幾種表面防護(hù)體系耐鹽霧性能研究

李超

（中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司，廣東 珠海 519040）

表面防護(hù)技術(shù)是利用化學(xué)/電化學(xué)的方法或者物理方法，在結(jié)構(gòu)材料表面形成金屬或非金屬防護(hù)層，使結(jié)構(gòu)材料表面獲得本體材料不具備的優(yōu)異性能，具備比本體材料更優(yōu)的耐腐蝕能力、抗高溫氧化能力、耐磨損能力，或賦予結(jié)構(gòu)材料表面特種功能或更好的裝飾特性等。結(jié)構(gòu)的破壞往往從材料的表面損傷開始，如腐蝕、磨損、高溫氧化直至疲勞斷裂。采用適當(dāng)?shù)谋砻娣雷o(hù)技術(shù)，可按需改善結(jié)構(gòu)材料的表面性能，從而有效地延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命[1]，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。水陸兩棲飛機(jī)由于使用環(huán)境惡劣，需要采用先進(jìn)的表面防護(hù)技術(shù)，在結(jié)構(gòu)材料表面形成防護(hù)屏障，最大限度地減少環(huán)境的危害，提高水陸兩棲飛機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性、使用壽命和可靠性。

文中通過(guò)分析某水陸兩棲飛機(jī)的工作環(huán)境及其防護(hù)體系失效的特點(diǎn)[2-3]，以涂層防護(hù)體系失效的試驗(yàn)方法[4-9]為基礎(chǔ)，選取腐蝕環(huán)境中較為苛刻的因素——鹽霧，選用飛機(jī)結(jié)構(gòu)最常用的2024 鋁合金為基材，開展用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的不同防護(hù)體系的耐鹽霧對(duì)比試驗(yàn)，獲得耐鹽霧腐蝕性能最優(yōu)的表面防護(hù)體系。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)選用2024-T351 鋁合金涂層平板試件9 組（共27 件），規(guī)格為200 mm×100 mm×1.5 mm。其中內(nèi)部防護(hù)體系5 組，詳見表1；外部防護(hù)體系4 組，詳見表2。試驗(yàn)前，在所有試件正反面預(yù)制相互垂直、穿透涂層的 “十” 字劃痕。

表1 2024 鋁合金內(nèi)部防護(hù)體系試件清單Tab.1 List of internal protection system test pieces for 2024 aluminum alloy

表2 2024 鋁合金外部防護(hù)體系試件清單Tab.2 List of external protection system test pieces for 2024 aluminum alloy

1.2 目的和內(nèi)容

試驗(yàn)的目的為優(yōu)選出飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部耐鹽霧腐蝕性能優(yōu)異的防護(hù)體系，能區(qū)分出各防護(hù)體系的性能優(yōu)劣即停止試驗(yàn)。試驗(yàn)采用逐步加重腐蝕環(huán)境的加速腐蝕試驗(yàn)方法，依次選用3 周期中性鹽霧+3 周期酸性鹽霧+4 周期模擬海水鹽霧，進(jìn)行共計(jì)10 周期的逐步嚴(yán)苛的加速腐蝕試驗(yàn)，優(yōu)選獲得飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部抗腐蝕性能更優(yōu)的表面防護(hù)體系。

1.3 鹽霧試驗(yàn)條件

鹽霧試驗(yàn)條件見表3，模擬海水成分見表4。

表3 鹽霧試驗(yàn)條件Tab.3 Conditions of salt spray test

表4 模擬海水成分Tab.4 Composition of simulated seawater

1.4 試驗(yàn)流程

鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)流程如圖1 所示。

圖1 鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)流程Fig.1 Process of accelerated corrosion test of salt spray

2 試驗(yàn)結(jié)果

為了最大限度地壓縮試驗(yàn)周期，盡快優(yōu)選出耐鹽霧性能更優(yōu)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部防護(hù)體系，試驗(yàn)選用依次嚴(yán)苛的中性-酸性-模擬海水鹽霧。9 組防護(hù)體系同步啟動(dòng)試驗(yàn)，采用周期循環(huán)鹽霧試驗(yàn)-淘汰模式，耐鹽霧性能較差體系在失效后提前退出試驗(yàn)，各防護(hù)體系耐鹽霧性能由劣到優(yōu)分出優(yōu)劣即停止試驗(yàn)。各防護(hù)體系經(jīng)過(guò)10 周期（依次使用3 周期中性鹽霧+3 周期酸性鹽霧+4 周期模擬海水鹽霧）的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)后，根據(jù)防護(hù)體系的宏觀腐蝕形貌和腐蝕擴(kuò)展情況，優(yōu)選出耐鹽霧腐蝕性能最佳的表面防護(hù)體系。

內(nèi)部防護(hù)體系加速腐蝕10 周期后宏觀腐蝕情況見表5，內(nèi)部防護(hù)體系耐鹽霧性能最優(yōu)的Q 體系10周期循環(huán)鹽霧試驗(yàn)后的宏觀腐蝕形貌如圖2 所示。其中，耐鹽霧性能較差的G 和K 體系分別在完成前4個(gè)和5 個(gè)周期的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)后，涂層就發(fā)生大面積鼓泡，完全喪失防護(hù)能力。確認(rèn)其耐鹽霧腐蝕性能低劣，即提前退出試驗(yàn)，優(yōu)先淘汰G 和K 體系。其余3個(gè)體系在同步完成10 個(gè)周期的試驗(yàn)分出優(yōu)劣后停止試驗(yàn)。

表5 內(nèi)部防護(hù)體系試件加速腐蝕10 個(gè)周期后試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of test pieces used for internal protection systems after 10 cycles of accelerated corrosion test

圖2 Q1—3 試件加速腐蝕10 周期照片F(xiàn)ig.2 Photos of test pieces Q1—3 after 10 cycles of accelerated corrosion test:a) original; b) after 5 cycles of corrosion; c) after 10 cycles of corrosion

外部防護(hù)體系加速腐蝕10 周期后宏觀腐蝕情況見表6。外部防護(hù)體系耐鹽霧性能最佳的B 體系10周期循環(huán)鹽霧試驗(yàn)后的宏觀腐蝕形貌如圖3 所示。耐鹽霧性能較差的A 體系經(jīng)過(guò)前4 個(gè)周期的鹽霧試驗(yàn)后，涂層鼓泡失效，退出試驗(yàn)，優(yōu)先淘汰A 體系。其余3 個(gè)體系同步完成10 個(gè)周期的鹽霧試驗(yàn)后停止試驗(yàn)。

3 結(jié)果分析

9 組2024 鋁合金平板試件加速腐蝕10 個(gè)周期后，各防護(hù)體系呈現(xiàn)出不同的耐鹽霧優(yōu)劣性能。分別對(duì)照各防護(hù)體系宏觀腐蝕形貌和表征涂層損傷程度的失光率變化曲線，最終得出防腐蝕性能最佳的表面防護(hù)體系。內(nèi)部表面防護(hù)體系失光率隨試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線如圖4 所示。外部表面防護(hù)體系失光率隨試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線如圖5 所示。

從圖4 中可以看出，內(nèi)部防護(hù)Q 體系（鉻酸陽(yáng)極化+10P4-X 底漆）10 周期鹽霧試驗(yàn)后失光率控制在10%以內(nèi)，呈現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽霧腐蝕性能。H 體系（鉻酸陽(yáng)極化+TB-X 底漆）、J 體系（硫酸陽(yáng)極化+TB-X底漆）10 周期失光率分別在10%和30%左右，H 體系整體偏大一些。這兩個(gè)體系耐鹽霧性能也相對(duì)較優(yōu)。G 體系（阿洛丁氧化+ TB-X 底漆）和K 體系（微弧氧化+TB-X 底漆）僅在3 周期鹽霧試驗(yàn)后失光率劇增至20%，G 體系4 周期鹽霧試驗(yàn)后失光率高達(dá)90%，K 體系失光率近60%。參照涂層失光老化判定標(biāo)準(zhǔn)[10]，其等級(jí)分別達(dá)到5 級(jí)（完全失光）和4級(jí)（嚴(yán)重失光），H、J 兩個(gè)防護(hù)體系失光等級(jí)評(píng)定均≤2 級(jí)（輕微失光），Q 體系失光等級(jí)為1 級(jí)（很輕微失光）。

表6 外部防護(hù)體系試件加速腐蝕10 個(gè)周期后試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results of test pieces used for external protection systems after 10 cycles of accelerated corrosion test

圖3 B1—3 試件原始、5、10 周期照片F(xiàn)ig.3 Photos of test pieces B1—3 of original state and after 5 and 10 cycles of corrosion:a) original, b) after 5 cycles of corrosion; c) after 10 cycles of corrosion

圖4 內(nèi)部防護(hù)體系10 周期試驗(yàn)失光率變化曲線Fig.4 Curves of loss rate of internal protection systems in 10 cycles of test

圖5 外部防護(hù)體系10 周期試驗(yàn)失光率變化曲線Fig.5 Curves of loss rate of external protection systems in 10 cycles of test

由圖5 可知，外部防護(hù)B 體系（鉻酸陽(yáng)極化+10P20-X 底漆+ECL 面漆）10 周期鹽霧試驗(yàn)后失光率為12%左右，失光等級(jí)為1 級(jí)（很輕微失光），該體系耐鹽霧腐蝕性能較優(yōu)。I 體系（鉻酸陽(yáng)極化+ TB-X底漆+TS-X 面漆）和L 體系（微弧氧化+TB-X 底漆+TS-X 面漆）10 周期試驗(yàn)后失光率基本相當(dāng)，失光評(píng)定等級(jí)均為≤2 級(jí)（輕微失光）。而耐鹽霧腐蝕性能較差的A 體系（阿洛丁+10P20-X 底漆+ECL 面漆）僅在4 個(gè)周期試驗(yàn)后失光率就達(dá)到了35%，失光評(píng)定等級(jí)為3 級(jí)（明顯失光），其鹽霧耐受性能難以令人滿意。

結(jié)合試件宏觀腐蝕形貌，G、K 內(nèi)部防護(hù)體系耐鹽霧腐蝕性能較差，僅在中性鹽霧腐蝕3 周期后，涂層就呈趨勢(shì)性大范圍鼓泡，涂層開始失效，腐蝕損傷甚至延伸至表處層。外部防護(hù)A 體系經(jīng)過(guò)4 周期的鹽霧試驗(yàn)，涂層也出現(xiàn)明顯的鼓泡，涂層已徹底失去防護(hù)能力。綜合內(nèi)外部防護(hù)體系宏觀腐蝕形貌和失光率情況來(lái)看，阿洛丁氧化和所配套的三套涂層系統(tǒng)的鹽霧適應(yīng)性較差，對(duì)于在工作環(huán)境中經(jīng)常接觸到鹽霧的水陸兩棲飛機(jī)而言，應(yīng)避免大面積選用阿洛丁處理和與其配套的上述防護(hù)體系，更推薦選用對(duì)耐鹽霧腐蝕有明顯優(yōu)勢(shì)的鉻酸陽(yáng)極化配套的涂層防護(hù)體系。此外，隨著涂層失光率的增大，試件表面發(fā)生明顯的鼓泡、開裂。隨著失光率劇烈變化，涂層鼓泡數(shù)量和面積顯著增加，局部剝落露出表處層。不同表面處理防護(hù)體系的宏觀腐蝕結(jié)果和涂層體系失光率隨時(shí)間變化曲線相吻合。綜合考察各涂層體系宏觀腐蝕形貌和失光率，涂層體系宏觀腐蝕進(jìn)程近似正相關(guān)于涂層失光率。

4 結(jié)論

9 組試件經(jīng)過(guò)10 周期的鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)，各防護(hù)體系耐鹽霧腐蝕性能如下：

1）內(nèi)部表面防護(hù)體系的防腐性能優(yōu)劣排序?yàn)椋篞 體系（鉻酸陽(yáng)極化+10P4-X 底漆）、J 體系（硫酸陽(yáng)極化+TB-X 底漆）>H 體系（鉻酸陽(yáng)極化+TB-X 底漆）>K 體系（微弧氧化+TB-X 底漆）>G 體系（阿洛丁+TB-X 底漆）。綜合表面處理層膜層厚度和疲勞性能因素，內(nèi)部防護(hù)體系推薦采用Q 體系。

2）外部表面防護(hù)體系的防腐性能優(yōu)劣排序?yàn)椋築體系（鉻酸陽(yáng)極化+10P20-X 底漆+ECL 面漆）>I 體系（鉻酸陽(yáng)極化+TB-X 底漆+TS-X 面漆）>L 體系（微弧氧化+TB-X 底漆+TS-X 面漆）>G 體系（阿洛丁+10P20-X 底漆+ECL 面漆）。外部防護(hù)體系推薦采用B體系。