当物体（超音速飞机、导弹、风力发电机叶轮、螺旋桨叶片）高速通过雨区时，表面遭受雨滴冲击而产生损伤的现象称为雨蚀。雨蚀引起的损伤可以分为结构强度损伤和功能损伤^[1-2]。通常，雨蚀损伤在初期并不明显，但会引起材料强度的退化、物理或力学性能降低，甚至产生局部剥落等现象，影响结构的功能特性，严重时还会显著降低结构的强度。

随着飞行器飞行速度的逐步提高，飞行器外部整流罩、挡风玻璃、机尾翼前缘等结构的涂层在长期服役过程中会受到严重的雨滴冲击，导致涂层出现气泡、开裂、软化、脱落、变色、粉化等现象^[3-7]。飞行器蒙皮涂层耐雨蚀性能是考量其主要功能的指标之一^[8]，而涂层的失效很可能会导致飞行器质量安全事故，如飞机油箱涂层失效，会导致油箱渗油；进气道功能涂层的脱落会造成发动机受异物冲击损坏。同时，侵蚀后的表面会严重影响飞机机翼的层流效应，导致层流转向湍流，会对飞机空气动力学性能产生严重的负面影响，从而增加燃料消耗^[9]。Coto等^[10]以碳纤维增强聚合物为基体，利用物理气相沉积（physical vapor deposition, PVD）单层/多层钛涂层在雨蚀条件下进行了抗冲击试验。试验结果表明，涂层厚度与表面附着力在不同的雨蚀条件下均会对涂层防护性能产生影响；而高速冲击会引起更大的基体变形，即使在较厚的涂层表面上，由于其附着力较差，剥离速度也比薄涂层快。Gujba等^[11]研究了Ti-6Al-4V材料的液滴侵蚀行为和材料损伤机理。认为冲击速度越高，侵蚀起始时间越快，最大侵蚀速率越大。利用扫描电镜观测侵蚀损伤形成的两个阶段发现：早期主要形貌为微裂纹、粗裂缝和不规则形状的独立坑蚀；而在液滴侵蚀的后期，材料的损伤形貌主要以剥离为主，是由水力渗透造成的。Bech等^[12]研究了商用涡轮叶片聚氨酯基面漆在旋转臂雨蚀试验中四种液滴直径对雨蚀结果的影响，建立了液滴尺寸与面漆寿命之间的经验模型，验证了雨滴直径是影响叶片损伤程度的主要参数之一。

此外, 对于风力发电叶轮、直升机桨叶、先进航空发动机风扇等复合多相材料叶片，由于在生产中会出现一定概率的制造缺陷，例如粗糙度、孔隙率等，此时雨蚀就成为了叶片开裂的主要自然原因之一。风能作为最重要的可再生能源之一，在践行碳达峰、碳中和理念中起到关键作用。近年来，为了更好地利用风能，风力发电机单机容量不断增大，导致风力发电机叶轮直径等结构尺寸不断增大^[13]。此时叶轮具有更大的叶尖速度与接触面积，极易受到雨滴冲击而引起涂层的应变和形变。雨滴高速撞击面漆缺陷产生的拉-拉剪切疲劳破坏，导致叶轮前缘侵蚀（leading edge erosion, LEE），造成涂层疲劳侵蚀损伤，而后叶轮前缘基体也迅速出现破损、分层和剥离，叶轮结构稳定性、空气动力学性能和负载能力下降，影响风机发电效率和风场的正常运行与生产经济效益^[14]。然而，由于缺乏对雨蚀损伤失效理论与试验的研究，没有明确定义的方法来设计抗雨蚀涂层。因此，虽然已有很多关于风力叶轮雨蚀防护涂层的解决方案，但依然无法满足特定领域的测试和验证^[15-20]。Adler^[21]指出，雨蚀研究的难点之一就是材料的剥离问题在短期内难以建立合理的理论。同样也很难构建起微观结构力学、液滴冲击破坏以及材料剥离之间的统一关系。

综上所述，在高速飞行器及工业用叶轮等的制造过程中，对涂层的耐雨蚀性能提出了更高的要求^[3,18]。因此，针对涂层耐雨蚀损伤失效试验研究具有十分重要的工程意义。本文采用单射流试验装置产生的高速射流对飞行器蒙皮涂层进行冲击试验，并对其损伤形貌进行分析和表征，研究其损伤机理，为涂层的抗雨蚀性能设计提供必要的理论与技术支撑。

1.   雨滴与飞行器蒙皮涂层高速冲击过程

雨滴对飞行器蒙皮涂层高速冲击过程实际上是雨滴直接撞击固体表面产生动态冲击波的传播过程。该冲击过程包括两个阶段，即初始压缩阶段和侧向喷射阶段，如图1所示。当液滴以法向角度撞击材料表面时，液滴撞击后发生变形，产生了沿着固体表面传播的瑞利波，包含大约2/3的碰撞能量，在垂直和水平分量上形成拉应力和剪应力^[22]。而在固体内部受损伤的区域会形成纵波和横波，分别向液体和固体内部传播，如图1(a)所示。纵波以压缩-拉伸的形式传播，在波前迅速扩展时，会产生径向拉应力。而横波中质点运动垂直于传播方向，这将对固体内部造成剪应力和环向拉应力的作用^[23]。此时，液固接触边界的扩散速度大于液体内部应力波的传播速度，中心液体被压缩，形成瞬态高压，称为“水锤压力”。水锤压力持续时间很短，与液滴直径、撞击速度、可压缩波速等参数有关，其大小与水滴直径无关^[24-25]。液固撞击过程中产生的应力造成材料损伤的起始和扩展，加之应力波在自由表面的反射以及在固体内部的相互作用会导致波的叠加增强，从而造成固体内部的损伤。

图  1  液固表面冲击过程示意图^[21]

Figure  1.  Diagram of liquid-solid impact^[21]

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水锤压力p用方程可表示为（预测接触的初始阶段所产生的压力）^[26]:

式中：v为液滴的冲击速度，ρ_l和ρ_s分别为液体和固体基体的密度，c_l和c_s分别为液体和固体中的传播声速。

当液滴内部冲击波速度即将超过液固接触边界的扩展速度时，冲击波脱离边界，内部高压以高速侧向射流的方式释放，如图1(b)所示。此时，液固撞击进入第二阶段，压缩液滴经卸载波后迅速喷射而出，沿着固体表面形成几倍于初始液固冲击速度的侧向射流。侧向射流对材料表面的冲刷剪切作用会导致裂纹的出现，甚至造成材料表面剥离。之后，液体在固体表面形成稳定的不可压缩流，此时接触中心点的压力会降至Bernoulli静压。

撞击后冲击波也通过多层分级在材料中传播，其产生的损伤取决于材料弹性和粘弹性响应、表面制备、涂层应用和层间相互作用等因素。应力波在涂层和基体表面的反射与透射传播过程，如图2(a)所示。当与涂层接触后，两个不同的波阵面分别进入液体和涂层，如图2(b)所示，涂层中的法向入射波向涂层-基体界面传播，其中一部分应力波被反射回涂层，而另一部分被透射入基体内。基于这种反射、透射作用，应力波会以不同的振幅在涂层中传播，其强度取决于涂层和基体声阻抗的相对大小^[27]。假设采用一维弹性假设，得到应力波的振幅近似关系式为：

图  2  应力波在涂层中传播过程示意图

Figure  2.  Schematic diagrams of stress wave propagation process in coating

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式中：下标L、C、S分别代表液体、涂层、基体；Z=ρc为材料的阻抗，ρ为密度，c为应力波速度（介质的声速）；${\sigma _{{\text{ILC}}}}，{\sigma _{{\text{RLC}}}}，{\sigma _{{\text{TLC}}}}$分别为液体-涂层界面处法向入射、反射和透射应力波的振幅；${\sigma _{{\text{ICS}}}}，{\sigma _{{\text{RCS}}}}，{\sigma _{{\text{TCS}}}}$分别为涂层-基体界面处法向入射、反射和透射应力波的振幅。

2.   雨蚀试验过程

2.1   单射流模拟雨蚀试验平台

飞行器蒙皮涂层雨蚀损伤失效行为研究的实验装置根据试验速度要求可分为两种：(1) 为了研究速度通常小于250 m/s的连续雨滴冲击作用下材料的抗雨蚀特性常用旋转臂式装置^[28]。该装置成本低且能够模拟试样在真实雨场中的损伤情况，但试样的尺寸及速度受到转臂强度的限制。(2) 针对超音速且速度小于1 000 m/s的雨滴冲击试验，在实验室条件下通常使用单射流模拟雨蚀装置^[21,29]，主要用于研究液固撞击的基础力学问题，该装置具有场地较小、操作简单、条件可控等优点。

卡文迪许实验室的单射流装置（single impact jet apparatus, SIJA）采用如下射流发射原理：压缩空气使得内部金属压片高速冲击前置喷嘴中的液体，可产生速度90～700 m/s的水射流。如图3所示，本文采用单滴射流装置产生的高速射流对飞机蒙皮涂层的雨滴冲击损伤行为进行研究，包括气室、炮管、子弹、密封垫、喷嘴、自来水、夹具、高速相机等。该装置的工作原理：利用高压气体将5 mm铅弹以一定速度发射，碰撞垫圈挤压密封腔内自来水，产生高速射流。该装置可实现不同冲击速度、直径的液滴在多个冲击角度下模拟雨滴对材料的冲击作用过程。

图  3  单射流冲击试验装置

Figure  3.  Single waterjet impact apparatus

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为了能够观测射流的形态并计算射流的速度，试验中使用了Phantom VEO 1310高速摄像机进行拍摄。利用球头射流前端像素点的变化与标定样张像素点和距离关系可以得出射流的冲击速度为：

式中：v为射流速度，υ为拍摄帧率，X₁和X₂分别为液滴运动的起点和终点的x轴坐标值，N为通过标定得到的1 mm位移内像素点的数量变化。在本次实验中N=3.4 mm⁻¹，拍摄帧率为υ=210000 Hz。

图4为射流速度与形态随距离喷嘴位置的变化规律（以喷嘴为原点）：初始阶段射流速度和射流直径均逐渐增大，而后由于空气阻力的作用，射流头部逐渐变成稳定的球形。由图4可知，当射流距离为10 mm时，射流速度与形态趋于稳定；而随着射流距离继续增大，射流形态逐渐发散。由此，基于保证实验的重复性及精确性考量，将试样安装在距离喷嘴10 mm的位置上。为了保证实验的重复性，在同一射流速度下进行至少3次重复性实验。在实验中所使用的相关参数如表1所示。

图  4  射流形态及速度随位移的变化

Figure  4.  Form and velocity of waterjet varied with stand-off distance

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表  1  实验相关参数

Table  1.  Experimental parameters

试样材料	冲击速度/(m·s−1)	喷嘴直径/mm	射流平均直径/mm
聚氨酯	360	0.8	4.5
	430
	490
	555
	617

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2.2   飞机蒙皮聚氨酯涂层规格及性能

飞机蒙皮涂层主要由无铬高固体含量环氧底漆和高固体含量聚氨酯（PU）磁漆组成。其中，高固体含量聚氨酯磁漆又分为有光磁漆、半光磁漆和无光磁漆3类，且均属于热固性聚氨酯，具有优异的耐磨、耐候性，一般采用喷涂制造工艺，广泛应用于飞机制造业。本实验中的涂层试样由三种不同底漆和磁漆制作而成，均以3 mm厚的T300碳纤维编织材料为基体，底漆厚度为200 μm，磁漆厚度为300 μm，材料1由丙烯酸聚氨酯底漆和聚氨酯无光磁漆制成；材料2由环氧自干底漆和丙烯酸聚肪族聚氨酯磁漆制成；材料3由无铬高固体含量环氧底漆和无光高固体含量聚氨酯磁漆制成。原始涂层表面及其横截面分层情况如图5所示，其中，A为面漆区域；B为底漆区域；余下部分为基体区域。

图  5  三种涂层试样表面及横截面

Figure  5.  Surfaces and cross-sections of three kinds of coating samples

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为了探究涂层力学性能对抗雨蚀性能的影响，利用Hysitron TI980纳米压痕仪器对涂层性能进行观测。其中，高分辨率试样表面粗糙度如图6所示，材料1、材料2和材料3涂层的粗糙度依次降低。而测得的涂层硬度和压痕模量见表2。可以看出，材料1、材料2、材料3的压痕模量和硬度性能依次降低。

图  6  三种涂层纳米压痕显微图像

Figure  6.  Nano-indenter micrographs of three kinds of coating samples

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表  2  三种涂层的模量与硬度对比表

Table  2.  Indentation modulus and hardness of three kinds of coating samples

材料	压痕模量/GPa	硬度/GPa
1	5.8056022	0.2402346
2	3.8506520	0.1614986
3	2.4143382	0.1109778

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3.   飞机涂层的高速射流冲击试验

3.1   冲击后试样的典型损伤模式与表征

图7为在490 m/s冲击速度和0°冲击角度的情况下，三种涂层试样的典型微观损伤形貌显微图像。可以看出，针对3种不同涂层材料，其典型损伤形貌均为由损伤区域包围中央未损伤区域的环状组成（Ⅰ），其中包括，表面擦伤（Ⅱ）、不规则凹坑（Ⅲ）等递进损伤。这种形貌的产生是由于叠加的静水压力提高涂层表面屈服强度，水锤压力对中央圆形区域未造成损伤，但随着液滴后续开始压缩释放时，液固接触边界处会产生2～3倍于水锤压力的高压，造成表面凹陷。

图  7  三种涂层在光学显微图像

Figure  7.  Optical microscope micrographs of three kinds of coating samples

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图8给出了通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）观测三种涂层典型损伤区域得到的微观形貌图像。可以看出，损伤区域的典型微观形貌为环状损伤。

图  8  3种损伤试样的SEM扫描电子显微图像

Figure  8.  SEM micrographs of three kinds of damaged samples

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3.2   不同射流速度下的冲击实验结果

图9为在15°冲击角时，以360、430、490、555和617 m/s的射流速度冲击材料3涂层后得到的电子显微镜微观形貌。在360 m/s冲击速度下，涂层未产生损伤，故没有展示；从430 m/s开始，涂层表面开始产生轻微擦伤，损伤面积为0.76 mm²；在490 m/s冲击速度下，损伤情况略微加剧，表面擦伤区域损伤面积增大至1.18 mm²，且整体呈现半环形包围中央未损伤区域；在555 m/s冲击速度下，试样产生大面积损伤，圆形损伤区域完全剥离露出底漆与部分基体，且基体部分受损产生凹坑，损伤面积扩大至5.36 mm²；而当冲击速度达到617 m/s时，涂层被完全破坏，表面材料呈现大面积圆形剥离并露出底漆与大部分基体，且基体局部产生断裂状挫伤，损伤面积增至22.22 mm²。除此之外，通过重复实验发现，由于3种涂层在360 m/s的冲击速度下均未出现损伤，因此，可判定在15°冲击角下，涂层表面出现损伤的速度阈值约为360 m/s。

图  9  在15°冲击角时，以430，490，555和617 m/s的射流速度冲击涂层材料3后得到的电子显微镜微观形貌

Figure  9.  Electron microscope micrographs after impacting the coating material 3 at the jet velocities of 360, 430, 490, 555 and 617 m/s with an impact angle of 0°

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基于超景深三维数码显微镜VHX-5000的三维轮廓扫描重构功能，对试样放大后局部结构形态进行了观察，创建了能够分析测量试样表面的高分辨三维图像，由此获得损伤体积。在求得体积平均值后，建立了3种涂层损伤体积随冲击速度的变化，如图10所示。可以得出，随着冲击速度的提高，雨蚀造成的涂层损伤体积也在逐渐加剧，直到涂层试样完全破坏。Gujba等^[11]研究发现，冲击速度越高，侵蚀起始时间越早，最大侵蚀速率越大。SEM微观图像显示，侵蚀损伤形貌的早期阶段主要为微裂纹、凹凸和不规则形状的孤立凹坑；而在液滴侵蚀的后期，涂层材料的剥离主要是由水力渗透造成的。

图  10  损伤体积随冲击速度的变化

Figure  10.  Relation between damaged volume and impact velocity

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Imeson等^[30]和Nearing等^[31]通过绘制输出信号电压与冲击力瞬时值之间的函数图像，得到不同液滴直径下二者之间的线性关系，获得液滴冲击产生的冲击力瞬时近似值公式：

式中：F为冲击力，m和d分别为液滴的质量和直径。由上述公式可知，在相同液滴直径与质量的条件下，冲击速度决定着冲击力的大小，即冲击速度越大，液滴在接触试样时产生的瞬时冲击力就越大，最终导致损伤程度逐渐加深。

除此之外，三种试样中，材料1涂层损伤体积增长相较其他两种涂层较为稳定，而材料2与材料3涂层在490 m/s速度后损伤急剧加速。根据表面粗糙度和侵蚀起始发生之间的关系可以判断，在相同冲击速度下，即使涂层材料1的模量与硬度最大，力学性能最为优异，但其表面较多凹凸不平的突起会造成应力的增加，致使材料更易发生初始侵蚀损伤；而涂层材料3虽然力学性能最差，但其表面较为光滑，因而不易形成初始侵蚀损伤。由此可知，表面粗糙度是导致涂层材料产生初始侵蚀损伤的主要原因。

从图9可以发现，分层损伤面积可数倍于表面损伤尺寸，因此对于涂层材料的高速雨蚀损伤而言，直接通过表面环状损伤来量化其受雨蚀损伤影响程度不够精确。为了更直观地表征雨滴冲击速度对涂层雨蚀损伤结果的影响，利用金刚石线锯将试样沿表面环形损伤的轴线切开，然后在SEM扫描电子显微镜下观测试样损伤区域剖面形貌显微图像，图11、图12和图13展示了三种涂层在不同冲击速度下所得到的SEM剖面显微图像，每幅图中第一行是整体损伤形貌观测图像，第二行是黄框标注区域局部放大损伤形貌观测图像。图中，A为面漆区域；B为底漆区域；余下部分为基体区域。可以看出，随着速度的提升，损伤深度也在逐渐增加；在490 m/s速度下，损伤主要存在于面漆区域，表现为不规则轻微擦伤；在555 m/s速度下，损伤达到底漆区域，此时由于涂层剥离而形成了凹坑；当速度达到617 m/s时，损伤延伸至基体区域，且损伤表面有明显的犁削状损伤。在涂层材料1中，可以观测到明显的裂纹产生。由式(1)、(2)、(3)可知，随着冲击速度的增加，应力波强度逐渐增强，水锤压力变大，液体-涂层界面，涂层-基体界面法向入射、反射和透射应力波产生的振幅导致了涂层的损伤破坏。

图  11  在冲击角度为15°时不同冲击速度下材料1涂层的损伤SEM显微图像

Figure  11.  SEM micrographs of the damaged coating of material 1 under the impact of different velocities at an impact angle of 15°

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图  12  在冲击角度为15°时不同冲击速度下材料2涂层的损伤SEM显微图像

Figure  12.  SEM micrographs of the damaged coating of material 2 under the impact of different velocities at an impact angle of 15°

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图  13  在冲击角度为15°时不同冲击速度下材料3涂层的损伤SEM显微图像

Figure  13.  SEM micrographs of the damaged coating of material 3 under the impact of different velocities at an impact angle of 15°

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3.3   不同射流角度下的冲击试验结果

图14为涂层材料1在冲击速度为617 m/s，冲击角度为0°、15°、30°下的电子显微典型损伤微观形貌图像。可以看到，在0°冲击角下，试样表现为大面积剥离损伤基体完全暴露，且基体部分断裂并伴有轻微挫伤，外围呈现环状波浪式损伤，涂层被完全破坏，损伤面积为42.18 mm²；而在15°冲击角下，试样整体呈现带状波浪式损伤，中央区域出现凹坑且露出底漆，损伤面积相对0°冲击角时减小至2.57 mm²；当冲击角度为30°时，试样损伤表现为表面轻微擦伤，损伤面积仅为1.56 mm²。

图  14  涂层材料1在不同冲击角度下的损伤形貌

Figure  14.  Damage morphologies of coating material 1 at various impact angles

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基于超景深三维数码显微镜VHX-5000的三维轮廓扫描重构功能，测得了损伤体积后得到的平均值，建立了三种涂层损伤体积随冲击角度的变化，如图15所示。可以看出，随着冲击角度的增加，雨蚀造成涂层的损伤情况在逐渐减弱，直到涂层试样几乎没有损伤出现。这是由于损伤程度主要与垂直于试样的速度分量有关。随着冲击角度的增加，冲击速度在垂直方向上的分量逐渐减小，致使损伤程度逐步减小；除此之外，随着夹角增加，在液滴压缩释放之前，液固接触在表面持续的时间也随之增加，导致冲击压力的减小^[32]，也是产生这一损伤趋势的主要原因。

图  15  试样损伤体积随冲击角度变化规律

Figure  15.  The relation between the damaged volume and impact angle

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图16、图17和图18为冲击速度为617 m/s时，不同冲击角下三种试样损伤的SEM剖面形貌观测图像。可以看出，随着冲击角度的增加，损伤的深度在不断减小。在0°冲击角下，涂层损伤区域(C)完全剥离、破坏，基体大面积暴露，损伤剖面呈现出平台状。其中，在涂层材料2的SEM扫描电子显微图像中，可以明显看到由于剪切波作用而产生的分层裂纹；在15°冲击角下，三种涂层损伤呈现圆锥形截面，在高倍率的观测下可以看到由于涂层剥离而产生的不规则凹坑以及犁削状痕迹，损伤延伸至底漆区域(B)，且部分区域露出基体；而在30°冲击角下，涂层损伤仅在面漆区域(A)产生，在涂层材料3的高倍率观测图像中可以观察到由于水锤压力作用在涂层面漆上产生的初始裂纹。上述不同损伤情况是由于在较小冲击角度时，应力波反射和透射造成的影响较大，导致界面先分层再剥离；但随着冲击角度的增大，应力波强度减弱，造成的损伤逐渐减小。

图  16  冲击速度为617 m/s时不同冲击角度下材料1涂层的损伤SEM显微图像

Figure  16.  SEM micrographs of the damaged coating of material 1 under the impact of different angles at an impact velocity of 617 m/s

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图  17  冲击速度为617 m/s时不同冲击角度下三种材料2涂层的损伤SEM显微图像

Figure  17.  SEM micrographs of the damaged coating of material 2 under the impact of different angles at an impact velocity of 617 m/s

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图  18  冲击速度为617 m/s时不同冲击角度下材料3涂层的损伤SEM显微图像

Figure  18.  SEM micrographs of the damaged coating of material 3 under the impact of different angles at an impact velocity of 617 m/s

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4.   结　论

本文基于一级轻气炮搭建了单射流雨蚀试验平台，可产生200～700 m/s，直径为4～7 mm蘑菇头形态的稳定水射流。在不同射流速度和角度情况下，针对三种同样厚度的飞机蒙皮涂层进行了单射流冲击试验。实验结果表明，蒙皮涂层单次水射流冲击的典型损伤有以下规律：

(1) 三种蒙皮涂层在受到射流冲击时呈现出几乎一样的损伤模式；主要表现为低速时的表面擦伤和高速时的界面分层损伤；

(2) 在冲击角度不变的情况下，随着冲击速度的增加，三种涂层试样的损伤面积逐渐增加，由轻微擦伤逐渐过渡至剥离损伤；其中，涂层在较大速度的冲击下更容易出现大面积的分层损伤；

(3) 在冲击速度不变的情况下，随着冲击角度的增大，法向速度分量逐渐减少，液滴接触材料表面瞬时冲击力随着速度分量的产生也在减小，由此产生初始损伤的程度不同，最终导致3种涂层试样的损伤面积逐渐减小，由0°时的明显损伤过渡至30°的轻微擦伤，甚至无损伤；

(4) 单射流冲击涂层出现侵蚀损伤的阈值速度约为360 m/s；侵蚀损伤形貌的早期阶段主要为微裂纹、凹凸和不规则形状的孤立凹坑；而在液滴侵蚀的后期，材料的剥离模式是由水力渗透造成的；

(5) 三种涂层试样在相同雨滴冲击速度与角度下，虽然涂层材料1的力学性能最佳，但由于其表面最为粗糙，故初始侵蚀损伤最为明显；尽管涂层材料3的力学性能最差，但其表面最为光滑，故最不易发生初始侵蚀损伤；由此可见，在材料自身特性参数中，表面粗糙度是影响材料雨蚀损伤程度的主要因素。

感谢博士研究生王旋、侯乃丹等对本文理论和实验部分工作的支持和帮助。