2024 鋁合金連接結(jié)構(gòu)兩種防護(hù)涂層耐蝕性研究

張紅飛，趙連紅，王浩偉

（中國特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035）

2024 鋁合金屬于Al-Cu-Mg 系列鋁合金，具有高強(qiáng)度和高抗疲勞性能等諸多優(yōu)點[1-2]，在航空制造使用中發(fā)揮著重要作用。通常以蒙皮、隔框、翼肋、翼梁等形式運用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)中。隨著我國深海戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)實施，飛機(jī)在沿海地區(qū)和海域的服役機(jī)會逐漸增多，長期的高鹽霧、高濕熱等嚴(yán)酷海洋環(huán)境極易引起2024 鋁合金材料的腐蝕。特別是其連接結(jié)構(gòu)形式，由于結(jié)構(gòu)自身縫隙和局部損傷等在海洋環(huán)境下更易腐蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)腐蝕破壞直接影響飛機(jī)的安全和可靠性[3-6]，同時作為主承力結(jié)構(gòu)的鋁合金材料在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的雙重作用下易發(fā)生腐蝕疲勞損傷。李鴻鵬[7]在研究鋁合金腐蝕疲勞進(jìn)展中指出，疲勞（裂紋）損傷占飛機(jī)各類機(jī)械損傷總數(shù)的30%。因此，選擇防腐蝕性能好的防護(hù)涂層，能有效增加2024 鋁合金連接結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下的腐蝕防護(hù)能力，減低腐蝕疲勞發(fā)生概率，對于2024 鋁合金在航空裝備使用中有重要意義。納米涂料能對基底金屬起到鈍化作用，鈍化涂層發(fā)生破壞后，涂料能發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成新的致密涂層[8]。同時納米涂層可促使金屬和聚合物界面形成鈍化層，減緩腐蝕，保護(hù)金屬基體[8-12]。文中開展了納米涂料和傳統(tǒng)涂料兩種不同防護(hù)涂層下2024鋁合金連接結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞試驗，研究5% NaCl 鹽霧環(huán)境下兩種涂層的腐蝕疲勞性能，對比分析兩種防護(hù)涂層在腐蝕環(huán)境下的耐蝕性能。

1 試驗

1.1 試驗件

試樣材料為3 cm 厚的2024 板材，其化學(xué)成分見表1。試樣采用螺栓連接的啞鈴狀試驗件，平行試樣數(shù)量為5 件，長度為288.6 mm，考核區(qū)域?qū)挾葹?0 mm，如圖1 所示。試樣緊固件編號為HB1-101-4×16，材料為30CrMnSiA，表面處理方式為鍍鋅鈍化。試驗件采用貼合面密封和緊固件濕裝配，選用HM-109 密封劑。試驗件選用兩種典型的防護(hù)體系，其中2024 鋁合金板表面處理均采用硫酸陽極化。防護(hù)涂層N1 為新型納米涂料（屬于有機(jī)-無機(jī)納米聚硅氧烷涂料，40～50 μm）和蒙皮面漆（40～50 μm）；防護(hù)涂層N2為防腐底漆（15～25 μm）和蒙皮面漆（40～50 μm）。其中，A-F-T1 試驗件經(jīng)過表面處理后，內(nèi)表面噴涂新型納米涂料底漆1 層（有機(jī)-無機(jī)納米聚硅氧烷涂料）+外表面噴涂TS96-71 面漆1 層；A-F-T2 試驗件表面處理后，內(nèi)表面噴涂TB06-9 底漆2 層+外表面噴涂TS96-71 面漆1 層。

表1 試驗材料的化學(xué)成分 %

圖1 螺栓連接試驗件

1.2 腐蝕疲勞試驗

按照《航空材料環(huán)境試驗及表面防護(hù)技術(shù)》關(guān)于典型結(jié)構(gòu)試樣評定涂層防護(hù)有效性評價方法的試驗過程要求，開展兩種防護(hù)涂層試驗件腐蝕疲勞試驗。開展靜力試驗確定試驗件的破壞載荷P破壞為91 131 N，在0.3P破壞載荷下，測定兩類試驗件的疲勞壽命NP；在0.3P破壞載荷下，測定進(jìn)行20%NP疲勞處理后的疲勞壽命，即為Nu1；將試驗件進(jìn)行30 天的標(biāo)準(zhǔn)中性鹽霧試驗，再將試驗件在 0.3P破壞載荷下，進(jìn)行20%NP疲勞處理，即為Nu2；將試驗件再進(jìn)行30 天的標(biāo)準(zhǔn)中性鹽霧試驗…重復(fù)此步驟直至試驗件破壞為止。具體試驗步驟如下：

1）將試驗件安裝于疲勞試驗機(jī)上，取靜力破壞試驗載荷0.3P破壞作為疲勞試驗載荷，應(yīng)力比R=0.5，以10 Hz 頻率加載20%Np次。對試樣進(jìn)行目視，記錄實際加載次數(shù)Nu1、防護(hù)涂層、鉚釘、螺栓的狀態(tài)和表面腐蝕程度。

2）取下試驗件，將試驗件放置于實驗室中進(jìn)行30 天標(biāo)準(zhǔn)中性鹽霧（5% NaCl）試驗，對試樣進(jìn)行目視，記錄防護(hù)涂層、鉚釘、螺栓的狀態(tài)和表面腐蝕程度。

3）重復(fù)步驟1）、2），直至試驗件破壞，對試樣進(jìn)行目視檢查，記錄試驗件的剩余疲勞壽命Nu剩余，并對試樣進(jìn)行破壞特性分析。在放大56 倍情況下觀察試樣斷口形貌，確定破壞源，在破壞源處進(jìn)行斷口的形貌分析，并確定破壞特征（疲勞或者腐蝕）。將試樣和斷口放入干燥器中妥善保管，并拍照記錄。

4）更換涂有防護(hù)涂層的試驗件，重復(fù)步驟1）、2）、3），完成試驗，試驗結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)分析

兩種防護(hù)涂層試驗件在第三個周期的疲勞試驗中破壞。在腐蝕環(huán)境下，A-F-T1 試驗件（納米涂料防護(hù)體系防護(hù)效果）的疲勞壽命下降至51.5%左右，A-F-T2 試驗件（2 層TB06-9+1 層TS96-71 防護(hù)體系）下降至49.8%左右。按照HB 5287—1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗方法》，疲勞中值壽命要滿足95%置信度要求。在5% NaCl 鹽霧環(huán)境下，A-F-T1 試驗件 5 組腐蝕疲勞壽命值的變異系數(shù)為 0.022 26；A-F-T2 試驗件為0.010 77，符合HB 5287—1996 的要求，試驗數(shù)據(jù)合理有效。A-F-T1、A-F-T2 兩種試驗件的疲勞壽命和腐蝕疲勞壽命詳見表2。

表2 腐蝕疲勞試驗后試樣的剩余疲勞壽命

2.2 斷口形貌分析

在5% NaCl 鹽霧環(huán)境下，A-F-T1、A-F-T2 兩種試驗件在第三個周期的試驗中破壞斷裂，疲勞破壞的位置均在試驗件螺接部位第一排緊固件孔區(qū)域，具體腐蝕情況和斷裂形貌如圖2 所示。對比分析兩種涂層試驗件的腐蝕疲勞壽命試驗結(jié)果，相較于傳統(tǒng)涂層（TB06-9 底漆+ TS96-71 面漆），納米涂料對鋁合金螺接區(qū)域的防護(hù)作用更好。

2024 連接件的腐蝕疲勞壽命值與連接結(jié)構(gòu)特點和涂料的防護(hù)性能有緊密聯(lián)系。2024 鋁合金連接件在載荷作用下，螺栓和緊固件孔自身的微孔隙會逐漸增大，破壞緊固件孔壁周圍的涂層和密封膠層，導(dǎo)致螺栓和緊固件孔壁周圍的涂層和密封膠層出現(xiàn)微裂紋，致使外界腐蝕介質(zhì)Cl-穿過涂層和密封膠層進(jìn)入到涂層內(nèi)部，與緊固件孔壁金屬基體接觸，并腐蝕金屬基體，形成腐蝕損傷源。相較于傳統(tǒng)涂料（TB06-9底漆+ TS96-71 面漆），納米涂料能對基底金屬起到鈍化作用。鈍化涂層發(fā)生破壞后，涂料中的磷酸鹽作為修復(fù)劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成新的致密涂層，有效阻止外界腐蝕介質(zhì)進(jìn)入涂層內(nèi)部，與緊固件孔壁接觸發(fā)生腐蝕，減小產(chǎn)生腐蝕損傷源的概率，降低了試驗件連接部位裂紋源產(chǎn)生引起的疲勞破壞。同時納米涂料中含有聚苯胺等導(dǎo)電聚合物，可促使金屬和聚合物界面形成鈍化層，有效減少因涂層表面微裂紋形成后腐蝕介質(zhì)快速進(jìn)入涂層內(nèi)部與金屬基體發(fā)生腐蝕的概率。

圖2 腐蝕疲勞斷口

通過開展A-F-T2 試驗件斷口分析（見圖4），分析得到在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下A-F-T2 試樣緊固件孔壁腐蝕疲勞破壞的過程，即緊固件孔壁腐蝕產(chǎn)生→腐蝕損傷→疲勞裂紋源→腐蝕疲勞破壞。緊固件孔壁的腐蝕損傷導(dǎo)致裂紋源產(chǎn)生是試驗件連接部位提前發(fā)生疲勞破壞的關(guān)鍵因素，做好連接部位的涂層防護(hù)和密封防護(hù)是預(yù)防連接件提前發(fā)生疲勞破壞的重要手段。納米涂料的良好性能有效阻止了腐蝕介質(zhì)進(jìn)入涂層內(nèi)部，極大地降低了腐蝕損傷的發(fā)生，減小裂紋源發(fā)生的概率，有效提高了2024 鋁合金螺接結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞壽命。

圖3 A-F-T2 試驗件斷口分析

3 結(jié)論

1）5%NaCl 鹽霧環(huán)境對于鋁合金連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命影響較大，Cl-增加了鋁合金緊固件孔壁腐蝕損傷的敏感性，加大了緊固件孔壁裂紋源發(fā)生的概率，降低腐蝕疲勞壽命。

2）相較于傳統(tǒng)涂層（TB06-9 底漆+TS96-71 面漆），納米涂層表面致密度高，涂層破壞后能快速形成氧化膜，能有效提高鋁合金連接結(jié)構(gòu)耐蝕性能。

3）研究2024 鋁合金連接結(jié)構(gòu)在5% NaCl 鹽霧環(huán)境下的腐蝕疲勞發(fā)展規(guī)律和特點，對于2024 鋁合金連接結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)和修理有重要意義。