摘 要：針對現(xiàn)階段我國在飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)控方面手段落后、效率低的現(xiàn)狀，開發(fā)基于線性極化法的能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕速率的微型傳感器，并設(shè)計(jì)加速腐蝕試驗(yàn)對該傳感器的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，開展基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕速率預(yù)測研究。結(jié)果表明，線性極化腐蝕傳感器所測腐蝕深度與鋁合金試樣實(shí)測值隨腐蝕時(shí)間變化趨勢相同，其能夠有效地對飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型在不同環(huán)境下預(yù)測的腐蝕速率平均誤差不到8%，能夠有效實(shí)現(xiàn)對鋁合金結(jié)構(gòu)瞬時(shí)腐蝕速率的預(yù)測。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)結(jié)構(gòu)；線性極化；腐蝕速率；實(shí)時(shí)監(jiān)測；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

腐蝕是飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)最主要的失效形式之一。我國飛機(jī)服役環(huán)境嚴(yán)酷，機(jī)體結(jié)構(gòu)老化和腐蝕問題嚴(yán)重，導(dǎo)致有些機(jī)種出勤率降低，維修工作量及其費(fèi)用大幅增加，制約著航空領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)性發(fā)展[1]。測算表明，腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失有30%～40%是可以通過有效的控制與防護(hù)手段避免的[2]。因此，研究飛機(jī)的腐蝕控制與防護(hù)，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕進(jìn)行監(jiān)測，保證其在壽命期內(nèi)的可靠性不僅具有重要的軍事意義，而且具有重要的安全和經(jīng)濟(jì)意義。

由于腐蝕的普遍性導(dǎo)致金屬的腐蝕無法根本消除，同時(shí)，隨著飛機(jī)逐漸步入老齡化，腐蝕問題也必將日益嚴(yán)重。為了提高飛機(jī)的安全性，延長飛機(jī)日歷壽命，對飛機(jī)在使用過程中的腐蝕情況進(jìn)行腐蝕和監(jiān)測是非常重要的[3]。采用傳感器來監(jiān)測腐蝕是迄今為止最好的選擇，它可以較早地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)腐蝕，很大程度上避免不必要的損失[4]。

針對不同的腐蝕環(huán)境，不同的結(jié)構(gòu)部位，傳感器的類型都不盡相同。其中，以線性極化法這一快速、靈敏、準(zhǔn)確的電化學(xué)腐蝕測量方法為主要原理的腐蝕傳感器在快速測定金屬瞬時(shí)腐蝕速度方面獨(dú)具優(yōu)勢，目前已成為發(fā)達(dá)國家在石油、化工等領(lǐng)域首選的腐蝕監(jiān)測技術(shù)。

目前在國內(nèi)亦有諸多學(xué)者利用線性極化法對金屬腐蝕進(jìn)行了研究。聶向暉[5]等利用線性極化技術(shù)研究Q235鋼在大港土中的腐蝕行為，結(jié)果表明Q235鋼的線性極化電阻隨溫度升高而減?。缓苷鋄6]等利用線性極化法研究金屬在海水-大氣界面的腐蝕狀況，表明垂直于海水-大氣界面的碳鋼分別在水線區(qū)域和近水線海水區(qū)域存在腐蝕峰；汪俊英[7]等采用線性極化法比較兩種鋁合金在不同酸堿度的3%鹽溶液中的腐蝕速率及腐蝕特性，得出ZL102 型鋁合金耐蝕性要優(yōu)于LF6 型鋁合金，且前者腐蝕速率總體較后者腐蝕速率小。國內(nèi)對線性極化法的研究多集中于建筑、化工等領(lǐng)域，與航空領(lǐng)域相比，這些應(yīng)用在傳感器材料、尺寸、靈敏度、工作環(huán)境等方面均有較大差別，更無法滿足對飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線監(jiān)測的需求。

因此，開發(fā)基于線性極化法的直接測量飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)腐蝕速率的腐蝕監(jiān)測傳感器，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的在線監(jiān)測，將對我國飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕控制與防護(hù)技術(shù)研究起到重大的推進(jìn)作用。

1 線性極化傳感器

1.1 傳感器原理

當(dāng)電流通過電極時(shí)引起電極電位移動的現(xiàn)象，稱為電極的極化。線性極化技術(shù)是一種使用三電極或雙電極的電化學(xué)方法，在金屬的腐蝕電位？c 附近，對待測體系施加小的電位擾動進(jìn)行電化學(xué)極化，測量所產(chǎn)生的直流電流。在低電流密度極化時(shí)，極化電位與電流接近直線關(guān)系，將二者的比值稱為極化電阻，其與腐蝕速率成反比。

1957年，Stern和Geary[8]將腐蝕極化方程圍繞腐蝕電位?c按泰勒級數(shù)展開，只取線性項(xiàng)而忽略高次項(xiàng)，推導(dǎo)了線性極化方程如下：

式中：ic為試樣的腐蝕電流；Rp為極化電阻；ba, bc分別為陽極、陰極Tafel常數(shù)，即：

式中：B 為常數(shù)，與陰極、陽極反應(yīng)的Tafel 常數(shù)有關(guān)。因此通過測量腐蝕體系極化電阻Rp即可求得體系自腐蝕電流，從而根據(jù)法拉第電解定律，得到體系的腐蝕速率。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

線性極化腐蝕傳感器由兩個(gè)間距為200μm梳狀交叉排列的微加工電極組成，其工程圖如圖1所示。圖1中的傳感器材料為2524 鋁合金，傳感器厚度為2mm，基板材料為聚酰亞胺。相較于一般較大規(guī)格的腐蝕傳感器，該微線性極化腐蝕傳感器的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，不同于常見電化學(xué)體系由工作電極、輔助電極和參比電極構(gòu)成三電極系統(tǒng)，該傳感器是一個(gè)雙電極系統(tǒng)。由于該傳感器的工作電極和輔助電極之間間距微小，可以忽略由電極之間的溶液電阻引起的電壓降低，因此可以省略參比電極，極大地簡化了傳感器模型；其次，不同于一般的電化學(xué)系統(tǒng)輔助電極由惰性金屬組成，該傳感器的工作電極和輔助電極都由工作金屬組成，即2524-T3鋁合金材料，該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠直接給出結(jié)構(gòu)腐蝕的測量信息[9]。

1.3 傳感器制造

圖1 腐蝕傳感器工程圖（單位：mm）

利用數(shù)控電火花機(jī)床對鋁合金材料進(jìn)行加工制作線性極化腐蝕傳感器電極，鉬絲寬度為0.18mm。加工完成后，考慮到傳感器的梳齒狀工作電極細(xì)長比大，采用酸洗或金相砂紙打磨表面的方法處理傳感器會導(dǎo)致工作電極變形，影響傳感器的精度，因此分別利用Na2CO3 溶液、純凈水和乙醇溶液在數(shù)控超聲波清洗器中對傳感器表面進(jìn)行清洗，去除電火花加工廢液殘留。

采用環(huán)氧樹脂將腐蝕傳感器雙電極粘貼于絕緣性好、耐腐蝕的聚酰亞胺基板上。由于鋁合金在空氣中表面易生成三氧化二鋁等非金屬物質(zhì)難以焊接，因此采用螺栓將導(dǎo)線固定于電極表面，導(dǎo)線多余部分利用焊錫包裹。最后再用環(huán)氧樹脂包裹螺栓和傳感器的背面、四周，留出電極有效腐蝕面積。待凝固后，利用無水乙醇清洗傳感器表面并吹干。制得微線性極化腐蝕傳感器如圖2所示。

圖2 腐蝕傳感器

2 傳感器可行性驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)流程

本次試驗(yàn)將線性極化腐蝕傳感器與鋁合金試樣置于相同的腐蝕環(huán)境下共同腐蝕，通過比較傳感器計(jì)算得到的腐蝕深度與試樣的實(shí)際腐蝕深度，驗(yàn)證傳感器的可行性，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)流程圖

將鋁合金加工成20mm×30mm×2.4mm 的長方體形試樣，共9 塊。將試樣按照與傳感器相同的處理方式進(jìn)行表面處理，待完全干燥后，利用分析天平分別測得每個(gè)試樣的質(zhì)量。在室溫條件下配置濃度為3.5%的NaCl 溶液，將傳感器與鋁合金試樣共同放入腐蝕溶液中。

試驗(yàn)所用儀器為RST5000F電化學(xué)工作站，將傳感器與工作站相連，待腐蝕體系開路電位穩(wěn)定后，設(shè)置試驗(yàn)方法為“Tafel 圖”，試驗(yàn)電位相對于開路電位的增量為-250～250mV，掃描速率為1mV/s，得到體系陰極、陽極Tafel常數(shù)，如圖4所示。

測得體系Tafel 常數(shù)后，更改試驗(yàn)方法為“線性伏安掃描”，試驗(yàn)電位相對于開路電位的增量為-10～10mV，掃描速率不變，得到腐蝕體系的極化電流隨電位變化曲線?？紤]到雙電層電容效應(yīng)導(dǎo)致的電流響應(yīng)滯后現(xiàn)象，對曲線后段線性擬合，得到一次函數(shù)斜率即為腐蝕體系極化電阻的倒數(shù)，如圖5所示。

2.2 極化電阻測量結(jié)果的修正

在利用線性極化法進(jìn)行腐蝕體系極化電阻測量時(shí)，由于腐蝕傳感器的雙電層電容效應(yīng)，傳感器雙電極在快速充放電過程中會產(chǎn)生附加電流Idl，導(dǎo)致測量值與實(shí)際值存在誤差。其計(jì)算公式如下：

式中：Cdl為雙電層電容效應(yīng)產(chǎn)生的電容；dEa/dt為極化電位掃描速率。極化電阻實(shí)際值與測量值的關(guān)系可由式（4）得到：

圖4 腐蝕體系Tafel曲線

圖5 腐蝕體系極化曲線

式中：Rp為極化電阻的實(shí)際值；R?p為極化電阻的測量值；Ydl為腐蝕體系的附加導(dǎo)納。

因此在實(shí)際測量中需要通過試驗(yàn)研究不同掃描速率下極化電阻的變化規(guī)律，從而對極化電阻的測量值進(jìn)行修正。

在掃描速率為0.5mV/s、1mV/s、2mV/s、3mV/s、4mV/s、5mV/s 的情況下分別進(jìn)行5 組試驗(yàn)，得到極化電阻見表1。剔除無效數(shù)據(jù)，建立極化電阻隨掃描速率的變化關(guān)系如圖6所示。得到極化電阻的修正公式如下：

式中：Ydl = 4.718× 10-5Ω-1。

2.3 腐蝕深度計(jì)算

傳感器的腐蝕深度可以通過計(jì)算腐蝕坑電流密度ip來得到：

表1 極化電阻修正試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 極化電阻修正曲線

式中：ic = Ic/As，表示金屬自腐蝕電流密度；ipv 為被動電流密度；Np為金屬表面的點(diǎn)蝕坑密度（可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推斷）；As為傳感器的有效工作面積。利用法拉第定律將點(diǎn)蝕損失的電荷與金屬摩爾質(zhì)量聯(lián)系起來。EW表示與1C電荷反應(yīng)的金屬的質(zhì)量，以提供陽極反應(yīng)中材料的損耗。則腐蝕的總電荷Qc和摩爾質(zhì)量損失M之間的關(guān)系為：

式中：F = 9.650 × 104C/mol，為法拉第常數(shù)；z表示每個(gè)金屬原子發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)損失的電子數(shù)。EW可由已知的金屬原子質(zhì)量AW得到：

金屬發(fā)生反應(yīng)時(shí)損失的摩爾質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為等效的質(zhì)量損失ml：

由式（7）～式（9）可得：

將點(diǎn)蝕坑假設(shè)成半球形體，則在已知損失質(zhì)量ml及金屬密度ρ時(shí)，點(diǎn)蝕坑深度（半徑）可表示為：

傳感器在實(shí)際測量中，極化電阻值Rp并不是連續(xù)測量的，我們假設(shè)在Ts這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)極化電阻值Rp是呈線性變化的，則利用積分中值定理可以得到腐蝕深度d 的表達(dá)式為：

對于鋁合金試樣，我們同樣將點(diǎn)蝕坑假設(shè)成半球形體，則鋁合金試樣的腐蝕深度d可表示為：

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

鋁合金試樣與傳感器共同放入腐蝕溶液中，在相同條件下腐蝕60天。利用式（15）計(jì)算傳感器腐蝕深度，得到傳感器腐蝕深度隨腐蝕時(shí)間的變化關(guān)系。傳感器在腐蝕溶液中腐蝕60天后腐蝕深度ds=0.0321mm。

鋁合金試樣分成三組，分別在腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行20 天、40天、60天后取出，試樣腐蝕情況如圖7所示。去除試樣表面產(chǎn)物，利用式（16）計(jì)算鋁合金試樣腐蝕深度。試樣腐蝕減重及計(jì)算得到腐蝕深度見表2。

將鋁合金試樣腐蝕深度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，與傳感器進(jìn)行對比，得到試樣與傳感器的腐蝕深度對比結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：（1）傳感器所測得腐蝕深度與鋁合金試樣的腐蝕深度隨腐蝕時(shí)間變化趨勢相同，證明線性極化微型腐蝕傳感器可以有效地對鋁合金的腐蝕狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；（2）傳感器所測得的腐蝕深度相較于鋁合金試樣實(shí)際腐蝕深度結(jié)果偏大，這是由于傳感器在實(shí)際工作過程中受到外界環(huán)境及基體結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕等因素的影響，從而使得傳感器測量精度降低。因此，在傳感器實(shí)際應(yīng)用前需要進(jìn)行標(biāo)定，選取合適的修正因數(shù)以提高傳感器的精度。

圖7 腐蝕試驗(yàn)完成后的鋁合金試樣

表2 鋁合金試樣腐蝕前后質(zhì)量及腐蝕減重

圖8 試樣與傳感器腐蝕深度對比結(jié)果

3 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕預(yù)測

隨著由金屬結(jié)構(gòu)腐蝕造成的飛機(jī)老化問題越來越嚴(yán)重，利用已知參數(shù)構(gòu)建飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命評估和腐蝕程度預(yù)測將十分重要。然而，由于引起腐蝕的原因復(fù)雜，造成腐蝕的因素與腐蝕后果往往又無確切的關(guān)系，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理方法應(yīng)用于腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理存在適應(yīng)性差、精度低、對腐蝕過程的非線性特征把握不夠等缺點(diǎn)[10]。

隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，其高度的并行性、非線性和強(qiáng)大的聯(lián)想記憶能力、推廣能力、自適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力，在工程中發(fā)揮了重要作用。其中，誤差反傳網(wǎng)絡(luò)模型（back propagating，BP）是迄今為止在腐蝕領(lǐng)域應(yīng)用最普遍和最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。本節(jié)基于MATLAB軟件，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立腐蝕環(huán)境因素與飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕速率間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕預(yù)測。

3.1 試驗(yàn)及測試樣本

自然環(huán)境對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕作用是一個(gè)緩慢、長期的過程，因此實(shí)際中常采用加速模擬環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕問題。本次樣本腐蝕試驗(yàn)采用加速腐蝕試驗(yàn)方法，通過電化學(xué)工作站及腐蝕傳感器模擬并測得的不同環(huán)境因素下鋁合金的腐蝕速率作為腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，在保證樣本容量足夠進(jìn)行有效預(yù)測的情況下，參考正交試驗(yàn)表，選擇一部分有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)。

選取溫度、鹽霧沉降量、pH 值、Cl-濃度作為影響腐蝕的主要環(huán)境因素，每個(gè)因素設(shè)有三個(gè)水平。參考文獻(xiàn)中腐蝕環(huán)境參數(shù)水平的選取[11-15]并結(jié)合飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)的實(shí)際腐蝕環(huán)境，最終確定試驗(yàn)環(huán)境因素設(shè)計(jì)見表3。

按試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)配置不同濃度及pH值的NaCl溶液，將線性極化腐蝕傳感器放入鹽霧箱中，設(shè)置鹽霧箱試驗(yàn)溫度及鹽霧沉降量，待環(huán)境穩(wěn)定后開始電化學(xué)測量。開啟電化學(xué)工作站，將傳感器的陽極導(dǎo)線與工作站工作電極相連，陰極導(dǎo)線與工作站輔助電極和參比電極相連，待開路電壓穩(wěn)定后，測得體系Tafel 常數(shù)及極化電阻，利用公式求得該環(huán)境參數(shù)下腐蝕體系的腐蝕速率。試驗(yàn)裝置連接如圖9所示。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用三層BP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，第一層為輸入層，中間為隱含層，第三層為輸出層，相鄰兩層的神經(jīng)元之間相互連接，各層內(nèi)的神經(jīng)元之間無連接。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為原始樣本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和驗(yàn)證，將每組試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)（溫度、鹽霧沉積量、pH值、Cl-濃度共4個(gè)）作為輸入因子，試驗(yàn)所得鋁合金結(jié)構(gòu)瞬時(shí)腐蝕速率v作為輸出因子，可由式（17）得到，單位為mm/a。

表3 腐蝕預(yù)測試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)設(shè)計(jì)

圖9 試驗(yàn)裝置連接圖

隱含層中神經(jīng)元的數(shù)量在理論上沒有一個(gè)明確的規(guī)定，但可參考經(jīng)驗(yàn)公式。通過對不同中間層神經(jīng)元數(shù)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練比對，確定節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 時(shí)的模型預(yù)測結(jié)果最理想。綜上所述，最終選用的模型結(jié)構(gòu)為4-5-1三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

3.3 結(jié)果及討論

利用線性極化腐蝕傳感器得到不同環(huán)境參數(shù)下瞬時(shí)腐蝕速率見表4。選取第3、第7 組試驗(yàn)作為驗(yàn)證樣本不參與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，將其余7 組試驗(yàn)有效樣本數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，建立腐蝕環(huán)境因素與鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕速率間的映射關(guān)系，將第3、第7組試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)輸入BP網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行腐蝕速度預(yù)測，得到相應(yīng)環(huán)境下不同傳感器預(yù)測值及誤差見表5。

表4 不同環(huán)境參數(shù)下傳感器所測得腐蝕速率

表5 映射模型預(yù)測結(jié)果分析（單位：mm/a）

由預(yù)測結(jié)果可知，在不同的環(huán)境參數(shù)下利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測得到的腐蝕速率結(jié)果與實(shí)際測量值的誤差分別為：8.1%、7.0%、12.2%、10.8%、5.1%和2.7%，平均誤差為7.65%，表明利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的腐蝕特征量與系統(tǒng)監(jiān)測信號的映射關(guān)系模型能夠?qū)Σ煌h(huán)境參數(shù)下的鋁合金腐蝕速率進(jìn)行有效的預(yù)測。

4 結(jié)論

通過分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）開發(fā)基于線性極化法的腐蝕傳感器并設(shè)計(jì)試驗(yàn)對傳感器可行性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，傳感器所測得腐蝕深度與鋁合金試樣的腐蝕深度隨腐蝕時(shí)間變化趨勢相同，標(biāo)定后的傳感器可有效實(shí)時(shí)監(jiān)測鋁合金的腐蝕狀況。

（2）開展基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋁合金腐蝕速度預(yù)測研究。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立腐蝕環(huán)境參數(shù)與鋁合金腐蝕速率的人工網(wǎng)絡(luò)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值吻合良好，平均誤差為7.65%。因此，構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型能較好地反映腐蝕環(huán)境參數(shù)對鋁合金瞬時(shí)腐蝕速率的影響，可以實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境參數(shù)條件下對鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕速率的預(yù)測。