民用飛機底色漆桔皮缺陷分析及防控

趙紫龍，徐 武

（1上海交通大學航空航天學院 上海 200240）

（2中國商用飛機有限責任公司上海飛機制造有限公司 上海 201324）

0 引言

2009年，PPG公司首次對外正式公布其研制的底色漆/清漆涂層體系，即BC/CC（Base Coat/Clear Coat）涂層體系，開啟了航空涂料應用的新篇章[1]。隨后，國內逐步開始研究應用底色漆/清漆涂層體系，并取得了階段性成果。

我國汽車產(chǎn)業(yè)起步較早，因此各類涂層體系外觀缺陷的研究主要集中在汽車行業(yè)。而民用航空飛機外觀缺陷的研究相對較少，尤其是BC/CC涂層體系外觀桔皮缺陷影響因素的研究方面，更是存在較大空白。

底色漆/清漆涂層體系由環(huán)氧底漆、高遮蓋力的底色漆以及透明清漆組成，見圖1。盡管底色漆/清漆系統(tǒng)與其他涂層相比，表現(xiàn)出更耐紫外線、施工效率高、減重降本等優(yōu)異性能[2]，但在涂層施工過程中底色漆容易產(chǎn)生桔皮缺陷，影響外觀質量。底色漆桔皮是涂層干燥后，表面漆膜不光滑，呈現(xiàn)出如桔子皮一樣的外觀狀態(tài)，見圖2。

整機噴漆是飛機制造過程中的重要環(huán)節(jié)，除滿足防腐要求外，其外觀質量往往影響著企業(yè)的品牌形象，決定了客戶對交付飛機產(chǎn)品的滿意度[3]。而底色漆桔皮是影響涂層外觀質量的主要缺陷之一，研究工藝參數(shù)對桔皮程度的影響具有十分重要的意義。

1 底色漆桔皮影響因素分析

底色漆施工在工件表面后，在自身重力及漆層表面張力的共同作用下，漆層內部產(chǎn)生流動。表面溶劑揮發(fā)速度大于內部揮發(fā)速度，使涂料從內部向表面運動（由張力低向張力高運動）。以上運動反復進行，直到涂料粘度增加到阻止這種運動為止。按照Helmholtz流動分配理論，涂料的這種“對流”將在漆層表面形成不規(guī)則六角形網(wǎng)格，干燥后形成了桔皮[4]。

為了定位影響底色漆桔皮產(chǎn)生的主要原因，探究桔皮與主要影響因素之間的關系，制訂最佳工藝方案，使用魚骨圖從“人、機、料、法、環(huán)”5方面，對影響底色漆桔皮形成的主要原因進行分析，見圖3。

根據(jù)經(jīng)驗分析，噴涂壓力、底漆厚度、底色漆厚度、機庫溫度是影響底色漆桔皮產(chǎn)生的重要因素，其中底漆膜厚、底色漆膜厚兩個因素對桔皮的產(chǎn)生影響尤為顯著。通過實驗研究這兩個因素對桔皮產(chǎn)生的影響有著重要的現(xiàn)實意義，實驗結果可以有效指導底色漆的施工，改善底色漆桔皮缺陷。

2 底色漆桔皮對比實驗

實驗采用控制變量法，試板均使用尺寸為500×500×1 mm的鋁合金試板并輥彎，試片統(tǒng)一經(jīng)過冷氧化處理。噴涂設備使用空氣輔助無氣噴槍，型號Graco PRO XS4AA。桔皮測量使用桔皮鮮映儀，型號BYK4840。

桔皮鮮映儀（以下簡稱“桔皮儀”）通過數(shù)據(jù)客觀反映入射光與接收光之間的比例，量化油漆表面0～0.1 mm（du）、0.1～0.3 mm（wa）、0.3～1 mm(wb)、1～3 mm（wc）、3～10 mm（wd）、10～30 mm（we）6個波紋區(qū)間微觀結構與油漆表面桔皮程度的關系，建立測量值與視覺外觀的直接對應關系。長波lw與wc、wd值相關，短波sw與wa、wb值相關[5]。

根據(jù)經(jīng)驗，長波桔皮可以提高油漆的豐滿度，但we的值不宜過高，否則漆膜表面將形成肉眼易察覺的波紋。但是，長波桔皮容易讓油漆表面產(chǎn)生明暗交界線，這將大大降低外觀效果。如果能在大桔皮的暗區(qū)增加一些短波桔皮，使得暗區(qū)的漫反射增加，則可以在獲得較高漆膜豐滿度的同時，降低漆膜表面產(chǎn)生的明暗交替起伏。同時，結合底色漆施工經(jīng)驗各測量值理想量化值范圍，見圖4。

圖4中橫軸為6個漆膜波紋微觀尺寸，即du、wa、wb、wc、wd、we?？v軸為量化值，即人為定義的漆膜表面不同微觀尺寸桔皮程度與視覺效果關系的量化參數(shù)，量化值越大則對應的桔皮程度越高，量化值越小則對應的桔皮程度越低。

理論上來說，以上6個參數(shù)都是越小越好，但實際上不存在理想的反射平面，想要改善底色漆桔皮，需要通過實驗找到底漆厚度、底色漆厚度對6個測量值的影響，從而選擇最佳施工參數(shù)，獲得最佳外觀狀態(tài)。

2.1 底漆厚度對底色漆桔皮的影響

底漆厚度按0.2 mil遞增，從0.4～2.0 mil設置9個對比實驗組，每個實驗組3塊試片，底色漆噴涂厚度2.0±0.2 mil，室溫控制在25 ℃，噴涂壓力0.5 MPa，試片干燥后使用桔皮儀測量每組試片的du、wa、wb、wc、wd、we、sw、lw值，若每組內3塊試片的以上各值差距較大則重新進行試片噴涂，若每組3塊試片的以上各值相差在5%范圍內則對3組數(shù)據(jù)取平均值并進行記錄，見表1～2。

表1 底漆厚度對底色漆桔皮的影響實驗方案

表2 底漆厚度對底色漆桔皮的影響實驗結果

通過改變底漆厚度，6個測量值也隨之發(fā)生變化，將其隨噴涂底漆的變化情況繪制成折線圖。底漆厚度改變對底色漆桔皮6個測量值的影響情況見圖5，對長短波的影響趨勢見圖6。

從圖5可以看出，隨著底漆厚度的增加，不同漆膜波紋尺寸的量化值整體趨勢均有所升高，即桔皮程度越明顯，因此，理論上底漆越薄則底色漆桔皮程度越小，外觀質量越好。

對比圖5和圖4，du值均高于理想數(shù)值，這與底色漆本身性質有關，容易形成肉眼不易察覺的微觀結構尺寸。底漆厚度控制在0.6～1.2 mil范圍內時，wa、wb、wc、wd值較低且在理想數(shù)值范圍內，同時，we值隨著底漆厚度增加而增加，漆層外觀效果較低，因此施工過程中應盡量控制底漆厚度，在避免“干噴”的前提下，底漆盡量越薄越好。

進一步觀察圖6，長波和短波隨底漆厚度的增加，整體變化也呈上升趨勢，底漆厚度最佳噴涂范圍為0.4～0.8 mil，即使受施工區(qū)域復雜度限制，關鍵區(qū)域（如：登機門周圍、機身下部等）的底漆厚度也應該盡量控制在1.2 mil以下，以便獲得最佳的底色漆外觀，降低桔皮產(chǎn)生的可能性。

2.2 底色漆厚度對底色漆桔皮的影響

底色漆厚度按0.2 mil遞增，從1.2 mil至2.4 mil設置7個對比實驗組，每個實驗組3塊試片，底漆噴涂厚度0.6±0.05 mil，室溫控制在25 ℃，噴涂壓力0.5 MPa，試片干燥后使用桔皮儀測量每組試片的du、wa、wb、wc、wd、we、sw、lw值，若每組內3塊試片的以上各值差距較大則重新進行試片噴涂，若每組3塊試片的以上各值相差在5%范圍內則對3組數(shù)據(jù)取平均值并進行記錄，見表3～4。

表3 底色漆厚度對底色漆桔皮的影響實驗方案

表4 底色漆厚度對底色漆桔皮的影響實驗結果

通過改變底色漆厚度，6個測量值也隨之發(fā)生變化，將其隨噴涂底色漆的變化情況繪制成折線圖。底色漆厚度改變對底色漆桔皮6個測量值的整體影響情況見圖7，對長短波的影響趨勢見圖8。

從圖7可以看出，隨著底色漆厚度的增加，不同漆膜波紋尺寸的量化值整體趨勢逐漸降低，底色漆厚度達到2.0 mil時達到最低值，底色漆膜厚超過2.0 mil以后，各漆膜波紋尺寸的量化值明顯增加。對比圖7和圖4，底色漆厚度在1.6～2.0 mil范圍內du值較低，接近理想范圍。底色漆在1.2～2.4 mil范圍內，wa、wb、wc值均較低，底色漆在1.6～2.0 mil范圍內，wd值較為理想，但we值均較高，超出理想范圍。因此，在施工過程中應盡量將底色漆厚度控制在1.6～2.0 mil范圍內，以獲得較為良好的外觀效果。

進一步觀察圖8，長波和短波隨底色漆厚度的增加，整體變化也呈先下降再上升的趨勢，底色漆厚度在1.6～2.0 mil范圍內，獲得最佳涂層外觀，桔皮程度最低，當?shù)咨岷穸瘸^2.0 mil以后長波桔皮值顯著增加。經(jīng)分析，底色漆越厚則需要分多道進行噴涂，增加了桔皮產(chǎn)生的風險。因此，在施工過程中應在保證底色漆達到均勻平涂并達到遮蔽上道涂層的前提下，盡可能保證涂層厚度在2 mil以下，并通過一道噴涂一次性達到所需厚度，以降低桔皮產(chǎn)生的概率。

3 結語

本文重點論述了底漆厚度和底色漆厚度兩個因素對于底色漆桔皮缺陷的影響，掌握了兩個因素對于桔皮影響的規(guī)律，確定了最佳施工參數(shù)范圍，形成主要結論如下。

（1）當?shù)灼岷穸葟?.4 mil增加到2.0 mil的過程中，桔皮整體呈增加的趨勢，底漆越厚越容易引起底色漆的桔皮，因此底漆施工厚度應控制在0.4～0.8 mil。

（2）底漆施工在0.4 mil時容易引起“干噴”，對短波桔皮的產(chǎn)生有一定影響，故底漆最佳施工值在0.6 mil左右。

（3）當?shù)咨岷穸葟?.2 mil增加到2.4 mil的過程中，桔皮呈先下降再上升的趨勢，在1.6～2.0 mil范圍內桔皮程度達到最低，因此底色漆施工厚度應控制在1.6～2.0 mil。

（4）底色漆通過多道施工極易造成長波桔皮增加，故底色漆應通過單道涂層施工達到最佳厚度范圍，降低長波桔皮產(chǎn)生的風險。

通過對底色漆桔皮缺陷影響因素的分析及防控措施的制定，可有效改善國產(chǎn)民用飛機的外觀質量，提升產(chǎn)品形象，提高客戶滿意度，讓國產(chǎn)大飛機在國際市場的競爭中具有更高的品牌競爭力。