淺析現(xiàn)代民用航空飛機(jī)蒙皮防腐蝕體系

趙 芯 謝 飛 張 帆 劉會(huì)娟

(1. 中國民航局第二研究所，四川 成都 610041；2. 成都拓利化工實(shí)業(yè)有限公司，四川 成都 610100)

淺析現(xiàn)代民用航空飛機(jī)蒙皮防腐蝕體系

趙 芯1 謝 飛1 張 帆1 劉會(huì)娟2

(1. 中國民航局第二研究所，四川 成都 610041；2. 成都拓利化工實(shí)業(yè)有限公司，四川 成都 610100)

本文講述了現(xiàn)代民用航空飛機(jī)使用最廣泛的蒙皮防腐蝕體系，討論了體系中的各個(gè)環(huán)節(jié)的必要性和優(yōu)缺點(diǎn)，提出了未來民航飛機(jī)蒙皮防腐體系研究新方向。

民航飛機(jī)蒙皮 預(yù)處理 涂層系統(tǒng) 防腐蝕

0 前言

腐蝕，一直是影響飛機(jī)安全的主要元兇之一，飛機(jī)防腐一直是人類不斷研究探索的課題。國際民航運(yùn)輸協(xié)會(huì)的報(bào)告指出，由于腐蝕導(dǎo)致民用飛機(jī)的定期維修和部件更換直接經(jīng)費(fèi)每飛行小時(shí)為5—12美元，其成員單位每年用于腐蝕修理費(fèi)用達(dá)2億美元[1]。其次飛機(jī)材料被腐蝕嚴(yán)重影響飛行安全，甚至造成機(jī)毀人亡的慘劇。隨著民用航空飛機(jī)老齡化，航空公司延長飛機(jī)的原定使用壽命等原因的出現(xiàn)，適航性對腐蝕防護(hù)要求越來越嚴(yán)格。金屬材料與它所處的環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)或點(diǎn)化學(xué)作用所引起的變質(zhì)和破壞稱之為金屬腐蝕。腐蝕產(chǎn)生需要滿足3要素：電位差、電介質(zhì)和正負(fù)電極導(dǎo)通。現(xiàn)代民用飛機(jī)蒙皮材料主要是2024-T3和7075-T6系列鋁合金，飛機(jī)上的金屬材料腐蝕電位越大越容易發(fā)生腐蝕，2024-T3的潛在電位是-0.81V，7075-T6的潛在電位是-0.68～-0.70V之間[2]，當(dāng)電介質(zhì)空氣中的鹽類物質(zhì)或污染物接觸這些材料時(shí)，會(huì)使這兩大類鋁合金發(fā)生腐蝕。因此，在民用航空飛機(jī)上所有的鋁合金都要求保護(hù)，現(xiàn)代民用航空器蒙皮必須有適宜的防腐蝕體系。

1 現(xiàn)代民航飛機(jī)蒙皮防腐蝕體系概況

民用飛機(jī)使用的主要金屬材料2024-T3和7075-T6系列鋁合金，概括起來可分為兩大類：有包覆層鋁合金和無包覆層鋁合金。純鋁耐腐蝕性能好，它的耐腐蝕性比鋼還要好，但質(zhì)軟，機(jī)械強(qiáng)度差。在鋁中加入鎂、鋅、銅等元素制成鋁合金后，機(jī)械強(qiáng)度大大提高，但耐腐蝕性卻下降了，鋁合金在自然條件下，容易形成不均勻、多孔、抗蝕性差的氧化膜，故現(xiàn)代民用飛機(jī)蒙皮材料絕大部分采用2024-T3和7075-T6有包覆層鋁合金，即在鋁合金板材表面包一層純鋁，既符合強(qiáng)度要求也有一定的抗腐蝕能力，然后對鋁合金板材進(jìn)行表面預(yù)處理生成一層致密的氧化膜，再涂覆配套性能良好的底漆，面漆最終達(dá)到保護(hù)目的。(常見的飛機(jī)蒙皮防腐蝕體系見圖1)

圖1 民航飛機(jī)蒙皮防腐蝕體系圖(根據(jù)飛機(jī)不同防腐體系具體情況不同

2 現(xiàn)代民航飛機(jī)蒙皮表面預(yù)處理

為什么飛機(jī)蒙皮表面要進(jìn)行預(yù)處理，總結(jié)起來有兩個(gè)原因：其一，飛機(jī)蒙皮的主要材料為鋁合金基材，雖然其本身質(zhì)地堅(jiān)固，但涂層在這類基材金屬上的附著力不像其他金屬上那么強(qiáng)[3]，預(yù)處理可增加涂料和基材之間的附著力；其二，純鋁與空氣中氧氣反應(yīng)表面生成一層氧化膜，有一定的抗氧化保護(hù)作用，但并不能有效防止鋁合金在多變氣候及復(fù)雜飛行環(huán)境中被腐蝕。在飛機(jī)蒙皮維護(hù)過程中，需對鋁合金飛機(jī)蒙皮表面進(jìn)行人工預(yù)處理來增厚表面氧化膜，加強(qiáng)金屬的防腐能力。經(jīng)表面預(yù)處理而生成的致密氧化膜不僅具有一定的抗腐蝕性能，同時(shí)這層膜均勻且多孔，多孔的結(jié)構(gòu)增加了與涂層的接觸面積，從而能提高表面涂層的附著力，提高鋁板抗腐蝕性能。目前，國內(nèi)國際廣泛采用的民航飛機(jī)蒙皮鋁板的預(yù)處理工藝有陽極化法、化學(xué)氧化法和磷化底漆三種。

陽極化是通過電化學(xué)氧化法在鋁表面生成三氧化二鋁氧化膜，其膜厚一般在5～15μm。以使用最多的鉻酸陽極化為例，其膜結(jié)構(gòu)分兩層；外層氧化膜(Al2O3·H2O)靠近電解液一邊，體積較大，硬度較低，帶有松孔，呈錐形毛細(xì)管狀；內(nèi)層氧化膜靠近基體鋁板一邊，是純度較高的致密的三氧化二鋁〔見圖2(a)〕。陽極化生成的氧化膜體積較大較厚，耐久性好，具有很好的耐腐蝕性能，對底漆有良好的吸附能力。但是由于自身較硬，柔韌性和抗沖擊性不如圖2阿洛丁生成的氧化膜。

化學(xué)氧化法是通過化學(xué)反應(yīng)在表面生成一層薄的氧化膜。現(xiàn)代飛機(jī)蒙皮鋁板使用最廣泛的化學(xué)氧化法為阿洛丁(alodine)處理法，涂阿洛丁生成的氧化膜比陽極化生成的膜薄，其膜厚約在0.5～4μm〔見圖2( b)〕，且氧化膜質(zhì)軟，柔韌性良好，但耐磨性較差，經(jīng)受嚴(yán)重的觸碰和腐蝕時(shí)，膜層會(huì)迅速被破壞，故不宜單獨(dú)使用，與蒙皮涂料配套使用，可彌補(bǔ)此方面的不足。

圖2 7075鋁合金上的鉻酸陽極化和阿羅丁預(yù)處理膜(用掃描電鏡放大50000倍

磷化底漆法指在鋁合金蒙皮表面涂磷化底漆是在鋁磷化的同時(shí)形成漆膜，磷化底漆本身不能單獨(dú)起到底漆作用，是一種表面預(yù)處理方法。將磷化底漆噴涂在蒙皮鋁板表面，一部分磷酸與金屬鋁結(jié)合，使金屬表面與涂膜連成一體，又能與涂層系統(tǒng)中的底漆良好的結(jié)合，提供一個(gè)很好的基層表面。涂覆磷化底漆后無需沖洗可直接噴涂底面漆，磷化底漆憑借價(jià)格低廉、施工時(shí)間短、環(huán)保性能良好等優(yōu)勢，常用做整架飛機(jī)表面預(yù)處理層使用。

3 現(xiàn)代民航飛機(jī)蒙皮涂層系統(tǒng)

飛機(jī)活動(dòng)的環(huán)境條件具有一定的特殊性，如高空飛行受強(qiáng)烈的陽光照射，提升了飛機(jī)表面的溫度， UV紫外線較地面更加強(qiáng)烈，加速了飛機(jī)涂層老化；飛機(jī)在海洋地區(qū)飛行，高的鹽濃度會(huì)使得飛機(jī)蒙皮更容易被腐蝕；飛行過程中可能遇到酸雨、冰雹等；還有空氣動(dòng)力的摩擦，溫度壓力變化引起的蒙皮收縮變形等等。這些都對蒙皮涂層系統(tǒng)提出了高要求，需要涂層系統(tǒng)具有很好的附著力、防腐蝕性、保光保色性、抗沖擊性和好的柔韌性等。

民用飛機(jī)蒙皮底漆分為聚氨酯底漆和環(huán)氧底漆兩大類。環(huán)氧類涂層具有良好的附著力，能耐飛機(jī)上使用的液壓油等各種溶劑，抗腐蝕性能良好，作為蒙皮底漆廣泛用于飛機(jī)上。但不能用作飛機(jī)的面漆使用，環(huán)氧底漆耐候性差，在UV紫外線的照射下高分子鏈會(huì)發(fā)生斷裂。除此之外顏填料在環(huán)氧樹脂中的分?jǐn)?shù)程度有限，環(huán)氧涂料的流平性、光澤度、遮蓋力都不如聚氨酯類涂料，如作為面漆會(huì)影響飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)性能。 聚氨酯類底漆具有良好的附著力、抗沖擊性、耐候性、柔韌性等各種優(yōu)點(diǎn)，但是對施工條件的要求高，且耐溶劑性不如環(huán)氧類底漆。

目前不論是空客、波音還是麥道飛機(jī)等，防腐蝕涂層系統(tǒng)面漆都采用的聚氨酯類面漆，那是因?yàn)榫郯滨ッ嫫嵊休^好柔韌性、抗雨蝕性以及耐氣流沖刷性等。除此之外，聚氨酯面漆有良好的保光保色性、耐久性、耐磨性，有良好的噴涂施工性能，其漆膜豐滿、平滑，可減少飛行阻力，從而降低燃油的損耗[4]。

不管怎樣，民航飛機(jī)蒙皮防腐體系的研究中，單一的考慮一種涂層是不夠的，要從整個(gè)飛機(jī)蒙皮涂層系統(tǒng)出發(fā)，飛機(jī)外部蒙皮涂層系統(tǒng)的配套性和施工技術(shù)是保證整機(jī)涂層質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。目前,空客飛機(jī)蒙皮主要采用的防腐蝕涂層系統(tǒng)為：磷化底漆——聚氨酯底漆——聚氨酯面漆；波音飛機(jī)蒙皮主要采用的防腐蝕涂層系統(tǒng)為：阿洛丁(alodine)處理——環(huán)氧底漆——聚氨脂面漆(見表1)。通常，防腐蝕系統(tǒng)的附著力越高，耐腐蝕性能就越好，但是脫除性就會(huì)越差，維護(hù)維修耗時(shí)就會(huì)越長。但是，無論哪種系統(tǒng)，只要所使用的各個(gè)材料都符合各自材料標(biāo)準(zhǔn)的要求，具有良好的配套性，則每種涂層系統(tǒng)的性能都能滿足飛機(jī)的使用要求。雖然預(yù)處理膜是底漆和面漆很好的基層，但是在預(yù)處理完后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)噴涂底漆，這點(diǎn)很重要，超過時(shí)間表面結(jié)合力就會(huì)變差，那就需要重新預(yù)處理。例如，氧化膜放置時(shí)間過長，孔隙會(huì)被塵土等堵塞，漆膜附著力下降，因此，波音公司要求在基底金屬預(yù)處理完成后24 h內(nèi)完成噴涂涂層施工。

表1 空客飛機(jī)防腐蝕涂層系統(tǒng)和波音飛機(jī)防腐蝕涂層系統(tǒng)的綜合對比

4 結(jié)語

現(xiàn)代民用航空技術(shù)的快速發(fā)展對飛機(jī)蒙皮防腐蝕體系提出了新的高要求。三種蒙皮表面預(yù)處理技術(shù)各有優(yōu)劣，鉻酸陽極化或阿洛丁生成的氧化膜由基體金屬直接生成，與基體金屬為一整體，相比單獨(dú)成膜的磷化底漆附著力強(qiáng)，耐蝕性強(qiáng)。但是，這兩種方法需使用大量的電解質(zhì)，這些電解質(zhì)對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，特別是其中的Cr6+對人體更是具有嚴(yán)重的危害性，而磷化底漆價(jià)格低廉、施工方便、環(huán)保性能良好，做整機(jī)表面預(yù)處理耗時(shí)短，節(jié)約了成本。環(huán)保性涂層將是未來飛機(jī)防腐蝕體系發(fā)展的趨勢。

為了得到防腐蝕性能良好的蒙皮涂層，要求組成漆膜的高分子樹脂能最大限度的交聯(lián)固化，使漆膜致密，使水分和氧氣不能滲透進(jìn)去，可樹脂過分的交聯(lián)又會(huì)使得涂層變脆、變硬，然而飛機(jī)蒙皮又要求漆膜具有良好的柔韌性，在飛行中經(jīng)反復(fù)變形和振動(dòng)，漆膜不應(yīng)損壞或脫落。涂層具有非常好的附著力，那么飛機(jī)大修時(shí)涂層便難以脫除，就會(huì)增加維修時(shí)間和維修成本。因此，要得到性能良好的飛機(jī)蒙皮防腐蝕體系應(yīng)加強(qiáng)各個(gè)防護(hù)層的配套性研究，使其彌補(bǔ)相互的不足，到達(dá)最佳適航效果。

如何得到性能更加優(yōu)異、更適合民航發(fā)展的飛機(jī)蒙皮防腐蝕體系還有待進(jìn)一步研究。

[1] 何鼎, 雷駿志, 華信浩. 航空涂料與涂裝技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2000, 1-5.

[2] U.S Department of Transportation, Advisory Circular43-4A[S]. Corrosion control for aircraft.U.S: Federal Aviation Administration ,1991, 67-69.

[3] Ms.Laura Menze, Coatings Weight & the Environment-New Technologies in Aerospace Coatings are Making a Difference, A Bilingual Coatings Journal[J], Linking China& the World, 2009.

[4] 劉登良. 涂料工藝第四版下冊[J]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009, 1576-1622.

[5] Flcone F. The Importance of Pretreatment before Powder Coating and Liquid Paint〔A〕[J]. ALUSURFACE’98-Moedna〔C. Italy；〔s.n.〕,1998.

[6] Advanced Coating Systems for Air Force Aircraft[J]. Boing A&M Environmental Technotes, 2002.

Anti-corrosion System of Modern Civil Aviation Aircraft Skin

ZHAO Xin1, XIE Fei1, ZHANG Fan1, LIU Hui-juan2
(1.The Second Research Institute of CAAC, Chengdu 610041, China; 2. Chengdu TALY Chemical Indust rial Co., Ltd., Chengdu 610100, china )

The paper indicated the anti-corrosion system of modern civil aviation aircraft skin, discussed the necessity, merit and demerit of various sessions in the anti-corrosion system. The paper has pointed out the direction of future anti-corrosion system research.

civil aircraft skin; preparation treatment; coating system; anti-corrosion

TG174

A

趙芯 (1982－) ，女，四川眉山人，碩士，工程師，主要從事航空化學(xué)方面的研究。