摘 要：針對現階段我國在飛機結構腐蝕監控方面手段落后、效率低的現狀，開發基于線性極化法的能夠實時監測飛機鋁合金結構腐蝕速率的微型傳感器，并設計加速腐蝕試驗對該傳感器的有效性進行了驗證。同時，開展基于人工神經網絡的鋁合金結構腐蝕速率預測研究。結果表明，線性極化腐蝕傳感器所測腐蝕深度與鋁合金試樣實測值隨腐蝕時間變化趨勢相同，其能夠有效地對飛機結構腐蝕狀況進行實時監測；構建的網絡模型在不同環境下預測的腐蝕速率平均誤差不到8%，能夠有效實現對鋁合金結構瞬時腐蝕速率的預測。

關鍵詞：飛機結構；線性極化；腐蝕速率；實時監測；人工神經網絡

腐蝕是飛機金屬結構最主要的失效形式之一。我國飛機服役環境嚴酷，機體結構老化和腐蝕問題嚴重，導致有些機種出勤率降低，維修工作量及其費用大幅增加，制約著航空領域的經濟性發展[1]。測算表明，腐蝕造成的經濟損失有30%～40%是可以通過有效的控制與防護手段避免的[2]。因此，研究飛機的腐蝕控制與防護，對飛機結構腐蝕進行監測，保證其在壽命期內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濟意義。

由于腐蝕的普遍性導致金屬的腐蝕無法根本消除，同時，隨著飛機逐漸步入老齡化，腐蝕問題也必將日益嚴重。為了提高飛機的安全性，延長飛機日歷壽命，對飛機在使用過程中的腐蝕情況進行腐蝕和監測是非常重要的[3]。采用傳感器來監測腐蝕是迄今為止最好的選擇，它可以較早地發現結構腐蝕，很大程度上避免不必要的損失[4]。

針對不同的腐蝕環境，不同的結構部位，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、準確的電化學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腐蝕速度方面獨具優勢，目前已成為發達國家在石油、化工等領域首選的腐蝕監測技術。

目前在國內亦有諸多學者利用線性極化法對金屬腐蝕進行了研究。聶向暉[5]等利用線性極化技術研究Q235鋼在大港土中的腐蝕行為，結果表明Q235鋼的線性極化電阻隨溫度升高而減小；胡杰珍[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域和近水線海水區域存在腐蝕峰；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。國內對線性極化法的研究多集中于建筑、化工等領域，與航空領域相比，這些應用在傳感器材料、尺寸、靈敏度、工作環境等方面均有較大差別，更無法滿足對飛機金屬結構進行在線監測的需求。

因此，開發基于線性極化法的直接測量飛機金屬結構腐蝕速率的腐蝕監測傳感器，實現對飛機結構腐蝕的在線監測，將對我國飛機結構腐蝕控制與防護技術研究起到重大的推進作用。

1 線性極化傳感器

1.1 傳感器原理

當電流通過電極時引起電極電位移動的現象，稱為電極的極化。線性極化技術是一種使用三電極或雙電極的電化學方法，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行電化學極化，測量所產生的直流電流。在低電流密度極化時，極化電位與電流接近直線關系，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按泰勒級數展開，只取線性項而忽略高次項，推導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，即：

式中：B 為常數，與陰極、陽極反應的Tafel 常數有關。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，從而根據法拉第電解定律，得到體系的腐蝕速率。

1.2 傳感器結構設計

線性極化腐蝕傳感器由兩個間距為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。相較于一般較大規格的腐蝕傳感器，該微線性極化腐蝕傳感器的特點主要體現在兩個方面：首先，不同于常見電化學體系由工作電極、輔助電極和參比電極構成三電極系統，該傳感器是一個雙電極系統。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系統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，該設計的優點在于能夠直接給出結構腐蝕的測量信息[9]。

1.3 傳感器制造

圖1 腐蝕傳感器工程圖（單位：mm）

利用數控電火花機床對鋁合金材料進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控超聲波清洗器中對傳感器表面進行清洗，去除電火花加工廢液殘留。

采用環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難以焊接，因此采用螺栓將導線固定于電極表面，導線多余部分利用焊錫包裹。最后再用環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 傳感器可行性驗證試驗

2.1 試驗流程

本次試驗將線性極化腐蝕傳感器與鋁合金試樣置于相同的腐蝕環境下共同腐蝕，通過比較傳感器計算得到的腐蝕深度與試樣的實際腐蝕深度，驗證傳感器的可行性，具體試驗設計流程圖如圖3所示。

圖3 試驗流程圖

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行表面處理，待完全干燥后，利用分析天平分別測得每個試樣的質量。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。

試驗所用儀器為RST5000F電化學工作站，將傳感器與工作站相連，待腐蝕體系開路電位穩定后，設置試驗方法為“Tafel 圖”，試驗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，如圖4所示。

測得體系Tafel 常數后，更改試驗方法為“線性伏安掃描”，試驗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。考慮到雙電層電容效應導致的電流響應滯后現象，對曲線后段線性擬合，得到一次函數斜率即為腐蝕體系極化電阻的倒數，如圖5所示。

2.2 極化電阻測量結果的修正

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

式中：Cdl為雙電層電容效應產生的電容；dEa/dt為極化電位掃描速率。極化電阻實際值與測量值的關系可由式（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為極化電阻的實際值；R?p為極化電阻的測量值；Ydl為腐蝕體系的附加導納。

因此在實際測量中需要通過試驗研究不同掃描速率下極化電阻的變化規律，從而對極化電阻的測量值進行修正。

在掃描速率為0.5mV/s、1mV/s、2mV/s、3mV/s、4mV/s、5mV/s 的情況下分別進行5 組試驗，得到極化電阻見表1。剔除無效數據，建立極化電阻隨掃描速率的變化關系如圖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 腐蝕深度計算

傳感器的腐蝕深度可以通過計算腐蝕坑電流密度ip來得到：

表1 極化電阻修正試驗數據

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為金屬表面的點蝕坑密度（可根據經驗推斷）；As為傳感器的有效工作面積。利用法拉第定律將點蝕損失的電荷與金屬摩爾質量聯系起來。EW表示與1C電荷反應的金屬的質量，以提供陽極反應中材料的損耗。則腐蝕的總電荷Qc和摩爾質量損失M之間的關系為：

式中：F = 9.650 × 104C/mol，為法拉第常數；z表示每個金屬原子發生氧化還原反應時損失的電子數。EW可由已知的金屬原子質量AW得到：

金屬發生反應時損失的摩爾質量可以轉化為等效的質量損失ml：

由式（7）～式（9）可得：

將點蝕坑假設成半球形體，則在已知損失質量ml及金屬密度ρ時，點蝕坑深度（半徑）可表示為：

傳感器在實際測量中，極化電阻值Rp并不是連續測量的，我們假設在Ts這個時間間隔內極化電阻值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 的表達式為：

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

2.4 試驗結果及分析

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）計算傳感器腐蝕深度，得到傳感器腐蝕深度隨腐蝕時間的變化關系。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，分別在腐蝕試驗進行20 天、40天、60天后取出，試樣腐蝕情況如圖7所示。去除試樣表面產物，利用式（16）計算鋁合金試樣腐蝕深度。試樣腐蝕減重及計算得到腐蝕深度見表2。

將鋁合金試樣腐蝕深度數據進行擬合，與傳感器進行對比，得到試樣與傳感器的腐蝕深度對比結果如圖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行實時監測；（2）傳感器所測得的腐蝕深度相較于鋁合金試樣實際腐蝕深度結果偏大，這是由于傳感器在實際工作過程中受到外界環境及基體結構發生腐蝕等因素的影響，從而使得傳感器測量精度降低。因此，在傳感器實際應用前需要進行標定，選取合適的修正因數以提高傳感器的精度。

圖7 腐蝕試驗完成后的鋁合金試樣

表2 鋁合金試樣腐蝕前后質量及腐蝕減重

圖8 試樣與傳感器腐蝕深度對比結果

3 基于人工神經網絡的飛機結構腐蝕預測

隨著由金屬結構腐蝕造成的飛機老化問題越來越嚴重，利用已知參數構建飛機結構腐蝕預測模型，實現對飛機結構的壽命評估和腐蝕程度預測將十分重要。然而，由于引起腐蝕的原因復雜，造成腐蝕的因素與腐蝕后果往往又無確切的關系，傳統的數據分析處理方法應用于腐蝕試驗數據處理存在適應性差、精度低、對腐蝕過程的非線性特征把握不夠等缺點[10]。

隨著人工神經網絡技術的不斷發展，其高度的并行性、非線性和強大的聯想記憶能力、推廣能力、自適應和學習能力，在工程中發揮了重要作用。其中，誤差反傳網絡模型（back propagating，BP）是迄今為止在腐蝕領域應用最普遍和最廣泛的神經網絡模型。本節基于MATLAB軟件，采用BP神經網絡模型對腐蝕試驗數據進行學習和訓練，建立腐蝕環境因素與飛機鋁合金結構腐蝕速率間的映射關系，從而實現飛機金屬結構的腐蝕預測。

3.1 試驗及測試樣本

自然環境對飛機結構的腐蝕作用是一個緩慢、長期的過程，因此實際中常采用加速模擬環境試驗技術研究飛機結構的腐蝕問題。本次樣本腐蝕試驗采用加速腐蝕試驗方法，通過電化學工作站及腐蝕傳感器模擬并測得的不同環境因素下鋁合金的腐蝕速率作為腐蝕試驗數據樣本，在保證樣本容量足夠進行有效預測的情況下，參考正交試驗表，選擇一部分有代表性的水平組合進行試驗。

選取溫度、鹽霧沉降量、pH 值、Cl-濃度作為影響腐蝕的主要環境因素，每個因素設有三個水平。參考文獻中腐蝕環境參數水平的選取[11-15]并結合飛機鋁合金結構的實際腐蝕環境，最終確定試驗環境因素設計見表3。

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

3.2 神經網絡模型建立

神經網絡結構采用三層BP 網絡結構，第一層為輸入層，中間為隱含層，第三層為輸出層，相鄰兩層的神經元之間相互連接，各層內的神經元之間無連接。以試驗數據作為原始樣本進行網絡訓練和驗證，將每組試驗環境參數（溫度、鹽霧沉積量、pH值、Cl-濃度共4個）作為輸入因子，試驗所得鋁合金結構瞬時腐蝕速率v作為輸出因子，可由式（17）得到，單位為mm/a。

表3 腐蝕預測試驗環境參數設計

圖9 試驗裝置連接圖

隱含層中神經元的數量在理論上沒有一個明確的規定，但可參考經驗公式。通過對不同中間層神經元數的網絡進行訓練比對，確定節點數為5 時的模型預測結果最理想。綜上所述，最終選用的模型結構為4-5-1三層BP神經網絡模型。

3.3 結果及討論

利用線性極化腐蝕傳感器得到不同環境參數下瞬時腐蝕速率見表4。選取第3、第7 組試驗作為驗證樣本不參與網絡構建，將其余7 組試驗有效樣本數據輸入網絡進行訓練，建立腐蝕環境因素與鋁合金結構腐蝕速率間的映射關系，將第3、第7組試驗環境參數輸入BP網絡模型中進行腐蝕速度預測，得到相應環境下不同傳感器預測值及誤差見表5。

表4 不同環境參數下傳感器所測得腐蝕速率

表5 映射模型預測結果分析（單位：mm/a）

由預測結果可知，在不同的環境參數下利用人工神經網絡預測得到的腐蝕速率結果與實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 神經網絡構建的腐蝕特征量與系統監測信號的映射關系模型能夠對不同環境參數下的鋁合金腐蝕速率進行有效的預測。

4 結論

通過分析，可以得出以下結論：

（1）開發基于線性極化法的腐蝕傳感器并設計試驗對傳感器可行性進行驗證。結果表明，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間變化趨勢相同，標定后的傳感器可有效實時監測鋁合金的腐蝕狀況。

（2）開展基于人工神經網絡的鋁合金腐蝕速度預測研究。利用BP神經網絡結構，建立腐蝕環境參數與鋁合金腐蝕速率的人工網絡模型。神經網絡預測結果與實測值吻合良好，平均誤差為7.65%。因此，構建的網絡模型能較好地反映腐蝕環境參數對鋁合金瞬時腐蝕速率的影響，可以實現在不同環境參數條件下對鋁合金結構腐蝕速率的預測。