飛機(jī)涂層體系脫落分析及防護(hù)建議

李巖 張秀麗 王猛 劉紅艷

一、引言

飛機(jī)涂層體系因兼具特殊的成分與功能，具有使用方便、操作簡單、不受幾何形狀限制等優(yōu)勢，目前已迅速發(fā)展成為應(yīng)用廣泛的新型材料。在新型戰(zhàn)機(jī)及其核心部件的設(shè)計制造中，已衍生出多種類型的特種涂層，例如在傳統(tǒng)涂料中摻雜功能粒子而制成的吸波涂層體系，在美、德等國飛機(jī)上已有成熟應(yīng)用;還有能夠滲入結(jié)構(gòu)縫隙將水分子置換出來，從而延緩腐蝕的重防腐特種涂層，目前國內(nèi)沿海地區(qū)也已廣泛應(yīng)用。但由于缺乏配套的維修工藝和日常維護(hù)措施，在實際應(yīng)用中多次出現(xiàn)分層、開裂或局部脫落等現(xiàn)象，對機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)及裝備運(yùn)行安全造成不良影響。

二、典型案例

A飛機(jī)飛行前檢查發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣道內(nèi)唇口上部夾角處出現(xiàn)涂層開裂分層現(xiàn)象。

B飛機(jī)地面試車時發(fā)動機(jī)葉片損傷，檢查發(fā)現(xiàn)雷達(dá)罩后緣與機(jī)體對縫處、前護(hù)板以及進(jìn)氣道前端兩種涂層交接處特種涂層出現(xiàn)初始分層缺陷，如圖1所示，在進(jìn)氣氣流的作用下發(fā)生脫落，進(jìn)入發(fā)動機(jī)流道，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)損傷。

C飛機(jī)試車后檢查發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣道內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)方形散熱器防護(hù)格柵邊緣多處涂層脫落。

上述飛機(jī)的起落數(shù)與飛行強(qiáng)度見表1所示。

三、涂層脫落分析

1、涂層脫落情況

涂層體系的脫落多集中在機(jī)件邊緣或?qū)p處，以及涂層變化、涂層修補(bǔ)等不同涂層體系交接的部位。脫落方式從底部涂層與飛機(jī)蒙皮基底的結(jié)合面開始分層，然后隨著飛機(jī)運(yùn)行及氣流作用逐漸擴(kuò)展，發(fā)展為裂紋及掉塊，形成涂層體系的缺陷，進(jìn)而形成一定面積的脫落。脫落的面積與飛機(jī)的飛行強(qiáng)度有關(guān)，飛行強(qiáng)度越大、起落數(shù)越多，脫落的面積越大。

2、脫落機(jī)理分析

由涂層體系的脫落情況可以看出，涂層的脫落主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)變化劇烈的非平面區(qū)域的邊緣性脫落和涂層體系發(fā)生變化的部位易產(chǎn)生的非邊緣性脫落。

（1）邊緣性脫落

從結(jié)構(gòu)方面分析，在飛機(jī)運(yùn)行期間承受著巨大的氣流沖擊力和摩擦力，在夾角或機(jī)件邊緣、對縫處等邊緣區(qū)域因能量分布不均勻，會出現(xiàn)局部熱量集中。由于涂層體系與基底的熱膨脹系數(shù)差異較大，各涂層和基底在受熱和受力的作用下，局部發(fā)生不同程度的膨脹和形變。隨著飛行時間的累積，涂層體系的膨脹和形變程度不斷擴(kuò)大，演變?yōu)榱鸭y，而在裂紋的邊緣和根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終產(chǎn)生掉塊，形成涂層體系的邊緣性脫落。邊緣性脫落機(jī)理見圖1。

（2）非邊緣性脫落

從涂層體系講，蒙皮表面因功能及使用要求而涂裝多種復(fù)雜的涂層體系，不同體系組分的性能及厚度要求不同。根據(jù)使用需求，還會對小面積脫落的的涂層進(jìn)行修補(bǔ)。在兩種涂層體系交接部位存在厚度逆差和工藝分離面。飛行時，在高速氣流的沖刷作用下，各漆層由交接部位或工藝分離面開始產(chǎn)生剝離，進(jìn)而形成涂層體系的缺陷。隨著飛行強(qiáng)度的積累逐層脫落。此外，由于底部涂層與蒙皮基底的結(jié)合，對光潔度要求較高，對大面積的整機(jī)清洗難以滿足，導(dǎo)致底部涂層與基材的附著力不佳，在氣流沖刷及氣動力振動的綜合作用下，而出現(xiàn)分層，最終演化為非邊緣性脫落。非邊緣性脫落機(jī)理見圖2。

四、防護(hù)措施及改進(jìn)方向

通過上述機(jī)理分析可知，在飛行過程中對氣流的純凈度要求極高，任何多余異物均會給裝備運(yùn)轉(zhuǎn)帶來隱患。因此，針對不同形式的涂層體系脫落，要采取不同的預(yù)防、防護(hù)和改進(jìn)方式。

對于邊緣性脫落，需要在結(jié)構(gòu)變化劇烈的邊緣區(qū)域增加防護(hù)涂層，強(qiáng)化其基底結(jié)合力，或改用結(jié)合力較好的底漆涂料。但要從根本上預(yù)防邊緣性脫落，還需從結(jié)構(gòu)和材料的角度進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，利用空氣動力學(xué)原理改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，改變氣流沖擊的能力分布。同時，對涂層體系中的各種漆進(jìn)行改性，使不同涂料之間的熱膨脹系數(shù)與基地接近或保持統(tǒng)一，從而減少邊緣性脫落出現(xiàn)的可能。

對于非邊緣性脫落，則要從工藝著手，對基體表面進(jìn)行徹底的清洗，提高基底的光潔度，促進(jìn)涂層體系附著力的加強(qiáng)與附著力梯度的協(xié)調(diào)。在不同體系的交接部位，應(yīng)增加各漆層的交叉重疊面積，從而提高交接部位對強(qiáng)氣流作用的抵御能力。此外，涂裝后的潤濕處理，以及通過工藝試驗控制工藝分離面的形狀與范圍，都是改善工藝結(jié)合面的結(jié)合力，預(yù)防發(fā)生非邊緣性脫落的有效手段。