飛機(jī)迎風(fēng)面涂裝耐風(fēng)蝕對(duì)比研究

吳鵬程

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324）

0 前言

涂裝是飛機(jī)抗腐蝕的第一道也是最重要的防線，直接決定民用飛機(jī)的外觀，影響客戶和乘客對(duì)飛機(jī)的直接觀感和評(píng)價(jià)[1]。因?yàn)榉蹱顟B(tài)較為復(fù)雜，風(fēng)蝕區(qū)域涂裝成為表面涂裝的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象之一，而相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、評(píng)估方法與數(shù)據(jù)研究較少。隨著民用型號(hào)飛機(jī)交付量和運(yùn)營區(qū)域日趨豐富，亟需進(jìn)行相關(guān)的性能試驗(yàn)與評(píng)估方法的研究與驗(yàn)證。

飛機(jī)風(fēng)蝕區(qū)域環(huán)境較為復(fù)雜[2]，需要經(jīng)歷高速氣流的沖擊，同時(shí)在飛機(jī)的起飛和降落期間可能會(huì)面臨一定程度的低密度沙塵吹擊，還會(huì)在降水天氣面臨風(fēng)雨沖擊，在高寒氣候下面臨結(jié)冰高寒的影響。目前飛機(jī)迎風(fēng)面區(qū)域風(fēng)蝕作用影響的研究較少[3]，研究較多集中在風(fēng)電、發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪等常規(guī)民用工業(yè)領(lǐng)域[4-9]。但是迎風(fēng)面的表面層破壞對(duì)飛機(jī)影響非常大，因?yàn)轱w機(jī)補(bǔ)漆時(shí)間一般大于20h，影響飛機(jī)的航班服役時(shí)間，極大地影響盈利效率和工作效率。因此針對(duì)飛機(jī)迎風(fēng)面的涂裝工藝進(jìn)行專門的耐風(fēng)蝕研究，建立相關(guān)的基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)，對(duì)合理選取迎風(fēng)面風(fēng)蝕區(qū)域的材料與工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

1 飛機(jī)迎風(fēng)面風(fēng)蝕試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 沙塵沖擊試驗(yàn)平臺(tái)

該文根據(jù)分級(jí)的服役工況，采用氣流挾沙噴射法，通過模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)目標(biāo)涂層進(jìn)行不同風(fēng)蝕力學(xué)參數(shù)下的風(fēng)蝕試驗(yàn)。該系統(tǒng)包括高壓氣源系統(tǒng)、供沙系統(tǒng)、風(fēng)蝕系統(tǒng)和回收系統(tǒng)。其中高壓氣源系統(tǒng)可提供干燥高速氣流，供沙系統(tǒng)通過控制閥提供所需沙量，沙粒在高速氣流的攜帶下風(fēng)蝕靶材?；厥障到y(tǒng)用來回收試驗(yàn)后的風(fēng)蝕沙粒。

試驗(yàn)選取風(fēng)速為90m/s~100m/s、顆粒粒徑為0.15mm~0.3mm以及有效截面質(zhì)量流率為10g/min 的工況條件，對(duì)沖擊角度為15°、30°、45°和90°進(jìn)行分析，每組工況風(fēng)蝕時(shí)間為10min。

1.2 所選的主要涂裝工藝

選取飛機(jī)常用的外表面處理工藝進(jìn)行耐風(fēng)蝕對(duì)比分析，工藝方法包括底色漆清漆涂裝、高固態(tài)涂層、耐腐蝕底膠涂層、鉻酸陽極氧化化膜層、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層以及鋁合金包鋁層。采用以上6 種工藝，分別用典型試板針對(duì)風(fēng)蝕角度進(jìn)行耐風(fēng)蝕試驗(yàn)和分析。

1.3 主要試驗(yàn)方法

主要通過失重評(píng)估法對(duì)風(fēng)蝕前后的質(zhì)量損失和體積磨耗量進(jìn)行表征。通過共聚焦顯微鏡、掃描電鏡和金相方法獲取風(fēng)蝕前后表面形貌的變化。通過EDS 譜和XRD 譜等來獲取風(fēng)蝕后的物象狀態(tài)。使用電子顯微鏡（SEM）和激光共聚焦顯微鏡（LSCM）獲取靶材表面的二維圖片和三維形貌數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)和軟件處理數(shù)據(jù)提取分形信息，用分形信息表征風(fēng)蝕系統(tǒng)的變化。最終通過綜合的數(shù)據(jù)分析和對(duì)比，獲取主要表面涂裝工藝的基礎(chǔ)性能對(duì)比。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 風(fēng)蝕磨損后的宏觀形貌對(duì)比

不同風(fēng)蝕角度磨損宏觀形貌如圖1~圖3 所示。由圖1~圖3 可知，風(fēng)蝕角度為低角度時(shí)，具有動(dòng)能的沙粒風(fēng)蝕到迎風(fēng)面涂層的表面，涂層受到沙粒撞擊產(chǎn)生水平切削作用和豎直撞擊作用，此時(shí)水平切削力要大于豎直撞擊力，涂層的風(fēng)蝕破壞主要以切削破壞為主；風(fēng)蝕角度為高角度時(shí)，涂層同樣受到沙粒撞擊產(chǎn)的水平切削作用和豎直撞擊作用，但是此時(shí)的豎直撞擊力要大于水平切削力，涂層材料則是由較大的撞擊力撞擊，發(fā)生疲勞而導(dǎo)致變形剝落；風(fēng)蝕角度為中等角度時(shí)，涂層材料同時(shí)受到切削破壞的撞擊變形脫落。

圖1 迎風(fēng)面風(fēng)蝕角度30°風(fēng)蝕宏觀結(jié)果

圖3 迎風(fēng)面風(fēng)蝕角度90°風(fēng)蝕宏觀結(jié)果

2.2 風(fēng)蝕試驗(yàn)后表面微觀形貌

不同風(fēng)蝕角度磨損微觀形貌如圖4、圖5 所示。由圖4、圖5 可知，風(fēng)蝕角度為α=30°時(shí)，涂層表面存在較長的風(fēng)蝕帶，這是由于低角度時(shí)，涂層表面受到的水平切削力大于豎直撞擊力，受到斜向的切削破壞比較嚴(yán)重，同時(shí)在風(fēng)蝕帶的一端和兩側(cè)會(huì)有明顯的材料堆積現(xiàn)象，出現(xiàn)了一些橢圓形狀的風(fēng)蝕坑，也隨著材料堆積現(xiàn)象并且材料堆積現(xiàn)象更加嚴(yán)重；風(fēng)蝕角度為α=90°時(shí)，涂層表面風(fēng)蝕坑居多，這是由于此時(shí)是高角度風(fēng)蝕，涂層主要受到豎直撞擊力產(chǎn)生撞擊坑，撞擊坑的邊緣有明顯的材料堆積。風(fēng)蝕角度為低中角度時(shí)，涂層表面材料明顯被切削掉；高角度時(shí)，涂層的材料并未被完全切削出涂層表面，而是在涂層表面形成了涂層的材料堆積，所以涂層在低中角度時(shí)的風(fēng)蝕率要比高角度時(shí)的風(fēng)蝕率更高。

圖4 風(fēng)蝕角度30°后表面微觀形貌

圖5 風(fēng)蝕角度90°后表面微觀形貌

2.3 風(fēng)蝕后磨損量對(duì)比分析

對(duì)沖擊角度為15°、30°、45°和90°的磨損量進(jìn)行試驗(yàn)分析。主要結(jié)果如下：

首先，BCCC 涂層和高固態(tài)涂層。BCCC 涂層試樣在風(fēng)蝕角度30°時(shí)磨損量達(dá)到最大，30°風(fēng)蝕角度切削作用較大，隨著風(fēng)蝕角度的進(jìn)一步增大，磨損量開始隨角度增大而急劇下降，在90°時(shí)出現(xiàn)最小磨損量。BCCC 涂層和高固態(tài)涂層不同沖蝕角度的磨損量對(duì)比如圖6 所示。與BCCC 涂層相比，高固態(tài)涂層的涂裝體系與BCCC 涂層一致，平均膜厚比BCCC 涂層小。風(fēng)蝕規(guī)律與BCCC 涂層表現(xiàn)出相同的趨勢，但整體磨損量高于BCCC 涂層。風(fēng)蝕角度30°時(shí)磨損量達(dá)到最大，30°風(fēng)蝕角度切削作用較大，隨著風(fēng)蝕角度的進(jìn)一步增大，磨損量開始隨角度增大而急劇下降，在90°時(shí)出現(xiàn)最小磨損量。

圖6 BCCC 涂層和高固態(tài)涂層不同沖蝕角度的磨損量對(duì)比

BCCC 涂層與高固態(tài)涂層風(fēng)蝕形貌微觀對(duì)比圖如圖7 所示。由圖7（a）和圖7（b）可知，BCCC 涂層在風(fēng)蝕角度為30°時(shí)的風(fēng)蝕坑深度為21.2μm，同角度30°下高固態(tài)涂層風(fēng)蝕坑深度為53.5μm。由圖7（c）和圖7（d）可知，BCCC 涂層在風(fēng)蝕角度為90°時(shí)的風(fēng)蝕坑深度為59.7μm，同角度90°下高固態(tài)涂層風(fēng)蝕坑深度為51.6μm。由此可見，風(fēng)蝕角度為30°時(shí)，BCCC 涂層風(fēng)蝕坑深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高固態(tài)涂層風(fēng)蝕坑深度。風(fēng)蝕角度為90°時(shí)，BCCC 涂層風(fēng)蝕坑深度與高固態(tài)風(fēng)蝕坑深度相當(dāng)。兩者相比，BCCC 涂層耐低風(fēng)蝕角度的性能優(yōu)于高固態(tài)涂層，這個(gè)結(jié)果與磨損量結(jié)果相印證。

圖7 BCCC 涂層與高固態(tài)涂層風(fēng)蝕形貌微觀對(duì)比

其次，耐蝕底膠涂層、化學(xué)氧化、陽極氧化、包鋁層等低膜厚表面工藝。測試用耐蝕底膠涂層試樣的平均膜厚在1.5μm 左右，涂裝體系由基體、陽極氧化膜層、耐蝕底膠層所構(gòu)成。測試用陽極氧化膜層試樣的平均膜厚在2.6μm 左右，涂裝體系由基體、陽極氧化膜層所構(gòu)成，測試用化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層試樣的平均膜厚在4.2μm 左右，涂裝體系由基體、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層所構(gòu)成。

圖2 迎風(fēng)面風(fēng)蝕角度45°風(fēng)蝕宏觀結(jié)果

4 種工藝均在風(fēng)蝕角度30°時(shí)磨損量達(dá)到最大，30°風(fēng)蝕角度切削作用較大，隨著風(fēng)蝕角度的進(jìn)一步增大，磨損量開始隨角度增大而急劇下降，在90°時(shí)出現(xiàn)最小磨損量，如圖8 所示。

圖8 不同風(fēng)蝕角度下磨損量對(duì)比圖

4 種薄層表面處理膜層風(fēng)蝕形貌微觀對(duì)比圖如圖9 所示。根據(jù)圖9 可知，耐蝕底膠涂層在風(fēng)蝕角度為30°時(shí)的風(fēng)蝕坑深度為25.4μm，陽極氧化層在風(fēng)蝕角度為30°時(shí)的風(fēng)蝕坑深度為17.4μm，化學(xué)轉(zhuǎn)化層在風(fēng)蝕角度為30°時(shí)的風(fēng)蝕坑深度為25.3μm，包鋁層在風(fēng)蝕角度為30°時(shí)的風(fēng)蝕坑深度為27.8μm。由此可見，風(fēng)蝕角度為30°時(shí)，陽極氧化層風(fēng)蝕坑深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他表面處理層風(fēng)蝕坑的深度，陽極氧化層耐風(fēng)蝕性能較好，包鋁層的風(fēng)蝕坑深度最大，在4 種表面處理層中耐蝕性最差，這個(gè)結(jié)果與磨損量結(jié)果相印證。

圖9 4 種表面處理膜層的風(fēng)蝕形貌微觀對(duì)比

最后，6 種涂層磨損量隨風(fēng)蝕角度的變化關(guān)系曲線結(jié)果如圖10 所示。涂層受顆粒風(fēng)蝕后呈現(xiàn)出典型塑性材料性質(zhì)：隨著風(fēng)蝕角度的增大，磨損量先急劇增大并在某一角度出現(xiàn)最大磨損量，在本次試驗(yàn)中測得30°沖擊角度下的涂層出現(xiàn)磨損量極值。隨著沖擊角度的進(jìn)一步增大，磨損量開始隨角度增大而急劇下降，在90°左右時(shí)出現(xiàn)最小磨損量。

圖10 磨損量隨角度的變化關(guān)系曲線

這主要是因?yàn)楫?dāng)沖擊角度為30°時(shí)，水平方向上的分量所產(chǎn)生的切削作用對(duì)低硬度的材料造成更多質(zhì)量損失；到達(dá)磨損量極值后，正向應(yīng)力開始起主要作用，此時(shí)切削作用占比降低，韌性好的材料具有極強(qiáng)的抵抗顆粒正向鑿削作用產(chǎn)生材料質(zhì)量損失的能力；在45°~90°所屬的大沖擊角度下，涂層材料的韌性對(duì)正向鑿削作用的抵抗現(xiàn)象更加明顯，造成小沖擊角下的磨損量大于大沖擊角。

從磨損量隨角度的變化關(guān)系曲線看，6 種涂層耐風(fēng)蝕性能排序?yàn)锽CCC涂層＞高固態(tài)涂層＞陽極氧化層＞化學(xué)轉(zhuǎn)化層＞耐蝕底膠層＞包鋁層。

3 結(jié)論

對(duì)飛機(jī)常用的6 種表面處理工藝的耐風(fēng)蝕試驗(yàn)研究可以得知，BCCC 涂層和高固態(tài)涂層能夠減緩迎風(fēng)面鋁制基體的風(fēng)蝕磨損，但隨著風(fēng)蝕過程的進(jìn)行，涂層也逐漸被穿透。耐蝕底膠層、陽極氧化層和化學(xué)轉(zhuǎn)化層的磨損量變化趨勢基本相同，主要是由于對(duì)應(yīng)膜層厚度太小。6 種涂層耐風(fēng)蝕性能排序?yàn)椋築CCC 涂層＞高固態(tài)涂層＞陽極氧化層＞化學(xué)轉(zhuǎn)化層＞耐蝕底膠層＞包鋁層。

現(xiàn)有主要的涂裝工藝對(duì)風(fēng)蝕角度呈現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律，當(dāng)沖擊角度為30°附近時(shí)，磨損量極值達(dá)到最大，在45°~90°所屬的大沖擊角度下，磨損量極值隨著角度增大逐漸變小。這主要是涂層材料的韌性對(duì)正向鑿削作用的抵抗現(xiàn)象更加明顯，造成小沖擊角下的磨損量大于大沖擊角。

在實(shí)際工程中，除了材料的防護(hù)性能外，設(shè)計(jì)和客戶對(duì)相關(guān)區(qū)域的外觀要求、不同服役環(huán)境的風(fēng)蝕特征均會(huì)對(duì)迎風(fēng)面的防護(hù)產(chǎn)生不同的影響。如濕熱區(qū)域的沙塵較少，需要更多地考慮鹽霧等防腐蝕能力。因此飛機(jī)迎風(fēng)面的涂裝工藝應(yīng)進(jìn)一步深化研究。