新型直升機(jī)抗腐蝕涂層性能研究

馮晨旭，張曉娟，崔騰飛，于晴，楊麗媛

（1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333001； 2.北京航空材料研究院，北京 100095）

引言

隨著我國(guó)對(duì)海洋資源的逐步開發(fā)，直升機(jī)開始在海上搜救、海上運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用[1]。與內(nèi)陸服役環(huán)境不同，直升機(jī)在海上服役更容易暴露在高鹽霧、高紫外、高溫、高濕熱等環(huán)境中，更容易引發(fā)鹽霧腐蝕、霉菌腐蝕、濕熱腐蝕、紫外損傷等問題，這就對(duì)直升機(jī)的腐蝕防護(hù)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[2-4]。除了合理的材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)外，表面涂層是一種簡(jiǎn)單有效的金屬防腐手段，而表面防護(hù)涂層的優(yōu)劣對(duì)直升機(jī)結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境腐蝕有著舉足輕重的作用[5]。

結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度較高，是直升機(jī)重要的結(jié)構(gòu)材料[6]。但結(jié)構(gòu)鋼本身的耐蝕性較差，裸露使用會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕損傷，因此需要采取合理的表面涂鍍層對(duì)其進(jìn)行防護(hù)，才能避免腐蝕的發(fā)生[7]。在大氣環(huán)境中使用的涂層，受大氣環(huán)境因素影響會(huì)發(fā)生老化，逐步失去防護(hù)效果，而在海洋高濕、高紫外、高鹽霧的環(huán)境中，涂層性能的退化更為嚴(yán)重[8-10]?？梢姳砻嫱繉拥哪臀g性和耐久性，對(duì)直升機(jī)的腐蝕防護(hù)至關(guān)重要[11]。目前，大多數(shù)涂鍍層防護(hù)體系可保證直升機(jī)在內(nèi)陸環(huán)境的長(zhǎng)期服役，對(duì)長(zhǎng)期在海洋環(huán)境服役的直升機(jī)腐蝕防護(hù)效果不理想。本文針對(duì)此研究現(xiàn)狀，開展了新型防護(hù)底漆的研究，提出了模擬海洋環(huán)境的加速腐蝕試驗(yàn)方法，驗(yàn)證了兩種新型防護(hù)涂層的耐蝕性。

本文通過梳理某型直升機(jī)的連接形式，設(shè)計(jì)出可模擬該型直升機(jī)腐蝕情況的典型連接件并制作陪試件，并在典型連接件和陪試件表面噴涂?jī)煞N新型防護(hù)涂層，根據(jù)編制的加速試驗(yàn)環(huán)境譜開展加速環(huán)境試驗(yàn)，考核驗(yàn)證兩種新型防護(hù)涂層的耐蝕性。并與已經(jīng)應(yīng)用的陸基直升機(jī)防護(hù)涂層進(jìn)行比較，為新型防護(hù)涂層在艦載直升機(jī)上的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試樣制備和試驗(yàn)

1.1 試樣尺寸和材料

選取直升機(jī)典型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)典型結(jié)構(gòu)模擬件，試樣尺寸如圖1（a）所示，陪試件尺寸如圖1（b）所示。其中，鋼材料選用30CrMnSiA，與其接觸的材料選用7050-T7451鋁合金，緊固件選用不銹鋼螺栓螺母。

首先將30CrMnSiA進(jìn)行鍍鎘鈍化，7050-T7451鋁合金進(jìn)行鉻酸陽極化，之后噴涂?jī)煞N新型防護(hù)涂層X和Y，以及已經(jīng)應(yīng)用的陸基直升機(jī)防護(hù)涂層Z，具體見表1。

試驗(yàn)和測(cè)試開始前，需對(duì)試驗(yàn)件表面進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理流程如下：無水C2H6O清洗→去離子水沖洗→吹干。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 加速試驗(yàn)環(huán)境譜設(shè)計(jì)

根據(jù)某沿海地區(qū)實(shí)際環(huán)境特點(diǎn)，測(cè)量和收集大氣環(huán)境的溫度、濕度、雨量、pH值、侵蝕性離子含量、固體離子含量等環(huán)境參數(shù)。根據(jù)收集到的環(huán)境參數(shù)并結(jié)合直升機(jī)具體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行當(dāng)量疊加，構(gòu)建出可以等效直升機(jī)在沿海地區(qū)服役環(huán)境的加速環(huán)境試驗(yàn)譜，以考核評(píng)估直升機(jī)典型材料、結(jié)構(gòu)、連接形式和涂鍍層防護(hù)體系的耐蝕性和腐蝕損傷等[12,13]，編制的加速環(huán)境試驗(yàn)譜由濕熱、浸泡、常溫疲勞三部分組成，具體試驗(yàn)條件如圖2所示。

圖1 典型試驗(yàn)件及陪試件示意圖

表1 材料表面處理及涂層體系

1.2.2 加速環(huán)境試驗(yàn)

采用如圖2所示的加速試驗(yàn)環(huán)境譜對(duì)直升機(jī)結(jié)構(gòu)模擬件進(jìn)行加速環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)共進(jìn)行10個(gè)周期，在每周期的試驗(yàn)結(jié)束后，檢測(cè)試驗(yàn)件涂層的性能。

1.3 試樣件的檢測(cè)

1.3.1 外觀觀察

在試驗(yàn)開始前及每周期加速試驗(yàn)后，檢查各試驗(yàn)件的外觀，記錄試驗(yàn)件宏觀形貌。

利用KGZ-1B光澤度儀對(duì)涂層試樣進(jìn)行60 °漆膜鏡面光澤檢測(cè)，測(cè)量涂層色差及60 °失光率。并按下式計(jì)算失光率。

失光率（%）計(jì)算公式：

式中：

A0—試驗(yàn)前光澤測(cè)定值；

A1—試驗(yàn)后光澤測(cè)定值。

1.3.2 電化學(xué)阻抗測(cè)試

使用電化學(xué)工作站和三電極體系（帶有魯金毛細(xì)管）對(duì)陪試件涂層進(jìn)行電化學(xué)交流阻抗譜的測(cè)量。其中工作電極為陪試件（測(cè)試面積為1 cm2），參比電極使用飽和甘汞電極Hg/Hg2Cl2（SCE），輔助電極使用石墨電極。測(cè)試溶液為3.5 % NaCl溶液，頻率掃描范圍為0.1～100 kHz，激勵(lì)信號(hào)為10 mV的正弦波。試驗(yàn)前需將陪試件放入測(cè)試溶液中浸泡10～20 min，待腐蝕電位穩(wěn)定后再開始電化學(xué)阻抗測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 加速試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)鋼的宏觀表面形貌

X、Y、Z三種涂層腐蝕前及腐蝕10周期后的宏觀形貌如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，腐蝕前三個(gè)試樣表面的涂層都能均勻覆蓋在試件表面，涂層均較為完好。經(jīng)過10周期的腐蝕后，X涂層和Y涂層基本保持完好，而Z涂層在螺栓頭部位出現(xiàn)了較為明顯的腐蝕損傷，部分涂層脫落，可見改進(jìn)后的X涂層和Y涂層耐蝕性要優(yōu)于原始的Z涂層。

圖2 加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜

圖3 腐蝕前結(jié)構(gòu)鋼連接件的宏觀形貌

2.2 表面光澤度

圖5所示為經(jīng)過不同周期腐蝕后，試樣表面涂層的60 °光澤度隨腐蝕周期的變化。從圖中可以看出隨著腐蝕周期的延長(zhǎng)，三種涂層的光澤度均出現(xiàn)了不同程度的變化。對(duì)X涂層，試驗(yàn)前光澤度為44，經(jīng)過10周期腐蝕試驗(yàn)后光澤度降為43.5，涂層光澤度變化不大。經(jīng)過10周期的腐蝕后Y涂層光澤度略微下降，試驗(yàn)前光澤度為26.1，試驗(yàn)后下降到23.1。而Z涂層光澤度則略有上升，試驗(yàn)前光澤度為10.2，試驗(yàn)結(jié)束后變化到13。相比于X涂層，經(jīng)過10周期的腐蝕，光澤度變化率僅1.13 %，Y涂層有11.49 %，Z涂層則達(dá)到了27.45 %，有說明X涂層性能退化程度更小，防護(hù)性能最好，Z涂層防護(hù)性能最差。

圖4 腐蝕后結(jié)構(gòu)鋼連接件的宏觀形貌

2.3 表面失光率

圖6所示為三種涂層表面失光率隨試驗(yàn)周期的變化。從圖中可以看出，隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，X涂層表面光澤度變化較為穩(wěn)定，變化率波動(dòng)不大，基本保持在5～10 %之間；Y涂層光澤度的變化較X涂層大，尤其是在第4、第5周期腐蝕后，光澤度出現(xiàn)較大波動(dòng)；Z涂層光澤度變化最大，光澤度一直上升，變化最大將近30 %，說明涂層的性能變化最大。因此，通過對(duì)比可以看到，涂層X的耐久性最好，涂層Y次之，涂層Z最差。

圖5 表面光澤度隨試驗(yàn)周期的變化

圖6 光澤度隨試驗(yàn)試驗(yàn)的變化率

圖7 涂層色差度隨暴露時(shí)間的變化

圖8 不同周期后X涂層的EIS圖譜

2.4 表面色差

圖7為三種涂層經(jīng)10周期加速腐蝕試驗(yàn)涂層色差相對(duì)于未腐蝕時(shí)的變化情況。從圖中可以看出，X、Y、Z三種涂層的色差隨著腐蝕周期的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：腐蝕前2周期色差變化較大，色差明顯增加；腐蝕2周期后，各涂層的色差趨于穩(wěn)定。2周期后，X涂層色差,最大為40.15，最小為37.7，變化不大，基本保持穩(wěn)定；Y涂層色差最大為11.41，最小為8.48，也基本報(bào)保持穩(wěn)定；Z涂層色差最大為4.94，最小為0.77，基本變化不大。

2.5 電化學(xué)阻抗譜

圖9 不同周期后Y涂層的EIS圖譜

圖8～10為結(jié)構(gòu)鋼陪試件三種涂層體系的電化學(xué)阻抗譜。從圖8～10中的Nyquist圖中可以看出，所有涂層腐蝕前的Nyquist圖均只有一個(gè)容抗弧，說明涂層完整覆蓋在試樣表面，對(duì)基體具有很好的保護(hù)作用。經(jīng)過一定周期的腐蝕后，中低頻段出現(xiàn)了容抗弧隨著試驗(yàn)時(shí)間增加容抗弧半徑逐漸減小，這表明涂層中因存在微孔而導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)不斷滲入，涂層中的孔隙被腐蝕介質(zhì)滲透擊破，腐蝕介質(zhì)將要侵入到金屬基材，但這時(shí)金屬基材還沒發(fā)生腐蝕[14]。

從圖8～10中的Bode圖中可以看出，腐蝕前所有涂層的電化學(xué)阻抗膜值均較高，特定頻率電化學(xué)阻抗模值|Z|f=0.1Hz均在108Ω以上，膜層結(jié)構(gòu)較為完整，耐蝕性均較好。隨著腐蝕周期的延長(zhǎng)，所有涂層的阻抗均不斷降低，但是降低的程度不同。X涂層經(jīng)過10周期的腐蝕后，|Z|f=0.1Hz仍有將近107Ω。Y涂層經(jīng)過10周期的腐蝕后，|Z|f=0.1Hz降低到106～107Ω之間。Z涂層經(jīng)過10周期的腐蝕后，|Z|f=0.1Hz降低到接近106 Ω。，可見，X涂層的耐環(huán)境侵蝕能力最好，Y涂層次之，Z涂層最差，這與腐蝕形貌和表面光澤變化也是一致的。

圖10 不同周期后Z涂層的EIS圖譜

3 結(jié)論

1）X涂層經(jīng)過10個(gè)周期的加速環(huán)境試驗(yàn)后，失光率約為1.1 %，表面色澤保持穩(wěn)定，無明顯腐蝕現(xiàn)象；Y涂層失光率為11.49 %，表面輕微變色，涂層無明顯剝落情況；Z涂層失光率為27.45 %，表面涂層出現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象。X涂層耐蝕性最好，Y涂層次之，Z涂層的耐蝕性最差。

2）在進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)之前，X、Y、Z三種涂層均存在一個(gè)容抗弧，且電化學(xué)阻抗模值在0.1 Hz處均大于108Ω·cm2，說明三種涂層耐蝕性較好。進(jìn)行10周期的加速腐蝕試驗(yàn)后，中低頻段出現(xiàn)了新的容抗弧，這說明腐蝕介質(zhì)通過涂層中的微孔不斷向基體滲入，但是并未對(duì)基體材料造成腐蝕損傷。

3）隨著試驗(yàn)周期的延長(zhǎng)，三種涂層在f=0.1 Hz處的電化學(xué)阻抗模值均不斷降低，腐蝕10周期后，X涂層的電化學(xué)阻抗模值在0.1Hz處可保持在107Ω·cm2以上，說明涂層耐蝕性較好；X涂層的電化學(xué)阻抗模值在0.1 Hz處可保持在106～107Ω·cm2之間，耐蝕性次之；Z涂層在f=0.1 Hz處的電化學(xué)阻抗模值降低到接近106Ω·cm2，耐蝕性最差。