新型防腐涂層對(duì)直升機(jī)典型結(jié)構(gòu)材料防護(hù)性能研究

崔騰飛，楊麗媛，彭望舒，曹真，劉明，高蒙

新型防腐涂層對(duì)直升機(jī)典型結(jié)構(gòu)材料防護(hù)性能研究

崔騰飛1，楊麗媛2，彭望舒1，曹真1，劉明2，高蒙2

（1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 綜合技術(shù)研究室，江西 景德鎮(zhèn) 333000 2.北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

研究新型防腐涂層對(duì)直升機(jī)典型結(jié)構(gòu)用鋁合金及復(fù)合材料在熱帶海洋性氣候環(huán)境下的防護(hù)性能，并與原防護(hù)涂層進(jìn)行對(duì)比。通過測試涂層腐蝕后的形貌、光澤度、色差、電化學(xué)阻抗等，對(duì)比新/原涂層對(duì)直升機(jī)典型結(jié)構(gòu)用鋁合金和復(fù)合材料的防護(hù)性能。經(jīng)過2年腐蝕后，新涂層表面無明顯變化，而原涂層表面有輕微腐蝕，光澤度和色差下降較大。電化學(xué)阻抗測試表明，暴露前后涂層結(jié)構(gòu)無明顯變化，涂層阻抗值呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，但是原涂層阻抗下降更快。新涂層對(duì)直升機(jī)典型鋁合金和復(fù)合材料有更好的防護(hù)性，更加適于海洋性環(huán)境的使用。

涂層；外場腐蝕；鋁合金；復(fù)合材料；電化學(xué)

腐蝕損傷是直升機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的重要形式之一[1]，尤其是在海洋環(huán)境條件下，腐蝕環(huán)境更為惡劣，高溫、高濕、高鹽霧、高紫外線的特點(diǎn)導(dǎo)致裝備的腐蝕損傷較內(nèi)陸地區(qū)更為突出[2-3]。直升機(jī)在海上救援、運(yùn)輸、搜索等方面有著廣泛的應(yīng)用，而長期在海洋環(huán)境下作業(yè)，暴露在嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重腐蝕。目前直升機(jī)采用了多種抗腐蝕手段，其中表面防護(hù)涂層最為重要[4]，是抵抗高溫、高濕、高鹽霧、高紫外線的海洋環(huán)境腐蝕的關(guān)鍵技術(shù)[5]。直升機(jī)表面防護(hù)涂層的抗腐蝕能力，對(duì)直升機(jī)結(jié)構(gòu)能否達(dá)到預(yù)期服役使用年限有著決定性的影響[6-7]，一旦涂層失效，機(jī)體結(jié)構(gòu)材料將很快發(fā)生腐蝕，影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響直升機(jī)飛行的安全[8]。

目前，我國直升機(jī)防護(hù)涂層體系主要是沿用陸基直升機(jī)使用的環(huán)氧底漆和聚氨酯面漆體系。該涂層在內(nèi)陸地區(qū)能對(duì)直升機(jī)有著較好的防護(hù)效果，但是在海洋環(huán)境下的耐蝕性欠佳。針對(duì)此情況，開發(fā)了新型防腐底漆及高耐候防護(hù)面漆，并對(duì)其抗腐蝕效果進(jìn)行了研究。該涂層具有良好的抗劃傷、高附著力、耐腐蝕、耐老化性能，對(duì)長期在海洋環(huán)境下服役的直升機(jī)具有良好的防護(hù)效果，應(yīng)用前景廣泛。

由于新的涂層體系要在直升機(jī)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行應(yīng)用，必須經(jīng)歷相應(yīng)的考核驗(yàn)證，并考慮環(huán)境因素的影響[9-13]。因此，文中選用直升機(jī)結(jié)構(gòu)常用的鋁合金和復(fù)合材料為基體，在其表面噴涂新研發(fā)的耐海洋性環(huán)境氣候的環(huán)氧底漆和聚氨酯磁漆，并在萬寧試驗(yàn)站進(jìn)行外場暴露試驗(yàn)，以考核新涂層對(duì)直升機(jī)結(jié)構(gòu)材料的防護(hù)性，并與原陸基傳統(tǒng)環(huán)氧底漆和聚氨酯面漆進(jìn)行對(duì)比，為其在某型直升機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 材料及試樣尺寸

材料選用7A04-T6鋁合金、中溫固化環(huán)氧玻璃布預(yù)浸料復(fù)合材料，試樣尺寸如圖1所示。7A04-T6鋁合金的化學(xué)成分為：Si ≤0.5%，F(xiàn)e ≤0.5%，Cu 1.4%~2.0%，Mn 0.2%~0.6%，Mg 1.8%~1.8%，Cr 0.1%~0.25%，Zn 5.0%~7.0%，Ti ≤0.1%，剩余為Al。7A04-T6鋁合金的熱處理制度為：535 ℃保溫5.5 h+80 ℃淬火+165 ℃時(shí)效4 h。復(fù)合材料為中溫固化環(huán)氧玻璃布預(yù)浸料3238A/EW250F/45 Q/ZW3026。對(duì)7A04-T6鋁合金表面進(jìn)行鉻酸陽極化處理，復(fù)合材料不進(jìn)行表面處理。之后兩種材料表面噴涂原、新兩種體系的防護(hù)漆（其中原涂層體系為陸基傳統(tǒng)涂層體系，新涂層體系為新開發(fā)的耐海洋環(huán)境涂層體系，兩種涂層均為環(huán)氧樹脂底漆和聚氨酯面漆）。試驗(yàn)開始及每次進(jìn)行性能測試前，用無水乙醇清洗各試驗(yàn)件表面，去除灰塵等污物，之后用去離子水沖洗，冷風(fēng)吹干。

圖1 試樣尺寸

表1 材料表面處理及涂層體系

Tab.1 Material surface treatment and coating system

1.2 外場環(huán)境及裝夾方式

本試驗(yàn)的試驗(yàn)件在萬寧大氣試驗(yàn)站進(jìn)行環(huán)境暴露試驗(yàn)。萬寧大氣試驗(yàn)站位于海南省萬寧市東海岸，海拔12.3 m，屬典型的北熱帶濕潤性海洋氣候。萬寧站具有高溫、高濕、高鹽霧、太陽輻射強(qiáng)等南海大氣環(huán)境的典型特點(diǎn)。突出表現(xiàn)在“長夏無冬”，即使在氣溫最低的1月份，最低溫度也能達(dá)到7.8 ℃，全年最高溫差不足30 ℃。本地區(qū)相對(duì)濕度超過80%的時(shí)數(shù)全年高達(dá)6800 h。占總時(shí)數(shù)的78%，降雨充沛，日照充足，年積溫超過9000 ℃，僅次于我國西沙和南沙地區(qū)，環(huán)境特征見表2。

利用夾具和支架將試驗(yàn)件朝南固定在海上平臺(tái)暴露場的試樣架上，試驗(yàn)件與水平面夾角為45°，具體裝夾方式如圖2所示。

表2 萬寧試驗(yàn)站大氣環(huán)境特征

Tab.2 Atmospheric environment of Wanning experimental station

圖2 試樣裝夾方式

1.3 檢測周期

外場暴露試驗(yàn)進(jìn)行0.5、1、1.5、2 a后，檢查各試驗(yàn)件的外觀，并拍照，測試試樣的光澤度、色差，并對(duì)試件的電化學(xué)交流阻抗進(jìn)行測試。電化學(xué)測試采用三電極測試體系，參比電極為甘汞電極，輔助電極為鉑金電極，工作電極為涂層/基體材料，正弦波加載，掃描頻率范圍為0.1~100 kHz，信號(hào)幅值為10 mV。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

2.1.1 鋁合金

在自然暴露試驗(yàn)前和暴露0.5、1、1.5、2 a后，鋁合金表面涂層的宏觀形貌分別如圖3和圖4所示?？梢钥闯觯幢┞稌r(shí)，原涂層表面基本保持完好。在暴露0.5 a后，試樣表面發(fā)生輕微粉化（如圖3b所示）。在暴露1 a后，有部分區(qū)域出現(xiàn)輕微變色，并有輕微腐蝕出現(xiàn)（如圖3c所示）。新涂層體系試樣在自然暴露不同時(shí)間后，試樣表面無明顯變化（如圖4所示）。

圖3 鋁合金表面原涂層暴露不同時(shí)間后的宏觀形貌

圖4 鋁合金表面新涂層暴露不同時(shí)間后的宏觀形貌

2.1.2 復(fù)合材料

在自然暴露試驗(yàn)前和暴露0.5、1、1.5、2 a后，復(fù)合材料表面涂層的宏觀形貌分別如圖5和圖6所示?？梢钥吹?，暴露0.5 a后，復(fù)合材料原涂層表面出現(xiàn)少量輕微粉化現(xiàn)象（如圖5b所示）。隨著暴露時(shí)間的增加，粉化程度增加。暴露1 a后，表面有輕微變色，其他無明顯變化（如圖5c所示）。新涂層暴露2 a后，試樣表面無明顯變化（如圖6所示）。

圖5 復(fù)合材料表面原涂層暴露不同時(shí)間后的宏觀形貌

圖6 復(fù)合材料表面新涂層暴露不同時(shí)間后的宏觀形貌

2.2 表面光澤度

自然暴露試驗(yàn)前和暴露0.5、1、1.5、2 a后，測試了試樣表面涂層的60°光澤度，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，原涂層為無光漆，新涂層為半光漆。隨著腐蝕時(shí)間的延長，兩種漆的光澤度都有所降低，但是原涂層光澤度下降較為明顯。經(jīng)過2 a暴露后，鋁合金表面原涂層光澤度已經(jīng)下降了54.5%，而新涂層經(jīng)過2 a腐蝕后，光澤度只下降了23.9%。復(fù)合材料表面原涂層光澤度下降了31%，而新涂層經(jīng)過2 a腐蝕后，光澤度只下降了11.4%。說明新涂層較原涂層性能退化程度更小，防護(hù)性能更好。

鋁合金和復(fù)合材料試樣表面涂層光澤度隨暴露時(shí)間的下降率如圖8所示。可以看出，隨著暴露時(shí)間的延長，無論是鋁合金還是復(fù)合材料試樣，其涂層光澤度下降率越來越大，但是程度不同。同樣的基體材料，新涂層體系的下降率低于原涂層體系。對(duì)于同種涂層體系，復(fù)合材料的下降率低于鋁合金。因此，新涂層較原涂層腐蝕速率更慢，且新涂層在復(fù)合材料表面的防護(hù)性優(yōu)于鋁合金。

2.3 表面色差

不同涂層自然暴露不同時(shí)間后，涂層相對(duì)于未腐蝕時(shí)的色差如圖9所示?？梢钥闯?，隨著暴露時(shí)間的延長，兩種涂層的色差都呈現(xiàn)增大的趨勢。暴露2 a后，色差明顯增加。相較于未暴露時(shí)，暴露2 a后，鋁合金表面色差達(dá)到了9.1，復(fù)合材料達(dá)到6.1。這是由于暴露2 a后，涂層表面出現(xiàn)了輕微的粉化。新涂層色差變化相對(duì)較小，相較于未暴露時(shí)，暴露2 a后，鋁合金和復(fù)合材料表面色差均只有2.1。說明新涂層在鋁合金和復(fù)合材料表面的性能退化程度低于原涂層，新涂層具有更好、更持久的防護(hù)性能。

圖7 涂層光澤度隨暴露時(shí)間的變化

圖8 鋁合金和復(fù)合材料光澤度隨暴露時(shí)間的下降率

圖10對(duì)比了鋁合金和復(fù)合材料色差隨暴露時(shí)間的變化，可以看出，隨著暴露時(shí)間的延長，無論是鋁合金還是復(fù)合材料，其色差均越來越大，但是程度不同。同樣的基體材料，新涂層體系的變化程度低于原涂層體系。對(duì)于同種涂層體系，鋁合金的變化程度高于復(fù)合材料。因此，新涂層隨著腐蝕時(shí)間的延長，耐蝕性優(yōu)于原涂層，且新涂層在復(fù)合材料的表面性能劣化程度更慢。

2.4 電化學(xué)阻抗

不同基體材料、不同涂層體系暴露前和外場暴露2 a后的電化學(xué)阻抗分別如圖11和圖12所示。不同基體材料、不同涂層體系外場暴露前后，=0.1Hz處的電化學(xué)阻抗模值見表3。從圖11a中可以看出，對(duì)于不同基體材料噴涂的不同涂層體系，其阻抗均表現(xiàn)出相同的電化學(xué)特征，即時(shí)間常數(shù)只有一個(gè)，出現(xiàn)一個(gè)高阻抗的容抗弧。這說明未暴露時(shí)，涂層體系完好，對(duì)基體具有很好的保護(hù)作用[14]。外場暴露2 a后（如圖12a所示），對(duì)于不同基體材料噴涂的不同涂層體系，其阻抗也均表現(xiàn)出相同的電化學(xué)特征。這說明暴露2年后，涂層體系仍保持完好，對(duì)基體仍具有很好的保護(hù)性。

圖9 涂層色差度隨暴露時(shí)間的變化

圖10 鋁合金和復(fù)合材料涂層色差度隨暴露時(shí)間的變化

圖11 未暴露時(shí)涂層電化學(xué)阻抗

不同基體材料、不同涂層體系外場暴露前后的電化學(xué)阻抗可用圖13所示的電路擬合[15]。其中s代表溶液電阻，c代表涂層界面反應(yīng)電阻，c代表涂層界面反應(yīng)電容。外場暴露2 a后，涂層結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，依舊具備良好的耐腐蝕性能，可以保護(hù)基體免受腐蝕介質(zhì)的侵蝕。

圖12 外場暴露2 a后涂層電化學(xué)阻抗

表3 不同材料、不同涂層外場暴露前和暴露2 a后的阻抗（||=0.1Hz）

Tab.3 The impedance of different materials, different coatings before the field exposure and after exposure to 2 a (|Z|f=0.1Hz) Ω

圖13 擬合電路

對(duì)比表3可以看到，不同基體材料、不同涂層體系暴露前后的阻抗均較高，達(dá)到9.8×107Ω以上，但是下降程度不同。對(duì)于鋁合金，原涂層體系暴露2 a后，阻抗值下降了70.3%，新涂層只下降了30.95%；對(duì)于復(fù)合材料，原涂層體系暴露2a后阻抗值下降了49.28%，新涂層體系只下降了21.42%。說明對(duì)于鋁合金和復(fù)合材料，新涂層的防護(hù)性均優(yōu)于原涂層。在復(fù)合材料上，未暴露時(shí)新涂層的阻抗值比鋁合金高2個(gè)數(shù)量級(jí)；暴露2 a后，復(fù)合材料阻抗值仍比鋁合金高2個(gè)數(shù)量級(jí)。暴露2 a后，復(fù)合材料上原涂層的阻抗值只比在鋁合金上高1個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可見，新涂層對(duì)復(fù)合材料的防護(hù)性優(yōu)于對(duì)鋁合金。

2.5 討論

有機(jī)涂層噴涂在材料表面之后，結(jié)構(gòu)較為完整時(shí)，能隔離基體與水、氧氣及腐蝕介質(zhì)（Cl-、SO2、H2S等）等因素的聯(lián)合作用，達(dá)到防止基體腐蝕的目的。暴露在自然環(huán)境中，有機(jī)涂層結(jié)構(gòu)會(huì)慢慢變化，最終導(dǎo)致失去防護(hù)效果。首先在紫外光、氧氣和水分的作用下，涂層內(nèi)的高分子鏈節(jié)逐漸斷裂。此時(shí)涂層內(nèi)孔隙率較小，未形成腐蝕性離子通往基體材料的通道，涂層能有效地隔離水及腐蝕性介質(zhì)，對(duì)基體還有較好的保護(hù)作用，但是防護(hù)性逐漸降低。隨著光氧化反應(yīng)的發(fā)生，涂層內(nèi)產(chǎn)生了明顯的高分子鏈節(jié)斷裂，涂層內(nèi)的孔隙率增加，逐漸形成了腐蝕性離子通往基體材料的通道，水及腐蝕介質(zhì)能通過微孔到達(dá)基體材料表面。一方面基體材料接觸腐蝕介質(zhì)發(fā)生腐蝕損傷，另一方面腐蝕產(chǎn)物在基體與涂層界面生成，造成涂層的鼓泡、破裂、脫落等。涂層基本失去了對(duì)基底的保護(hù)作用[16-18]。有研究表明，當(dāng)涂層阻抗在108~109Ω·cm2時(shí)，有機(jī)涂層具有很好的防腐蝕性能；涂層阻抗在107~108Ω·cm2時(shí)，涂層的防腐蝕能力下降；當(dāng)涂層阻抗降低到106Ω·cm2時(shí)，涂層對(duì)水等腐蝕介質(zhì)的阻擋能力已經(jīng)很低，在涂層/金屬基體界面有可能發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)[19]。

在文中的試驗(yàn)中，涂層失效還處在初級(jí)階段。從電化學(xué)阻抗分析中可以看出，外場暴露2 a后，阻抗只有一個(gè)半徑很大的容抗弧，說明涂層的結(jié)構(gòu)基本保持完整，未發(fā)生明顯變化。涂層只有部分高分子鏈節(jié)斷裂，并未形成腐蝕性離子通往基體材料的通道，涂層表面雖然有輕微變色、失光，阻抗值逐漸下降，但仍具有較好的防護(hù)性。原涂層體系性能劣化速度較快，阻抗下降較多，經(jīng)歷2 a暴露后，已經(jīng)下降了50%以上，達(dá)到107Ω·cm2范圍內(nèi)，涂層防護(hù)能力逐步喪失，可見原涂層失效時(shí)間較短。新涂層體系阻抗值下降較慢，經(jīng)過2 a暴露后，只下降了20%~30%左右，仍遠(yuǎn)高于108Ω·cm2，可見新涂層對(duì)基體的防護(hù)時(shí)間更長。

4 結(jié)論

1）鋁合金經(jīng)外場露暴露試驗(yàn)后，原涂層發(fā)生輕微粉化、變色，光澤度下降54.5%，色差增大到9.1；新涂層表面無明顯變化，光澤度下降23.9%，色差只增大到2.1。鋁合金表面新涂層的性能劣化速度較原涂層更慢，新涂層防護(hù)性更好。

2）復(fù)合材料經(jīng)外場露暴露試驗(yàn)后，原涂層粉化程度隨時(shí)間的延長而增大，光澤度下降31%，色差增大到6.1；新涂層在暴露期間表面無明顯變化，光澤度下降11.4%，色差只增大到2.1。復(fù)合材料表面新涂層的性能退化速率更慢，新涂層防護(hù)性更好。

3）原/新涂層暴露前后電化學(xué)均表現(xiàn)為一個(gè)高阻抗的單容抗弧，反應(yīng)以涂層高分子鏈節(jié)斷裂及輕微的腐蝕過程為主。暴露2a后，鋁合金、復(fù)合材料表面新涂層阻抗遠(yuǎn)大于原涂層。新涂層的耐蝕性優(yōu)于原涂層，對(duì)鋁合金和復(fù)合材料的防護(hù)性能更好。

4）外場暴露2a后，復(fù)合材料表面新涂層的阻抗比鋁合金高2個(gè)數(shù)量級(jí)。新涂層對(duì)復(fù)合材料的防護(hù)較優(yōu)于鋁合金。

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New Corrosion Protection Coating System for Typical Helicopter Structural Materials

CUI Teng-fei1, YANG Li-yuan2, PENG Wang-shu1, CAO Zhen1, LIU Ming2, GAO Meng2

(1. Integrated Technology Research Department, China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen, 333000, China; 2. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material, Beijing Institute of Aeronautical Material, Beijing 100095, China)

The paper aims to study the protection effect of new corrosion protection coating system foraluminum alloy and composite of typicalhelicopter structure in tropical maritime climate area. And the protection effectof new coating on aluminum alloy and composite of typical helicopter structure was contrasted with that of the unimproved coating by testing the morphology, glossiness, chromatic aberration, electrochemical impedance. The results showed that after 2 years of corrosion, the new corrosion protection coating had no difference, but there was slight corrosion on the unimproved protected coating and glossiness and chromatism were decreased. The electrochemical impedance spectroscopy showed that the coating’s structure had no change during experiment time. The impedance of all coatings decreased, but the unimproved coating’s impedance decreased more. The new corrosion protection coating system has better corrosion property for helicopter structural materials. It is appropriate for marine climate.

coating; maritime climate corrosion; aluminum alloy; composite; electrochemical

2019-07-20；

2019-08-22

10.7643/ issn.1672-9242.2020.02.007

TG174.4

A

1672-9242(2020)02-0041-08

2019-07-20；

2019-08-22

崔騰飛（1987—），男，河北張家口人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境工程。

CUI Teng-fei (1987—), Male, from Zhangjiakou Hebei, Ph. D., Engineering, Research focus: environmental engineering.