飛機(jī)蒙皮表面的預(yù)處理及涂裝

陸文明，季建霞，趙寶華，李文凱，周如東（.中海油常州環(huán)保涂料有限公司，江蘇常州 30；.中海油常州涂料化工研究院有限公司，江蘇常州 306）

工藝·設(shè)備

飛機(jī)蒙皮表面的預(yù)處理及涂裝

陸文明1，季建霞2，趙寶華1，李文凱1，周如東1
（1.中海油常州環(huán)保涂料有限公司，江蘇常州 213012；2.中海油常州涂料化工研究院有限公司，江蘇常州 213016）

介紹了飛機(jī)蒙皮表面主體鋁合金材料和復(fù)合材料的預(yù)處理方法，并對(duì)鋁合金表面的幾種預(yù)處理方法進(jìn)行性能和工藝對(duì)比。同時(shí)還對(duì)鋁合金和復(fù)合材料表面的涂層體系作了介紹。飛機(jī)蒙皮經(jīng)表面處理，再噴上配套涂料后，不僅具有裝飾性，而且具有優(yōu)異的耐候性、耐介質(zhì)性和其他防護(hù)性能。

飛機(jī)蒙皮；預(yù)處理；環(huán)氧聚酰胺底漆；聚酯膩?zhàn)樱痪郯滨ッ嫫?；涂裝

0　引言

飛機(jī)蒙皮的作用是維持飛機(jī)外形，使之具有很好的空氣動(dòng)力特性。蒙皮承受空氣動(dòng)力作用后，將作用力傳遞到相連的機(jī)身機(jī)翼骨架上，受力復(fù)雜，加之蒙皮直接與外界接觸，所以不僅要求蒙皮材料的強(qiáng)度高、塑性好，而且要求其表面光滑，具有較高的抗蝕能力。飛機(jī)蒙皮所用材料主要有鋁合金、高強(qiáng)度不銹鋼、碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料等；飛機(jī)外蒙皮表面涂層體系包括：蒙皮表面預(yù)處理、底漆層、面漆層。以下主要介紹飛機(jī)鋁蒙皮和復(fù)合材料蒙皮的表面處理，以及涂層體系。

1　飛機(jī)蒙皮表面的預(yù)處理

1.1飛機(jī)鋁蒙皮表面的預(yù)處理

鋁是一種比較活潑的金屬，具有銀白色光澤，相對(duì)密度為2.70，比鋼材輕很多，但純鋁的機(jī)械強(qiáng)度較低，在鋁中加入少量其他金屬，如鎂、銅、鋅等，使其成為鋁合金后機(jī)械強(qiáng)度大為提高，在航空工業(yè)上廣為采用。

純鋁在常溫干燥空氣中與氧氣發(fā)生作用，能夠在鋁表面生成一層很薄的致密氧化膜，其厚度約為0.01～0.015 μm，隔絕了氧氣繼續(xù)與內(nèi)層鋁作用，起到保護(hù)作用，所以純鋁在空氣中比較穩(wěn)定，且具有一定的耐腐蝕性。在鋁中加入鎂、銅、鋅等元素制成鋁合金后，其機(jī)械強(qiáng)度提高，但耐腐蝕性卻下降。所以通過(guò)對(duì)鋁合金表面進(jìn)行化學(xué)處理，生成一層致密的氧化膜，具有一定的抗腐蝕性，同時(shí)這層氧化膜均勻且多孔，增加了表面涂層的接觸面積，從而提高了表面涂層的附著力，使其牢固地附著在鋁合金蒙皮表面，提高了抗腐蝕性。飛機(jī)上常用的鋁蒙皮表面處理方法有電化學(xué)氧化法（陽(yáng)極化法）、化學(xué)氧化法和磷化底漆3種。

1.1.1電化學(xué)陽(yáng)極氧化法

鋁板的電化學(xué)陽(yáng)極氧化法就是將鋁板掛在陽(yáng)極化槽中，鋁板接通陽(yáng)極，陰極是鉛板，接通電流后，由于電極的電化學(xué)反應(yīng)，在鋁表面生成氧化膜。在氧化成膜的過(guò)程中，同時(shí)發(fā)生兩個(gè)過(guò)程：一是在鋁板表面生成三氧化二鋁氧化膜的過(guò)程，二是在氧化膜生成的過(guò)程中伴隨著氧化膜溶解的過(guò)程。只有當(dāng)氧化膜生成的速度超過(guò)氧化膜溶解的速度時(shí)，方可得到一定厚度的氧化膜，膜厚一般在5～15 μm。

在陽(yáng)極化時(shí)，槽液中的水首先被電解：

因氧原子本身很活潑，會(huì)與鋁板表面的鋁原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成三氧化二鋁氧化膜層：

在陽(yáng)極上生成化學(xué)活潑性很強(qiáng)的初生態(tài)氧：

在氧化膜形成的同時(shí)，又伴隨著氧化膜在電解液中的溶解過(guò)程，當(dāng)電解液是硫酸時(shí)，反應(yīng)過(guò)程如下：

在氧化過(guò)程中，氧化膜不同于電鍍鍍層，由金屬表面向外生長(zhǎng)，而是在多孔膜中向金屬深處生長(zhǎng)。

氧化膜具有多孔性，因而具有很好的吸附能力，可以染成各種顏色起裝飾作用。當(dāng)氧化膜的孔隙占其體積的20%～30%時(shí)，它與漆膜具有很好的附著力，是漆膜很好的底層，但氧化膜放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其孔隙被塵土等堵塞，則漆膜的附著力很快變差。因氧化膜是由基體金屬直接生成的，與基體金屬結(jié)合為整體，所以氧化膜與基體金屬具有很牢固的附著力。氧化膜為不導(dǎo)電的絕緣層，當(dāng)其膜厚為1 μm時(shí)，擊穿電壓為25 V，純鋁氧化膜的電阻系數(shù)為109 Ω/cm2。氧化膜還是很好的耐熱保護(hù)層，耐熱可達(dá)1 500℃，其導(dǎo)熱系數(shù)明顯低于金屬。

陽(yáng)極氧化法所用的電解液有硫酸、鉻酸、磷酸和草酸等，電解液是陽(yáng)極氧化法中的主要原材料，因此，又以電解液的不同來(lái)命名陽(yáng)極氧化法，如硫酸陽(yáng)極化法、鉻酸陽(yáng)極化法、磷酸陽(yáng)極化法、草酸陽(yáng)極化法。

在電化學(xué)陽(yáng)極氧化過(guò)程中，電解液濃度、電解液溫度、電流密度以及電化學(xué)氧化時(shí)間對(duì)氧化膜的質(zhì)量都會(huì)有一定影響。

1.1.2化學(xué)氧化法

通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在鋁金屬表面生成一層薄的氧化膜，稱化學(xué)氧化法。這種方法不需要通過(guò)電流，工藝上比電化學(xué)氧化法要簡(jiǎn)單，成本低。該法生成的氧化膜很薄，一般膜層厚度約0.5～4 μm，膜層質(zhì)軟，耐磨性很差，經(jīng)受中等觸碰時(shí)，膜層有適度的牢固性；受到嚴(yán)重的觸碰和腐蝕時(shí)，膜層會(huì)被迅速破壞，故不能單獨(dú)使用；膜層具有較好的物理吸附能力，是良好的底涂層。

常用的化學(xué)氧化法有阿羅丁法、鉻酸溶液氧化法和堿性氧化法。與陽(yáng)極氧化法相比，化學(xué)氧化法有以下特點(diǎn)：對(duì)鋁合金材料疲勞性影響小；操作簡(jiǎn)便；不用電源；設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低；處理時(shí)間短，生產(chǎn)效率高；適用于各種形狀復(fù)雜的工件?；瘜W(xué)氧化膜的耐腐蝕性低于硫酸或鉻酸陽(yáng)極化膜，不能單獨(dú)作為鋁合金的防護(hù)層使用，必須涂漆方可使用。

1.1.3磷化底漆法

在鋁合金表面涂覆磷化底漆是在鋁磷化的同時(shí)形成漆膜，磷化底漆本身不能單獨(dú)起到底漆作用，是一種表面預(yù)處理方法，主要用于不能進(jìn)行陽(yáng)極化法或化學(xué)氧化法的工件。

磷化底漆的基料（組分1）是以聚乙烯醇縮丁醛樹(shù)脂為主，加有鉻酸鹽等防銹顏料和助劑組成，組分2為磷酸。使用前，將兩組分按規(guī)定比例混合均勻，噴涂在鋁板表面時(shí)，一部分磷酸與金屬鋁結(jié)合，使金屬表面和涂膜連成一體，涂膜具有一定的防腐蝕能力，又能與涂層體系中的底漆具有良好的結(jié)合力。磷化底漆對(duì)施工條件要求較高，稍不小心就會(huì)使漆膜變脆，造成大規(guī)模掉漆的嚴(yán)重后果。

1.1.4陽(yáng)極氧化法、化學(xué)氧化法、磷化底漆法的比較

陽(yáng)極氧化法與阿羅丁法膜層的性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　 陽(yáng)極氧化法與阿羅丁法膜層的性能對(duì)比Table 1　The film performance comparison between anodic oxidation and Alodine method

由表1可見(jiàn)：鉻酸陽(yáng)極化法處理和阿羅丁-1200處理所形成的膜層對(duì)鋁板的附著力最佳，但最大的缺點(diǎn)是脫漆非常困難。陽(yáng)極氧化法在陽(yáng)極化槽中進(jìn)行，因此陽(yáng)極氧化法只能處理一些小工件，而阿羅丁-1200化學(xué)氧化法可采用噴淋法或刷涂法在大工件或整架飛機(jī)的鋁蒙皮表面進(jìn)行處理。

磷化底漆和化學(xué)氧化膜一樣，都可以在整架飛機(jī)上作為表面處理層使用，兩者在性能與工藝上的對(duì)比情況見(jiàn)表2和表3。

表2　 磷化底漆與化學(xué)氧化膜的性能對(duì)比Table 2　The performance comparison between etching primer and chemical treatment film

表3　 磷化底漆與化學(xué)氧化膜的工藝對(duì)比Table 3　The technology comparison between etching primer and chemical treatment film

就施工性來(lái)看，磷化底漆的方法優(yōu)于化學(xué)氧化法，它具有很好的脫漆性，在飛機(jī)返修時(shí)可以較容易地除去舊涂層體系，節(jié)省返修工時(shí)。

表4為陽(yáng)極氧化處理（鉻酸法或硫酸法）、化學(xué)氧化法（阿羅丁-1200處理）和磷化底漆3種表面處理方法的綜合對(duì)比。由表4可見(jiàn)：陽(yáng)極氧化法（鉻酸法或硫酸法）和化學(xué)氧化法在樣板處理上的效果較好，尤其在對(duì)鋁板的附著力、耐腐蝕性、耐液體介質(zhì)性、與底漆相容性方面性能突出，而磷化底漆則在施工性方面優(yōu)于陽(yáng)極氧化法和化學(xué)氧化法，用于飛機(jī)修補(bǔ)時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

表4　 3種表面處理方法的對(duì)比Table 4　The comparison among three kinds of surface treatment method

1.2飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮表面預(yù)處理

近年來(lái)，隨著航空材料的節(jié)能減重，高性能的復(fù)合材料已廣泛用于飛機(jī)蒙皮，如雷達(dá)天線罩、無(wú)線電天線罩、副翼，部分機(jī)翼、平尾和垂尾，以及部分機(jī)身蒙皮大都由復(fù)合材料制作。飛機(jī)蒙皮用的復(fù)合材料大部分為環(huán)氧碳纖維類復(fù)合材料，能夠耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕，沿纖維軸方向呈現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維是由含碳量較高、在熱處理過(guò)程中不熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。由碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，相對(duì)密度小、剛性好、強(qiáng)度高，已大量應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中，但是環(huán)氧碳纖維類復(fù)合材料易老化、屏蔽率差，因此復(fù)合材料表面的涂層體系很重要，它是防止復(fù)合材料老化的保護(hù)層。

復(fù)合材料表面處理主要是為了除去成型時(shí)表面粘上的各種脫模劑，同時(shí)把表面清洗干凈，形成一個(gè)良好的涂漆表面。能否把復(fù)合材料表面的脫模劑，特別是含硅型脫模劑清除干凈，關(guān)系到涂層對(duì)復(fù)合材料表面的結(jié)合力，是能否得到優(yōu)良涂層體系的重要環(huán)節(jié)。

復(fù)合材料表面處理是通過(guò)機(jī)械打磨或手工打磨去除脫模劑，并用溶劑清洗表面。應(yīng)選用一定細(xì)度的水磨砂紙輕輕打磨復(fù)合材料表面，以免損壞復(fù)合材料表面狀態(tài)。整個(gè)復(fù)合材料表面打磨完畢后，再用溶劑或?qū)Ｓ们逑磩┣逑??？捎盟みB續(xù)法檢驗(yàn)表面處理程度，水膜在30 s內(nèi)不破裂，說(shuō)明表面已處理干凈，否則仍需重復(fù)打磨清洗工作。

2　飛機(jī)蒙皮表面的涂層體系及涂裝

2.1飛機(jī)鋁蒙皮表面涂層體系

對(duì)于航空涂料，必須具有高耐腐蝕性才能保證飛機(jī)的安全飛行。國(guó)內(nèi)外飛機(jī)蒙皮涂料經(jīng)歷了由硝基/醇酸涂料到熱塑性丙烯酸涂料，再到常溫固化雙組分聚氨酯涂料等幾個(gè)發(fā)展階段。隨著航空涂料產(chǎn)品的發(fā)展和更新?lián)Q代，飛機(jī)蒙皮表面的底漆和面漆均需滿足美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)以及波音公司標(biāo)準(zhǔn)。

飛機(jī)外蒙皮涂層體系所用的底漆需符合美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-P-23377，目前符合這一標(biāo)準(zhǔn)的底漆主要有環(huán)氧聚酰胺類底漆和聚氨酯類底漆。環(huán)氧聚酰胺底漆對(duì)飛機(jī)上各種液體介質(zhì)具有良好的抗耐性；對(duì)環(huán)境條件的腐蝕因素，如潮濕、鹽霧等也有很好的抗耐性；具有良好的機(jī)械性能；對(duì)不同處理的氧化膜有良好的附著力。雙組分聚氨酯底漆也對(duì)機(jī)上液體介質(zhì)具有良好的抗耐性；對(duì)大氣條件下各種腐蝕因素具有很好的抗耐性；具有良好的機(jī)械性能；對(duì)經(jīng)各種不同表面處理過(guò)的鋁合金具有良好的附著力；與聚氨酯面漆的層間附著力優(yōu)于環(huán)氧聚酰胺底漆。

飛機(jī)外蒙皮表面涂層體系的面漆一般采用雙組分脂肪族聚氨酯涂料。這種聚氨酯涂料的性能需滿足美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-85285以及美國(guó)波音公司標(biāo)準(zhǔn)BMS10-72的要求。國(guó)內(nèi)外多家航空涂料供應(yīng)商生產(chǎn)的該類產(chǎn)品雖然都能符合上述兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，但在固化劑種類以及含羥基樹(shù)脂的選擇上略有差異。在固化劑的選擇上主要以HDI（六亞甲基二異氰酸酯）三聚體和HDI縮二脲為主，在羥基樹(shù)脂的選擇上大多為聚酯樹(shù)脂和含羥基丙烯酸樹(shù)脂。隨著國(guó)內(nèi)外氟碳樹(shù)脂的發(fā)展和應(yīng)用，氟樹(shù)脂超強(qiáng)的耐候性、耐腐蝕性、抗氧化性、耐高低溫性、耐磨性等引起了人們的極大關(guān)注，并通過(guò)引入氟樹(shù)脂改性丙烯酸樹(shù)脂，將氟樹(shù)脂涂料引入到航空涂料中。

世界各國(guó)的飛機(jī)制造公司均根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求來(lái)選擇飛機(jī)外表面的涂層體系，表5為國(guó)內(nèi)外一些航空公司對(duì)飛機(jī)外表面涂層的選擇情況。

由表5可見(jiàn)：目前國(guó)內(nèi)外主要飛機(jī)制造公司所采用的涂層體系有3種，見(jiàn)圖1。

圖1　3種涂層體系示意圖Figure 1　The sketch map of three kinds of coating system

圖1中3種涂層體系只要所用原材料都符合各自材料標(biāo)準(zhǔn)的要求，則每種涂層體系的性能都能滿足飛機(jī)的使用要求。它們存在的主要差異是，采用磷化底漆的涂層體系，其舊漆層的脫除比另外兩種涂層體系要容易些。

2.2 飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮表面涂層體系

復(fù)合材料表面防護(hù)涂層體系包括表面處理層、底漆、膩?zhàn)雍兔嫫帷ｄX合金蒙皮表面使用的底漆一般為環(huán)氧底漆或聚氨酯底漆，為防止金屬腐蝕，底漆中還添加了防銹顏填料，而在復(fù)合材料表面沒(méi)有金屬組分，不存在金屬腐蝕問(wèn)題，因而不需要添加鉻酸鹽類的防銹顏填料。因復(fù)合材料是一種對(duì)水敏感的材料，吸水后復(fù)合材料的強(qiáng)度、電性能會(huì)明顯降低，因此，復(fù)合材料表面的底漆層應(yīng)當(dāng)具有高度致密性，能夠防止水的滲透。另外，因飛機(jī)的飛行會(huì)受到太陽(yáng)輻射、氣溫的冷熱交替，以及高速飛行時(shí)氣流、沙塵的沖擊，因此應(yīng)選擇具有優(yōu)異的耐候性、附著力、柔韌性、耐高低溫性、耐磨性和耐雨蝕性的涂層。在選擇底漆時(shí)，采用耐候性相對(duì)更好，并具有一定的彈性形變、附著力優(yōu)異、交聯(lián)密度高的聚氨酯底漆。復(fù)合材料表面呈多孔狀外觀，經(jīng)除油打磨處理后，表面仍會(huì)有孔狀外觀，涂覆底漆后并不能完全遮住表面孔隙，此時(shí)需在底漆表面刮涂彈性聚酯膩?zhàn)?，填充表面孔隙。彈性聚酯膩?zhàn)佑蓮椥跃埘?shù)脂加無(wú)機(jī)填充物制備而成。該膩?zhàn)优c聚氨酯底漆和面漆附著力好，具有優(yōu)異的柔韌性和彈性形變，且在復(fù)合材料表面的填充性好。對(duì)刮涂后的膩?zhàn)訉舆M(jìn)行輕微打磨處理，并用清洗溶劑將表面擦拭干凈后，再噴涂一道聚氨酯底漆，底漆常溫干燥6 h以上，即可噴涂聚氨酯面漆。

復(fù)合材料表面的涂層體系示意圖見(jiàn)圖2。

圖2　 復(fù)合材料表面涂層體系示意圖Figure 2　The sketch map of coating system for composite material surface

3　結(jié)語(yǔ)

目前飛機(jī)蒙皮的主要材料為鋁合金和高性能復(fù)合材料，針對(duì)鋁合金表面的預(yù)處理主要采用陽(yáng)極氧化法、化學(xué)氧化法和磷化底漆法，這3種方法各有特點(diǎn)，均在國(guó)內(nèi)外各大飛機(jī)制造公司得到應(yīng)用。復(fù)合材料表面則需用清洗劑擦拭，除去脫模劑，并作打磨處理，打磨完畢且擦拭干凈后，進(jìn)行連續(xù)水膜試驗(yàn)，30 s內(nèi)水膜不破裂，表明復(fù)合材料表面已處理干凈。經(jīng)表面處理的鋁合金表面噴涂環(huán)氧聚酰胺底漆或聚氨酯底漆和聚氨酯面漆；經(jīng)表面處理的復(fù)合材料表面噴涂聚氨酯底漆，底漆干燥后，還需刮涂彈性聚酯膩?zhàn)?，用于填充?fù)合材料表面的孔隙，彈性膩?zhàn)痈稍锖筮M(jìn)行輕微打磨處理，并再次噴涂聚氨酯底漆，底漆表面再噴涂聚氨酯面漆。

飛機(jī)蒙皮經(jīng)表面處理，再噴上涂料后，不僅具有裝飾性，而且具有優(yōu)異的耐候性、耐介質(zhì)性和其他防護(hù)性能。

1 何鼎，雷駿志，華信浩.航空涂料與涂裝技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：174-221.

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The Pretreatment and Coating of Aircraft Skin Surface

Lu Wenming1，Ji Jianxia2，Zhao Baohua1，Li Wenkai1，Zhou Rudong1
（1.CNOOC Changzhou EP Coatings Co.，Ltd.，Changzhou Jiangsu，213012，China；2.CNOOC Changzhou Paint and Coatings Industry Research Institute Co.，Ltd.，Changzhou Jiangsu，213016，China）

The pretreatment methods of aluminum alloy materials and composite materials for aircraft skin surface were introduced. And the several kinds of pretreatment methods towards surface of aluminum alloy were compared in the performance and technology. At the same time，the coating system of aluminum alloy materials and composite materials were introduced. After surface treatment and coating of matching coatings，aircraft skin possessed not only decorative effectiveness，but also excellent weatherability，medium resistance and other protective properties.

aircraft skin；pretreatment；epoxy polyamide primer；polyester putty；polyurethane top coat；coating

TQ 639

A

1009-1696（2016）04-0013-06

2016-02-19

陸文明（1980—），男，大學(xué)本科，工程師，目前主要從事特種涂料的研發(fā)工作。