计示意图

 

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    (3)开展了结构腐蚀损伤仿真模拟及预测技术研究。目前国内飞机结构的抗腐蚀设计与评估主要是基于实验室加速环境试验、外场暴晒试验以及使用经验等,其存在试验周期长、经济成本高、对设计反馈滞后严重等缺点。国外已通过开发全尺寸腐蚀模拟仿真和建模工具实现对飞机全机的三维腐蚀仿真模拟。

 

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    国内在飞机结构腐蚀模拟预测技术方面的研究仅限于试验室环境简单的试片,无法考虑结构几何、维护等因素对腐蚀的影响,对复杂环境及结构难于适用,离实际应用尚有距离。中国特种飞行器研究所以水陆两栖飞机在恶劣的使用环境下面临的腐蚀问题为需求背景,针对水陆两栖飞机使用环境特点,采用表面电势、介观建模分析和机器学习等技术,开展了基于面结构光的腐蚀损伤高精度立体检测技术及图形算法、基于图形处理和机器学习的蚀坑三维形貌重建技术、基于数据驱动的典型结构材料蚀坑萌生及生长规律、基于表面电势和介观建模的典型结构腐蚀预测与分析技术等技术研究,建立机器学习、介观建模、边界元技术腐蚀仿真模块,实现智能化的参数选择及其计算流程,构建模块间的相互接口、数据传输方式及仿真数据库。

 

    (4)开展了防腐涂层可视化监测与评估技术研究。针对海洋环境中防腐涂层腐蚀失效可视化监测评估的技术难题,利用三维立体视觉测量系统的无损检测技术获得涂层损伤形貌图像,通过图像处理的小波变换、图像分割、边缘识别、轮廓检测与跟踪等相关算法,提取防腐涂层腐蚀损伤特征参量,开展防腐蚀涂层腐蚀损伤识别与量化技术研究,并建立损伤评价体系,系统分析腐蚀程度以及不同腐蚀程度的变化规律,揭示其不同阶段腐蚀损伤的界限规律。


    记者:在航空装备型号研制过程中,如何将贵单位的技术研究成果成功运用于型号研制过程中?


    金涛:中国特种飞行器研究所从“八五”至“十二五”期间开展了大量的航空装备预先研究,以型号装备为依托、以关键技术为牵引、以装备服役环境为出发点,积极吸收和借鉴国内外先进防腐蚀技术和管理经验,立足现有装备和现有技术,努力推进已有研究成果和应用,持续对现有航空装备进行腐蚀防护与控制技术改进,有真对性的基于装备腐蚀防护与控制需求开展腐蚀防护与控制预先研究,实现了技术成果的转化和应用。今后的防腐技术研究工作中,将继续强化航空装备腐蚀防护与控制新技术、新材料、新工艺研究,有效满足航空装备战略转型和装备转型对腐蚀防护与控制技术研究的需求。


    记者:针对国家战略发展布局及未来技术发展前沿,您认为未来型号防腐技术应该关注的方向,基于此贵所该如何调整思路和方向开展技术研究储备工作?


    金涛:随着国家海洋战略的推进,海洋航空装备得到了跨越式发展,同时也面临着使用环境和使用方式的变化:一是使用环境发生了重大转变,将越来越多地在恶劣的海洋环境下服役;二是使用方式将逐渐发生重大变化,航空装备将越来越多地随舰使用。这就需要具有更强的抗腐蚀能力和更低的维护保障需求,对腐蚀防护与控制技术也提出了更高的要求。


    中国特种飞行器研究所腐蚀中心瞄准未来新一代航空装备海洋环境下的使用需求,需要重点开展以下几个方面的技术研究:针对复合材料、新型金属材料和非金属功能材料在海军航空装备使用增多的情况,需要开展复合材料在海洋环境下腐蚀特性研究;重点围绕新一代航空装备特种防护材料及防护工艺研究,如微弧氧化应用技术、环保型代镉工艺、自修复 / 自愈合涂料、石墨烯防腐涂料、隐身涂料海洋环境下损伤评估及维护修理技术、新型密封材料及先进的表面处理技术等研究;开展基于图形处理、机器学习的蚀坑三维形貌重建技术以及数据驱动的典型结构材料蚀坑萌生及生长规律等仿真模拟研究;为提升腐蚀早期发现及早期维护处理能力,降低维护保障压力,及早控制腐蚀损伤恶化,需要重点开展健康监控应用技术研究;加强腐蚀损伤外场快速修理技术研究,降低修理对航空装备的使用影响;针对岛礁装备的严重腐蚀问题,开展驻岛装备的腐蚀维护与维修技术研究。


    后记:


    采用合理的腐蚀防护设计和有效的腐蚀控制措施对保证飞机在使用寿命期内的飞行安全尤为重要。中国特种飞行器研究所结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室针对抗腐蚀设计与分析、腐蚀损伤分析与评定、腐蚀损伤维护与修理等三个我国航空工业急需的重要支撑技术进行全面深入的研究,引领本领域技术创新发展的需求,为我国特种飞行器产业的飞跃发展做出了重要贡献!我们衷心祝愿其百尺竿头更进一步!


    ●  人物简介

 

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    金涛,男,汉族,1984 年生,博士后,高级工程师,2014 年毕业于北京航空航天大学获得材料物理与化学专业博士学位,荆门市龙泉英才计划“产业高端创新人才”,2015 年被评为中航工业通飞“专业技术领军后备人才”,北京航空航天大学科研流动站在站博士后(2017 年 7 月出站)。主要从事航空材料相关方向的研究工作,在中国特种飞行器研究所腐蚀防护与控制研究中心主要从事飞机抗腐蚀设计、腐蚀损伤监测与分析等技术工作,现在主要负责管理腐蚀中心预先研究课题(包括工信部民机科研、海装、空装、国防科工局等渠道预先研究课题),分管结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室日常运行工作,现担任工信部民机专项科学技术研究“通用飞机水上使用的新型密封与防腐蚀测试技术研究”课题负责人,组织申报成功工信部民机科研“大型水陆两栖飞机结构腐蚀防护与控制技术研究”和《水陆两栖飞机结构腐蚀防护与控制设计标准研究》项目,参与了多款型号研制的顶层文件编写工作。长期跟踪并开展并突破了飞机结构腐蚀监测技术,研制出飞机结构腐蚀在线监测系统,实现了飞机工程化应用。发表学术论文30余篇,其中SCI收录18篇,EI收录3篇;申请专利 4 项,授权 1 项,受理 3 项。

 

 

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标签: 金涛, 中国航空特种飞行器研究所, 航空, 腐蚀防护

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