溶膠-凝膠表面處理對飛機蒙皮涂層性能的研究

薛玉華,張 巖,李江江,薛瑞麗,樊 超 ,步明升,阮潤琦,張 彪,汪 威,劉順崎，郭年華

（1海洋涂料國家重點實驗室，海洋化工研究院有限公司，山東青島 266071；2中國商飛上海飛機設計研究院，上海 201210）

目前飛機鋁合金涂裝前處理中廣泛使用的鉻酸鹽、磷鉻酸鹽化學氧化膜，均含有有毒的鉻離子，其產(chǎn)生的廢水對環(huán)境帶來災難性破壞。為了解決這一問題，國內(nèi)外研究者相繼開發(fā)硫酸陽極化﹑硼酸陽極化以及溶膠-凝膠表面處理技術。其中采用溶膠-凝膠方法可以在鋁合金表面制備一層有機-無機雜化膜層，該膜層不含鉻，綠色環(huán)保，與鋁合金具有良好的附著力及防腐能力，可用于鋁材涂裝打底和封孔，國外已有相關產(chǎn)品應用，如SOCOGEL B0202 BLUE以及A0203 BLUE等是經(jīng)過波音授權生產(chǎn)的溶凝膠產(chǎn)品，符合現(xiàn)有的航空技術標準，是有機硅活化的鋯鹽水溶液，能提高噴漆和金屬及如鋁、鈦、不銹鋼等合金之間的結合力，而國內(nèi)尚無符合現(xiàn)有的航空技術標準的產(chǎn)業(yè)化應用報道, 只是處于實驗研制階段。因此，我國應加大該方面的應用基礎研究, 以開拓鋁材又一種新穎的無鉻表面處理的產(chǎn)業(yè)化應用，具有極其重要的環(huán)保意義[1-4]。本文選擇SOCOGEL B0202 BLUE作為飛機鋁合金溶膠-凝膠表面處理膜層，考察其對飛機蒙皮涂層性能的影響，來驗證海洋化工研究院有限公司研制涂層系統(tǒng)與其匹配性。

1 實驗部分

1.1 原材料

溶膠-凝膠涂層：SOCOGEL B0202 BLUE，配比：980/20(體積比)，混合靜止30min后一次性使用；高固防腐底漆、底色漆及罩光清漆：海洋化工研究院有限公司研制[5]。

1.2 涂層的制備

2 結果與討論

2.1 涂層附著力

涂層固化7d后，按圖2劃線并按圖3評級，發(fā)現(xiàn)涂層干態(tài)附著力能達到10級，見圖4；在試板上安裝8個蒙皮鉚釘，其中4個用于干附著力測試，另外4個用于濕附著力試驗，測試發(fā)現(xiàn)干態(tài)附著力能達到10級，濕態(tài)附著力至少能達到9級，見圖6；使用加氏重型沖擊試驗儀對涂層反沖試驗，并用3M 250膠帶對沖擊點粘貼，將膠帶牢固地向下壓在涂層上，并以與樣板相垂直的方向急速扯去膠帶，發(fā)現(xiàn)涂層表面沒有任何掉漆現(xiàn)象發(fā)生，表面附著力良好，見圖5。

圖2 90°垂直交叉劃格Fig.2 90°vertical crossing

圖3 附著力評級圖Fig. 3 Adhesion rating chart

圖4 涂層劃格附著力Fig. 4 Coating grid adhesion

圖5 涂層沖擊附著力 Impact adhesion of coating

圖6 涂層鉚釘附著力Fig. 6 Rivet adhesion of coating

2.2 涂層柔韌性

試驗樣板固化7d后，在錐形軸棒上通過180°彎曲，經(jīng)檢查沒有開裂、剝落或其他漆膜缺陷，見圖7；試驗樣板經(jīng)過71℃與-54℃高低溫循環(huán) 24 次，最后在冷箱中置于直徑為102mm (4 in)軸棒上進行彎曲試驗，同樣沒有出現(xiàn)涂層附著力失效現(xiàn)象，附著力能達到9級，見圖8。

圖7 涂層錐形柔韌性Fig.7 Conical flexibility of coating

圖8 涂層低溫沖擊彎曲柔韌性Fig.8 Low temperature impact bending flexibility of coating

2.3 涂層耐流體性

試驗樣板固化7d后，將試驗樣板浸漬在磷酸酯（Ld-4）液壓油里，其深度為樣板長的1/2~3/4，30d后取出用清潔的薄紗布拭干表面，漆膜無起泡、裂紋、脫落或其它缺陷，經(jīng)鉛筆硬度測試能達B，完全可以滿足≥2B的要求，見圖9。

圖9 涂層耐Ld-4液壓油Fig.9 Coating resistance of Ld-4 hydraulic oil

2.4 涂層耐鹽霧性

試驗樣板固化14d后，在涂層上沿對角線劃線，直至出現(xiàn)金屬基材，劃線寬度為1mm, 將試樣暴露在5%濃度的鹽霧中3000h，試樣按與垂直線成6o±1o傾斜角擺放（涂漆面向上)，檢查試驗樣板沒有腐蝕現(xiàn)象，經(jīng)劃線附著力測試能達到9級，見圖10。

圖1 涂層制備Fig.1 Coating preparation

圖10 涂層耐鹽霧性Fig.10 Salt spray resistance of coating

2.5 涂層耐絲狀腐蝕

試驗樣板固化14d后，在涂層上沿對角線劃線，直至出現(xiàn)金屬基材，劃線寬度為1mm, 將試板置于溫度24℃±3℃、當量濃度12的HCl溶液產(chǎn)生的蒸汽環(huán)境中1h后，立刻置于溫度為35℃±3℃、濕度為80%±5%的環(huán)境中，30d后漆膜沒有腐蝕、起泡和其他損傷，見圖11。

圖11 涂層耐絲狀腐蝕Fig.11 Filiform corrosion of coating

2.6 耐雨蝕

耐雨蝕性能是考察飛機涂層十分重要的指標之一，耐雨蝕試驗是采用雨滴擊打高速旋轉葉片表面試樣的方式來模擬飛機高速飛行通過雨區(qū)時的狀況，能直接測試涂層耐雨水沖刷剝離性能以及與基材的附著力[6]。

試驗樣板固化14d后，將試板浸入(24±6) ℃的水中 16~24 h，從水中取出后 1h內(nèi)進行試驗，試樣旋轉速度（試板中心）為 620 km/h，噴水的速度為 76~102 mm/h ，雨滴尺寸為 1~4 mm，設定時間為 30min，檢查并測量涂層試樣邊緣最終剝離尺寸能滿足小于6.35mm指標要求，可證明凝膠膜層可提供涂層與基材優(yōu)良的附著力，見圖12。

圖12 涂層耐雨蝕Fig.12 Rain corrosion resistance of coating

2.7 可去除性

試驗樣板固化7d后，將試驗樣板曝露在 Atlas UVCON NC-1 型老化儀，按 ASTM G53 方法，8h 紫外線曝露，接著4h凝露，重復循環(huán)至少 500h，按使用說明刷涂脫漆劑Turco 6776-LO，10h后檢查漆膜及凝膠膜層完全脫除，對基材沒有任何影響，基材可重復使用，而阿洛丁1200S處理的基材，阿洛丁氧化膜不易去除干凈，對基材可重復性有不利影響，一般需要打磨去除，浪費了大量的人力及物力，見圖13。

圖13 涂層可去除性Fig.13 Removability of coating

3 結論

經(jīng)飛機鋁合金溶膠-凝膠表面處理與蒙皮涂層配套測試，發(fā)現(xiàn)涂層與鋁合金不僅附著力良好，干態(tài)附著力能達10級，鉚釘附著力至少9級以上，沖擊附著力漆膜沒有任何損失，錐形柔韌性及高低溫彎曲柔韌性出現(xiàn)涂層附著力失效現(xiàn)象，而且具有良好防腐能力，耐磷酸酯（Ld-4）液壓油鉛筆硬度能達B，涂層耐鹽霧及絲狀腐蝕沒有出現(xiàn)腐蝕、起泡和其他損傷現(xiàn)象,涂層耐雨蝕試樣邊緣最終剝離尺寸能滿足小于6.35mm指標要求，可證明凝膠膜層能提供涂層與基材優(yōu)良的附著力，且溶膠-凝膠處理的基材相比阿洛丁1200S處理的，經(jīng)脫漆劑去除，漆膜及凝膠膜層可輕易的完全脫除，鋁合金基材可重復使用。因此，本研究飛機外部蒙皮涂層系統(tǒng)與鋁合金溶膠-凝膠表面處理配套性良好，且溶膠-凝膠表面處理不含鉻，綠色環(huán)保，可提供優(yōu)良的涂層附著力，實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應用，具有極其重要的環(huán)保意義。