直升機(jī)用鋁合金有機(jī)涂層抗腐蝕性能研究

于晴　張曉娟　徐璐　楊麗媛

摘? 要：為研究直升機(jī)用鋁合金有機(jī)涂層在海洋環(huán)境下的抗腐蝕性能，采用兩種新型鋁合金有機(jī)涂層（A，B涂層）和陸基直升機(jī)用鋁合金涂層（C涂層）分別對(duì)設(shè)計(jì)的典型結(jié)構(gòu)模擬件及鋁合金陪試件進(jìn)行噴涂，并進(jìn)行10個(gè)周期的加速腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)前后涂層的形貌、失光率和電化學(xué)阻抗的測(cè)試結(jié)果表明，試驗(yàn)后三種涂層外觀基本完整，A涂層失光率維持在5%以內(nèi)，無(wú)剝落現(xiàn)象，C涂層失光率下降較大，并有剝落現(xiàn)象，B涂層介于兩者中間;A涂層的阻抗在107Ω·cm2以上，B，C涂層的阻抗下降至106-107Ω·cm2。A涂層抗腐蝕性能更優(yōu)異，更加適用于海洋環(huán)境。

關(guān)鍵詞：涂層;鋁合金;抗腐蝕性能;加速試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：V216.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）07-0049-05

Abstract： In order to analyze the corrosion resistance of the helicopter aluminum alloy parts organic coating in marine environment， the two newly developed organic coating （A，B coatings） and the original organic coating （C coating） for aluminium alloy were respectively applied to the structure and accompanying test pieces. The structural part was subjected to an accelerated corrosion test of 10 cycles. The corrosion of coating was characterized by morphology， gloss measurement， and electrochemical impedance spectroscopy to verify the corrosion resistance of the coatings. The test results show that the appearances of all the three coatingsare basically complete after the test. The gloss loss rate of the A coating is maintained in the 5% range. The C coating'sgloss decreases greatly，and the B coating's gloss loss rate is between A's and C's. After the tests， the impedance of theA coating is more than 107Ω·cm2，but the impedances of the B and C coating decrease to 106-107Ω·cm2.The A coating hasthe best corrosion resistance of the three cotings， and is more suitable for use in the marine environment.

Keywords： coating; aluminum alloy; corrosion-resistant; accelerated corrosion test

引言

隨著我國(guó)戰(zhàn)略推進(jìn)，直升機(jī)將會(huì)在海洋環(huán)境下大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間使用。與內(nèi)陸環(huán)境相比，海洋環(huán)境格外嚴(yán)苛，海浪沖刷、鹽霧腐蝕、霉菌腐蝕、高溫水蒸氣等海洋氣候條件對(duì)直升機(jī)的腐蝕防護(hù)能力提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[1-3]。

鋁合金具有比強(qiáng)度高、比剛度高，并且能夠在表面形成一層致密的氧化膜，具有較好的耐蝕性與穩(wěn)定性，從而在直升機(jī)上廣泛使用。但海洋性大氣中含有的Cl-、SO42-、NO3-等將會(huì)破壞鋁合金表面形成的氧化膜，造成鋁合金的加速腐蝕，威脅直升機(jī)的安全及作戰(zhàn)性能。因此必須提升直升機(jī)用鋁合金的表面防護(hù)措施[4-5]。表面涂料作為一種簡(jiǎn)單有效的金屬防腐手段，是抵抗海洋環(huán)境引發(fā)直升機(jī)用鋁合金腐蝕的重要手段，其抗腐蝕性能的好壞影響重大[6]。目前直升機(jī)用鋁合金的涂層體系大多是針對(duì)陸基環(huán)境，在海洋環(huán)境下防腐性能不夠。針對(duì)此情況，相關(guān)專家開(kāi)展了鋁合金防腐底漆的研發(fā)與應(yīng)用，并提出了兩種新型防腐涂層。本文采用某型直升機(jī)內(nèi)部半封閉區(qū)的鋁合金典型連接件及鋁合金陪試件，在其表面噴涂?jī)煞N新型鋁合金涂層，制定涂層加速試驗(yàn)環(huán)境譜及試驗(yàn)程序，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)，對(duì)涂層的防腐性能進(jìn)行考核，并與原陸基直升機(jī)涂層體系進(jìn)行對(duì)比，為其在海洋環(huán)境下的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣件設(shè)計(jì)

選取直升機(jī)內(nèi)部半封閉區(qū)的局部結(jié)構(gòu)為典型試驗(yàn)件，并制造陪試件一同進(jìn)行試驗(yàn)。該典型試驗(yàn)件如圖1a所示，由7050鋁合金板與結(jié)構(gòu)鋼板連接而成。陪試件如圖1b所示，為100×50mm的7050鋁合金板。將三組鋁合金連接件及陪試件表面分別噴涂?jī)煞N?；繉覣、B，和一種原陸基涂層C，涂層厚度在工藝上保持在±5μm的誤差范圍內(nèi)。

1.2 加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜

根據(jù)某?；鄙龣C(jī)使用區(qū)域環(huán)境，測(cè)量和建立相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合?；鄙龣C(jī)的特點(diǎn)，編制出能夠反映直升機(jī)服役環(huán)境的加速腐蝕試驗(yàn)譜，用于某海基直升機(jī)結(jié)構(gòu)、典型零部件的主體材料及表面防護(hù)體系的有效性考核、腐蝕損傷評(píng)估和外場(chǎng)腐蝕防護(hù)控制技術(shù)措施的制定[7-9]。此典型試驗(yàn)件所在的內(nèi)部半封閉區(qū)域的加速試驗(yàn)環(huán)境譜由濕熱、浸泡、常溫疲勞共3個(gè)譜塊構(gòu)成，一個(gè)試驗(yàn)周期約為25天，共進(jìn)行10個(gè)周期的加速試驗(yàn)，加速試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程如圖2所示。

1.3 試樣件的檢測(cè)

1.3.1外觀觀察

在實(shí)驗(yàn)室模擬加速試驗(yàn)開(kāi)始前以及每個(gè)周期試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)，對(duì)3種涂層體系典型試驗(yàn)件進(jìn)行外觀觀察，并進(jìn)行拍照記錄。

1.3.2 涂層檢測(cè)

在實(shí)驗(yàn)室模擬加速試驗(yàn)開(kāi)始前以及每個(gè)周期試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)，利用KGZ-1B光澤度儀、對(duì)3種涂層體系典型試驗(yàn)件進(jìn)行檢測(cè)記錄。

1.3.3 電化學(xué)性能測(cè)試

對(duì)陪試件涂層進(jìn)行電化學(xué)阻抗測(cè)試，按照ASTM STP 866表面涂層電化學(xué)阻抗測(cè)試方法進(jìn)行。利用PAR Potentiostat/Galvanostat M273A恒電位儀和M5210 鎖相放大器組成的電化學(xué)工作站，采用經(jīng)典三電極體系，以飽和甘汞電極（SCE）為參比電極、石墨電極為輔助電極、陪試件為工作電極，進(jìn)行電化學(xué)交流阻抗譜的測(cè)量，測(cè)試面積為1cm2，試驗(yàn)溶液為3.5%NaCl溶液，測(cè)試前試樣在3.5%NaCl溶液中浸泡10min～20min，待自腐蝕電位穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)量，測(cè)試的激勵(lì)信號(hào)為幅值10mV的正弦波，頻率的掃描范圍為0.1Hz～100kHz。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)室加速環(huán)境試驗(yàn)后宏觀形貌

對(duì)典型試驗(yàn)件進(jìn)行10個(gè)周期加速腐蝕試驗(yàn)后，試驗(yàn)件外觀檢查結(jié)果如圖3所示。

圖3的觀察結(jié)果表明在加速試驗(yàn)過(guò)程中，鋁合金試驗(yàn)件（A涂層體系）出現(xiàn)了涂層較輕變色但無(wú)剝落現(xiàn)象;鋼蓋板與鋁合金框連接件（B涂層體系）出現(xiàn)了涂層變色、輕微剝落現(xiàn)象;鋼蓋板與鋁合金框連接件（C涂層體系）出現(xiàn)了涂層輕微剝落現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，A，B，C涂層均具備良好的耐腐蝕性能，其中A涂層耐蝕性稍好。

2.2 涂層失光率

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)，并按下式計(jì)算60°失光率。涂層體系加速試驗(yàn)10個(gè)周期的失光率曲線見(jiàn)圖4，根據(jù)加速試驗(yàn)平行樣的統(tǒng)計(jì)平均值繪制色差變化曲線如圖4。

涂層由于受加速環(huán)境的交變作用，其中的有機(jī)分子發(fā)生裂解，生成小分子產(chǎn)物及親水基團(tuán)，此時(shí)涂層中會(huì)形成空隙、缺陷，對(duì)腐蝕性介質(zhì)的屏障能力下降。而腐蝕介質(zhì)的滲入會(huì)加劇涂層缺陷，發(fā)生涂層起泡，這些都會(huì)導(dǎo)致涂層的失光現(xiàn)象。

從圖4中可以看出，三種涂層的失光率總體上呈現(xiàn)出先減小后增大并漸漸平穩(wěn)的趨勢(shì)。并且很明顯的可以看出，兩種新型鋁合金有機(jī)涂層A，B的失光率遠(yuǎn)小于有機(jī)涂層C。A，B兩種新型鋁合金有機(jī)涂層的耐蝕性及穩(wěn)定性優(yōu)于C涂層，且A涂層優(yōu)于B涂層。

2.3 電化學(xué)阻抗譜

對(duì)3種涂層體系的鋁陪試件進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中的Bode圖可以看出，對(duì)于3種涂層體系，原始狀態(tài)的特定頻率電化學(xué)阻抗模值|Z|f=0.1Hz約為109Ω·cm2，阻值相對(duì)很高，說(shuō)明涂層耐腐蝕性優(yōu)異。對(duì)于A涂層，隨著試驗(yàn)周期增加|Z|f=0.1Hz均略有降低，第10周期后降至107Ω·cm2以上，涂層耐腐蝕性仍保持在一定水平;對(duì)于B涂層和C涂層，隨著試驗(yàn)周期增加|Z|f=0.1Hz均逐漸降低，第10周期后降至106-107Ω·cm2范圍內(nèi)，說(shuō)明涂層耐腐蝕性下降較快。

從圖5中的Nyquist圖中可以看出，對(duì)于A涂層， Nyquist圖始終表現(xiàn)為1個(gè)時(shí)間常數(shù)，低頻段的曲線隨試驗(yàn)時(shí)間增加向?qū)嵅靠拷?，這說(shuō)明涂層始終有效隔絕了介質(zhì)和基體的直接接觸，保護(hù)基體合金免受腐蝕作用，隨著試驗(yàn)時(shí)間增加隔絕效果略微下降[10-11];對(duì)于B涂層和C涂層，原始和第1周期試驗(yàn)后，Nyquist圖中均表現(xiàn)為1個(gè)時(shí)間常數(shù)，具有較好的防腐蝕性能，但在第5周期試驗(yàn)后Nyquist圖中出現(xiàn)容抗弧和擴(kuò)散段，說(shuō)明電解質(zhì)已經(jīng)滲透到了陪試件的基體，基體合金已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)腐蝕，涂層防腐蝕性能明顯降低。

綜述，從電化學(xué)阻抗測(cè)試結(jié)果來(lái)看，三種涂層原始狀態(tài)耐腐蝕性能優(yōu)異，在加速試驗(yàn)過(guò)程中A涂層體系的耐腐蝕性能下降程度較小，B涂層和C涂層的耐腐蝕性能明顯下降，因此A涂層耐腐蝕性能更為優(yōu)異。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)10周期的加速腐蝕試驗(yàn)后，A涂層失光率維持在5%以內(nèi)，輕微變色，但無(wú)剝落現(xiàn)象;B涂層失光率及色差情況略差于A涂層，并有輕微剝落現(xiàn)象;而C涂層失光率達(dá)到25%以上，剝落情況較A，B兩種涂層嚴(yán)重。A涂層抗腐蝕性能優(yōu)于B，C涂層。

（2）加速腐蝕試驗(yàn)前，三種涂層均表現(xiàn)為一個(gè)高阻抗的單容抗弧，且f=0.1Hz處的電化學(xué)阻抗模值均在109Ω·cm2以上，三種涂層抗腐蝕性能良好。

（3）經(jīng)過(guò)10周期的加速腐蝕試驗(yàn)后，A涂層仍表現(xiàn)為一個(gè)高阻抗的單容抗弧，反應(yīng)仍以介質(zhì)向涂層滲入過(guò)程為主，在f=0.1Hz處的電化學(xué)阻抗模值維持在107Ω·cm2以上，涂層的耐蝕性較好;B涂層和C涂層在第5周期試驗(yàn)后出現(xiàn)容抗弧和擴(kuò)散段，說(shuō)明電解質(zhì)已經(jīng)滲透到了陪試件的基體，基體合金已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)腐蝕。A涂層較B，C涂層有更好的抗腐蝕性能。

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