新型耐磨抗腐蝕涂層在主減速器集油器中的應(yīng)用研究

■ 王俊/中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

新型耐磨抗腐蝕涂層可使零件表面具有更優(yōu)異的力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能，能很好地解決集油器與行星架接觸表面因陽(yáng)極化膜被磨損而換件的問(wèn)題，能有效延長(zhǎng)行星傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。

通常情況下，傳動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程中的磨損、腐蝕、疲勞等失效現(xiàn)象是縮短裝備使用壽命、消耗維修費(fèi)用的主要因素。傳動(dòng)系統(tǒng)的故障往往是個(gè)別零件失效造成的。而零件失效基本上是從局部表面開(kāi)始，例如，腐蝕是從零件表面開(kāi)始，摩擦磨損在零件表面發(fā)生，疲勞裂紋由零件表面向里延伸。主減速器的行星系集油器的失效也不例外，如圖1所示。

圖1 集油器與行星架配合面腐蝕示意圖

涂層的失效機(jī)理及解決辦法

集油器通常是用螺栓安裝在行星架上，隨行星架轉(zhuǎn)動(dòng)，為行星輪系收集和提供潤(rùn)滑油。行星架的材料為高強(qiáng)度合金鋼，而集油器由上盤(pán)和下盤(pán)組成，上盤(pán)和下盤(pán)通過(guò)氬弧焊焊接而成，上下盤(pán)的材料為鋁合金LF5，厚度為1mm，表面經(jīng)陽(yáng)極化處理。在使用一段時(shí)間后，集油器與行星架接觸表面陽(yáng)極化膜容易被磨損。在某些工況中，材料既要受到磨料機(jī)械力的作用，又要受到高溫氧化作用，因而在電化學(xué)腐蝕作用下會(huì)導(dǎo)致行星架出現(xiàn)腐蝕，從而影響行星傳動(dòng)。在返廠(chǎng)分解檢查時(shí)，一旦出現(xiàn)集油器底部陽(yáng)極化膜磨損即須更換該件，因此合理采用表面涂層對(duì)提高集油器的壽命和可靠性至關(guān)重要。

集油器表面金屬陽(yáng)極化膜腐蝕的原因分析

金屬腐蝕主要有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種。不論發(fā)生哪種腐蝕，都是由于腐蝕介質(zhì)的存在，例如，氧氣、水、酸、鹽及腐蝕性工業(yè)氣體等。涂層可以防止金屬表面與腐蝕性介質(zhì)的直接接觸，在金屬表面形成一個(gè)屏蔽層，避免發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，延緩腐蝕發(fā)生。研究表明，集油器的鋁合金經(jīng)過(guò)陽(yáng)極化處理后，得到的氧化膜具有雙層結(jié)構(gòu)。內(nèi)層為較薄的致密、硬度和純度較高的晶型Al2O3，厚度為0.03～0.05μm，占總膜厚的0.5%～2.0%，又稱(chēng)為阻擋層；外層為硬度較低的非晶型Al2O3和少量的Al2O3H2O，是較厚的多孔層，孔隙率為35%?？紫对谒嵝曰蚵入x子存在的條件下構(gòu)成腐蝕源，與異金屬接觸，極易形成電化學(xué)腐蝕。因此，陽(yáng)極氧化所得的膜層必須進(jìn)行封閉處理，提高膜層的抗腐蝕和耐磨能力。

解決方法

為延長(zhǎng)集油器與行星架間發(fā)生電化學(xué)腐蝕的時(shí)間，以達(dá)到延長(zhǎng)主減速器行星系的全生命周期的目的，可以采用以下三種方法，但各有利弊。

方法一，采用耐油橡膠等非金屬隔離兩種金屬。此方法將增加主減速器零件數(shù)量且需改變連接螺栓長(zhǎng)度，非金屬件在行星架轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中在離心力作用下有無(wú)變形及對(duì)連接有無(wú)影響、非金屬老化問(wèn)題等有待驗(yàn)證。

方法二，采用玻璃纖維等非金屬材料制造集油器。此方法目前尚未在減速器內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)件上應(yīng)用，難度較大。

方法三，在集油器與行星架接觸的面上涂更優(yōu)質(zhì)的耐磨防腐涂層。該方法不用新增零件，重量增加不多，改動(dòng)量最小。

通過(guò)綜合比較研制風(fēng)險(xiǎn)及進(jìn)度，傾向于采用方案三。

目前，航空用的耐磨涂料有S04-109H聚氨酯航空葉片保護(hù)磁漆、J04-101H氟橡膠葉片漆、HM-102二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑、HR-7201固體膜潤(rùn)滑劑、H01-30環(huán)氧烘干清漆等，但均缺少微動(dòng)磨損工況下的使用經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)。由于沒(méi)有可應(yīng)用的涂層技術(shù)可借鑒，需研制新型的耐磨防腐涂層，滿(mǎn)足集油器及行星架長(zhǎng)久有效的防電化學(xué)腐蝕保護(hù)要求。

集油器用表面耐磨抗腐蝕涂層研制

底漆的研制

底漆必須與陽(yáng)極氧化處理的鋁合金間具有良好的黏結(jié)力和良好的封閉作用和防腐性，阻止腐蝕介質(zhì)的滲透，延緩金屬腐蝕從破壞點(diǎn)的迅速蔓延。底漆通常包含基料樹(shù)脂、顏填料、工藝用助劑。

環(huán)氧樹(shù)脂是目前使用最為廣泛的一種防腐基料樹(shù)脂，飛機(jī)蒙皮的底漆大部分采用的都是環(huán)氧樹(shù)脂。新型涂層選擇防腐性、力學(xué)性能優(yōu)異的改性環(huán)氧樹(shù)脂，在鋁合金上具有更優(yōu)異的附著力和抗沖擊性能，能提高漆膜的抗碰撞性，還具有較好的伸展性，滿(mǎn)足高低溫物理和力學(xué)性能，對(duì)鋁合金基材提供良好的封閉性。

為了得到長(zhǎng)期有效的防護(hù)，必須添加具有鈍化、絡(luò)合作用的磷酸鋅等防腐顏填料，在鋁合金表面起鈍化作用，延緩腐蝕。除添加防腐蝕顏填料，還添加了低介質(zhì)透過(guò)率的磷片狀云母粉。鱗片狀的結(jié)構(gòu)在漆膜中層層重疊，與底材平行或交錯(cuò)排列，形成復(fù)雜曲折的滲透路徑，使腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散路線(xiàn)變得復(fù)雜，延緩?fù)饨绺g因子的滲透。鱗片片徑縱橫越大，涂層的抗?jié)B透性能越強(qiáng)。

在涂料配方中助劑的用量雖然很少，僅占涂料總量的0.1%～2%，卻是涂層中不可或缺的部分。助劑可以預(yù)防涂料缺陷，例如，涂料中存在氣泡、流平性不好、凝絮、沉降等現(xiàn)象。選用硅烷偶聯(lián)劑KH-550作為附著力（黏結(jié)力）增進(jìn)劑，既有類(lèi)似環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧官能團(tuán)，也有與硅樹(shù)脂相近的硅乙氧基，在體系中可以降低兩相界面的張力，提高相容性。通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑的親水特性，提高底漆中的環(huán)氧樹(shù)脂與鋁合金表面的潤(rùn)濕性。再通過(guò)KH-550中化學(xué)基團(tuán)的作用，使底漆與金屬以化學(xué)鍵結(jié)合，提高底漆對(duì)鋁合金表面的附著力（黏結(jié)力）。

面漆的研制

面漆必須具備以下兩個(gè)特點(diǎn)：漆膜致密，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，封閉性好，耐磨性好，耐航空潤(rùn)滑油性好；能滿(mǎn)足耐鹽霧、耐霉菌和耐濕熱的三防要求。

面漆采用改性環(huán)氧聚氨酯涂層體系。將環(huán)氧樹(shù)脂與聚氨酯固化劑復(fù)配，制備出的涂層具有優(yōu)異的耐化學(xué)品性、耐油性、防腐性，與底漆的配套性好。環(huán)氧樹(shù)脂中-OH與含-NCO-的聚氨基甲酸酯固化劑起化學(xué)反應(yīng)固化成膜，添加聚四氟乙烯潤(rùn)滑劑（PTFE）、助劑、耐磨、防腐顏填料和防霉劑等，達(dá)到抗?jié)B透、防腐、耐磨潤(rùn)滑、防霉等目的。

聚四氟乙烯潤(rùn)滑劑具有較低的表面能，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性，由于氟原子能吸附于基體表面，使聚四氟乙烯潤(rùn)滑劑在極短的滑動(dòng)時(shí)間內(nèi)，能在基材表面形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，摩擦系數(shù)低，具有良好的潤(rùn)滑作用。另外，聚四氟乙烯潤(rùn)滑劑具有獨(dú)特的耐高低溫性能、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、自潤(rùn)滑性。但其線(xiàn)性膨脹系數(shù)較大，耐磨性及導(dǎo)熱性差，為了改善該涂層的耐磨性，需添加耐磨顏填料，例如，石墨、金屬氧化物、金屬氟化物等，以有效提高涂層的耐磨性和力學(xué)性能。

集油器用表面耐磨抗腐蝕涂層在工程中的應(yīng)用

對(duì)新型涂層按照技術(shù)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行測(cè)試考核，考核指標(biāo)和提供的樣件性能均滿(mǎn)足要求，目前已在主減速器上得到應(yīng)用。集油器在返廠(chǎng)分解檢查時(shí)，未發(fā)現(xiàn)涂層起泡、脫落、銹蝕、明顯磨損等不良現(xiàn)象，技術(shù)狀態(tài)良好。集油器用表面耐磨抗腐蝕涂層的推廣應(yīng)用，可以提高直升機(jī)主減速器行星系集油器用表面耐磨抗腐蝕涂層研制、開(kāi)發(fā)技術(shù)水平，具有較好的推廣應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。