鎂合金部件冷噴涂純鋁防腐蝕涂層在艦載機(jī)上的應(yīng)用研究

摘 要：鎂合金容易腐蝕的特性影響了其在艦載機(jī)上的廣泛應(yīng)用，在鎂合金部件表面冷噴涂純鋁涂層，結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高，解決了鎂合金容易腐蝕的問題，并且避免了常用表面處理方法的局限性，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。

關(guān)鍵詞：鎂合金；腐蝕；冷噴涂；艦載機(jī)

鎂合金是實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”，其密度小重量輕，僅為鋁合金重量的35%，比強(qiáng)度、比剛度、阻尼容限高，在航空航天領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用價值。我國已進(jìn)入航空母艦時代，艦載機(jī)作為航空母艦上最主要的作戰(zhàn)武器，備受關(guān)注。鎂合金有著許多可用于艦載機(jī)的特性，但是鎂合金耐腐蝕性差，一些應(yīng)用在鎂合金表面的防腐措施也存在一定的局限性，造成鎂合金在艦載機(jī)上的應(yīng)用并不多。而鎂合金部件冷噴涂純鋁防腐蝕涂層是一種較好的措施，開展這方面的研究對我國現(xiàn)階段艦載機(jī)的發(fā)展具有重要意義。

1 鎂合金在艦載機(jī)上應(yīng)用的意義

鎂合金在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用有著比較好的基礎(chǔ)，已經(jīng)應(yīng)用于飛機(jī)的各種壁板、整流罩、框架、翼尖、尾面、副翼及油箱等，以及發(fā)動機(jī)的零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結(jié)構(gòu)、各種發(fā)動機(jī)箱體等，成功的例子很多。表1為美軍各型號飛機(jī)使用鎂合金的情況[1]，圖1為美軍B-36重型轟炸機(jī)鎂材料使用部位[2]。

可以說，鎂合金在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用有著很好的基礎(chǔ)，而艦載機(jī)的特殊性也對鎂合金有著很大的需求。減輕自身重量是艦載機(jī)的重要發(fā)展方向之一，而純鎂的密度為1.74g/cm3，約為鋁合金的2/3、鋅合金的1/3、鋼鐵的1/4、鈦合金的2/5。在艦載機(jī)上使用鎂合金減輕的重量，可以縮短飛機(jī)起降距離、提高的機(jī)動性能；可以更多地攜帶燃油，加大作戰(zhàn)半徑；可以增加攜帶彈藥的數(shù)量，提升戰(zhàn)斗力。戰(zhàn)斗機(jī)質(zhì)量若減輕15%，可縮短飛機(jī)滑跑距離15%，增加航程20%，提高有效載荷30%；噴氣發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)減重1公斤，飛機(jī)結(jié)構(gòu)可減重4公斤，升限高度可提高10米[3]。艦載飛機(jī)在著艦阻攔、起飛彈射時，都有較大的振動，而鎂合金減震性能優(yōu)良，可以使艦載機(jī)承受更大的振動載荷。航空母艦相比于陸地空間小、電子設(shè)備多，電磁環(huán)境復(fù)雜，鎂合金良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能更有利于電磁屏蔽，提高艦載機(jī)抗電磁干擾能力。

2 易腐蝕是影響鎂合金在艦載機(jī)上應(yīng)用的主要問題

鎂合金自然腐蝕電位極低，極易被腐蝕，而其中的雜質(zhì)Fe、Ni、Cu等元素更是降低了鎂合金的耐腐蝕性。鎂合金在潮濕氣候環(huán)境下抗腐蝕性能更差，使其在航空產(chǎn)品上的應(yīng)用受到諸多限制，在艦載機(jī)上應(yīng)用的更少。很多國家的軍用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范更是對鎂合金的使用做出限制，表2是適航條款和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中鎂合金使用要求對比分析[4]。

航空母艦在大海上執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，艦載飛機(jī)長期處于高溫、高濕和高鹽霧的海洋環(huán)境下，更易腐蝕，腐蝕后表面防護(hù)涂層老化、剝落，導(dǎo)致鎂合金部件基體材料腐蝕，造成艦載機(jī)飛行性能下降，安全使用壽命降低，影響艦載機(jī)的飛行安全和戰(zhàn)斗出勤率，使得鎂合金在艦載飛機(jī)上的應(yīng)用限制更多，更慎重。世界上主要的航空母艦強(qiáng)國都非常重視鎂合金的研究與應(yīng)用，鎂合金防腐涂層是主要的研究方向之一，但不同的鎂合金防腐蝕涂層技術(shù)效果不盡相同，防腐涂層的防腐蝕效果與圖層的結(jié)合強(qiáng)度、涂層硬度有關(guān)，冷噴涂技術(shù)的出現(xiàn)，解決了原有表面涂層方法的局限性。

3 現(xiàn)有鎂合金防腐蝕涂層技術(shù)的局限性

鎂合金防腐蝕涂層可以較好地解決鎂合金的腐蝕問題，對于鎂合金部件，不僅新制造的部件需要防護(hù)涂層，還需要對大修期間檢測到的腐蝕損傷面積進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)原。鎂合金部件表面涂層處理的技術(shù)比較成熟，應(yīng)用也比較廣泛，圖2是常用表面涂層處理程序。

經(jīng)美國航天制造工業(yè)與美國國防部對現(xiàn)有可用于鎂合金防護(hù)的技術(shù)進(jìn)行評估，包括對環(huán)境影響及安全性的評估，這些技術(shù)都不同程度地存在局限性。

硬陽極氧化工藝。如運(yùn)用DOW17法和HAE法生成氧化膜，以及鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜工藝（MIL-M-3171）對鎂合金進(jìn)行防護(hù)，防腐蝕效果能夠滿足要求。但是，上述工藝中都含有六價鉻及氟化物、磷酸。六價鉻離子致癌，有害蒸汽危害操作人健康和污染環(huán)境，廢水中六價鉻的含量法律規(guī)定在1微克/m3以下，廢水處理成本大幅提高，使得這些工藝逐漸被淘汰。

離子氣相沉積（IVD）技術(shù)。在真空室中利用輝光離子放電，使純鋁以離子狀態(tài)加速沉積于工件上，可以獲得均勻的、致密的、牢固結(jié)合的鋁涂層，但由于真空室限制部件尺寸和難于局部面積修補(bǔ)，以及涂層有針孔等問題，不能適應(yīng)艦載機(jī)鎂合金部件的修復(fù)要求。

商業(yè)電鍍鋁涂層工藝。這種技術(shù)可以使純鋁涂覆到底層板材料上，底層板材料被浸于非水狀并被一種惰性氣體完全封閉的溶液中，工藝要求在完全密封系統(tǒng)中操作，鍍層與鎂合金間結(jié)合不良，而且鍍鋁層不能滿足修補(bǔ)厚度恢復(fù)到原來尺寸的要求。

熱噴涂。包括大氣等離子噴涂（APS）及高速燃?xì)鈬娡浚℉VOF），這兩種熱噴涂效果都存在一定的問題，不能令人滿意，主要是因?yàn)橥繉又写嬖谳^大的殘余應(yīng)力、氧化物含量高以及涂層氣孔率高，降低了耐腐蝕性能。

4 采用冷噴涂純鋁涂層技術(shù)解決鎂合金腐蝕問題

冷噴涂技術(shù)近年迅速發(fā)展，可以在各種材料上噴涂各種鋁金屬、合金、金屬陶瓷和陶瓷材料（如α-Al2O3、TiO2、Mno2等）的涂層。在美國，由國防部（DOD）牽頭，陸軍研究室（ARL）與海軍航空站（NavyAirdeport）聯(lián)合研發(fā)直升機(jī)鎂合金部件冷噴純鋁的涂層。陸軍研究室負(fù)責(zé)冷噴純鋁工藝，海軍航空站負(fù)責(zé)大修時對鎂合金部件的冷噴涂修復(fù)工作。陸軍研究室采用冷噴涂技術(shù)，在鎂合金ZE41A基件上，噴涂了市售商業(yè)純鋁（CP-Al）及兩種鋁合金Al-12Si和Al506，經(jīng)對冷噴涂商業(yè)純鋁涂層工藝進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，獲得了致密均勻，與基體鎂合金結(jié)合牢固的防護(hù)涂層。

涂層性能。對鎂合金表面冷噴涂純鋁涂層的結(jié)合強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性進(jìn)行試驗(yàn)，以考核涂層性能。

（1）涂層與鎂合金結(jié)合強(qiáng)度

采用ASTM（美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)C633-79（熱噴涂層粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

從結(jié)果可見，用N2作工作氣體，預(yù)加熱到400℃，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)71.6MPa。

（2）涂層硬度

用微硬度計測量布氏硬度，結(jié)果如圖3所示：

可以看出，純鋁冷加工的布氏硬度為45，退火后降低到25，冷噴涂純鋁涂層硬度達(dá)到57。由于冷噴涂過程中純鋁粉末顆粒的強(qiáng)烈塑性，噴涂時產(chǎn)生應(yīng)變硬化，所以涂層硬度更高。

（3）冷噴商業(yè)純鋁涂層耐腐蝕性能

美國陸軍與海軍航空司令部要求按美國材料與試驗(yàn)協(xié)會的ASTMB117鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，用ZE41A材料的鎂合金板冷噴涂商業(yè)純鋁涂層厚度0.30mm樣品，進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，要求經(jīng)受336小時涂層不損壞。試驗(yàn)中，涂層經(jīng)受1000小時鹽霧試驗(yàn)仍基本完好，鎂合金基體無任何損傷。冷噴涂鋁涂層具有低氧化率、低孔隙率的特點(diǎn)，因此具有較好的耐腐蝕性能。國內(nèi)某機(jī)構(gòu)采用中性鹽霧試驗(yàn)對冷噴涂鋁涂層的耐腐蝕性能進(jìn)行了考察，結(jié)果證明冷噴涂鋁涂層具有非常好的耐腐蝕效果，試樣表面在500h左右開始出現(xiàn)鋁涂層的腐蝕，而鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行1000h后仍未發(fā)生基體腐蝕。試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖4[5]。

鎂合金冷噴涂純鋁涂層的經(jīng)濟(jì)性分析。美軍B-36轟炸機(jī)通過使用鎂合金實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量855kg，使航程擴(kuò)大了190英里[6]，帶來了不菲的經(jīng)濟(jì)和軍事效益。

據(jù)2001年公開的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，美軍從1991年到2000年，某一種型號直升機(jī)的主傳動裝置，因腐蝕需要提前更換和修復(fù)的費(fèi)用約為41億美元。2003年，美國海軍通過使用冷噴涂純鋁涂層，改善了鎂合金部件的耐腐蝕性，維修費(fèi)用明顯減少，據(jù)其中一個制造公司的跟蹤統(tǒng)計，某一個型號直升飛機(jī)的21件鎂合金傳動裝置采用冷噴涂純鋁涂層后，比采用其他防腐措施的21件傳動裝置節(jié)省維修費(fèi)用為61萬美元，其中，采用冷噴涂純鋁增加服役壽命減少的維修費(fèi)用為40萬美元。美國材料評估局（MRB）的相關(guān)項(xiàng)目也得出類似結(jié)論，海軍與陸軍直升機(jī)鎂合金部件采用冷噴涂商業(yè)純鋁涂層，年度可節(jié)省經(jīng)費(fèi)數(shù)百萬美元。

5 結(jié)束語

在艦載飛機(jī)上使用鎂合金，可以帶來不菲的經(jīng)濟(jì)和軍事效益，在鎂合金部件表面冷噴涂純鋁涂層，具有較高的結(jié)合強(qiáng)度和硬度，可以較好地解決鎂合金材料易腐蝕的問題。我國艦載戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、預(yù)警機(jī)等都處于起步階段，盡早開展鎂合金應(yīng)用的研究，具有非常重大的意義。

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作者簡介：楊立山（1969，09-），男，漢族，本科，海軍駐沈陽導(dǎo)彈專業(yè)軍事代表室，高級工程師，航空艦船設(shè)備科研生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)督和檢驗(yàn)驗(yàn)收。