直升機旋翼槳葉有機涂層防護性能在戶內加速試驗中的變化

駱晨，李宗原，孫志華，湯智慧，李健（.中航工業北京航空材料研究院 航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京00095；.總參陸航研究所，北京 0）

專題——飛機結構腐蝕修理與防腐改進技術研究

直升機旋翼槳葉有機涂層防護性能在戶內加速試驗中的變化

駱晨1，李宗原2，孫志華1，湯智慧1，李健2
（1.中航工業北京航空材料研究院 航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京100095；2.總參陸航研究所，北京 101121）

目的 考核評價高原環境下服役的直升機旋翼槳葉典型結構及其防護體系的耐腐蝕性能。方法 利用建立的模擬高原環境加速試驗譜，再現直升機旋翼槳葉結構防護體系實際服役過程中出現的腐蝕損傷，采取電化學阻抗譜測試研究涂層阻抗的變化。結果 經歷8個周期的戶內加速試驗后，新修槳葉試驗件表面有機涂層Bode曲線呈現小幅下降，即有機涂層防護性能下降；報廢槳葉試驗件表面有機涂層的特定頻率電化學阻抗模值與原始情況相比僅下降了不到1個數量級。結論報廢槳葉試驗件表面有機涂層電化學阻抗模值曲線在8個周期后仍然小幅高于未經歷戶內加速試驗的新修槳葉試驗件。

直升機；有機涂層；防護性能；加速試驗

隨著我國某型直升機服役日歷年限和大修次數的增加，其結構腐蝕發展呈現顯著加快的趨勢[1—2]，而大修中所采用的腐蝕修理技術和修理質量在很大程度上決定了直升機結構腐蝕損傷能否得到有效控制。

目前典型結構防護體系腐蝕損傷過程的外場跟蹤實測在工程上很難實現，通過合理的準則和方法建立加速模擬環境試驗方法是考核評價典型結構及其防護體系耐腐蝕性能最為可行的技術[3—9]。青藏高原氣候環境特殊，該環境下服役的直升機關鍵部件的腐蝕損傷是當前關注的焦點[10—11]。文中利用前期建立的高原環境加速試驗環境譜，針對直升機旋翼槳葉結構防護體系，再現其實際服役過程中出現的腐蝕損傷形式與特征，同時顯著縮短實際使用環境下腐蝕歷程的時間。另外，采取電化學阻抗譜（EIS）測試技術，通過研究涂層阻抗的變化來評價其防護性能，這也是目前應用最廣泛的涂層防護性能評價技術之一。由于電化學阻抗只是向被測體系加一個小振幅的正弦交變信號，所以對體系的破壞作用小，可以對樣品進行長時間的測試而不改變樣品的性質。近年來，越來越多的研究[12—17]把特定頻率的阻抗模值作為評價涂層性能的指標，為測試和定量評價涂層的防護性能提供了判據。

1　實驗

1.1試驗件設計、加工和準備

旋翼槳葉外觀如圖1所示，主要由鋁合金大梁、鋼制梳形接頭和后段件組成。大梁是旋翼主要受力件，采用ABT-1鋁合金壓制加工成封閉空心整體件。梳形接頭通過MΠΦ-1膠和21個螺栓以及大梁形成一體，大梁后緣裝有21個帶蜂窩結構的后段件。實驗中共使用2類試驗件，其中，“新修槳葉試驗件”采用未使用的槳葉后段件，沿槳葉長度方向截取130 mm、寬度方向截取140 mm（從葉尖開始）的試驗段，并按實際修理工藝進行噴漆；“報廢槳葉試驗件”采用經過多年服役已經報廢的旋翼槳葉，沿槳葉長度方向截取140 mm長的試驗段。

圖1　旋翼槳葉Fig.1 Rotor blade

所有試驗件在試驗前均徹底清洗，以除掉油污、塵垢、油脂等。清洗后的試件用冷風干燥后放在干燥器皿中短期保存，等待試驗。用放大鏡對清洗后的試件進行外觀檢查，新制備的防護層不允許有微裂紋和其他損傷。

1.2模擬高原環境戶內加速試驗

確定高原環境槳葉部位加速試驗環境譜見表1，作用1個周期約相當于外場實際暴露1年。

1.3腐蝕評價

1）外觀檢查。用放大鏡對試驗件進行外觀檢查，并采用佳能S30數碼相機在標準光源下進行拍照，記錄宏觀腐蝕現象和試驗件表面的微觀腐蝕形貌。

2）電化學阻抗譜測試。在室溫下利用EIS對試驗件表面有機涂層的防護性能定期進行分析。在試驗件上施加PVC管，僅留表面試驗區域暴露于環境中，所有測試中暴露面積均為1 cm2。采用三電極體系在質量分數為3.5%的中性NaCl溶液中進行EIS測試，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，整個試驗裝置放置在法拉第籠中。測試前試驗區域在溶液中浸泡20 min，待自腐蝕電位穩定。每種類型試驗件有3個平行試樣，以驗證數據的可重復性。采用AMETEK Princeton Applied Research公司的273A恒電位儀和5210鎖相放大器進行有機涂層的電化學阻抗譜測試。交流頻率以10 mV擾動幅度的正弦波激勵信號在10-2Hz和105Hz之間掃描。測試軟件為Powersuite電化學測試系統。

表1　模擬高原環境戶內加速試驗譜Table 1　Indoor accelerated testing spectra for simulation of plateau environment

圖2　新修槳葉試驗件表面在1～8個周期加速試驗后的照片Fig.2　The top surface photos of the repaired blade specimen after 1 to 8 cycles of accelerated testing

2　實驗結果與討論

2.1新修槳葉試驗件

新修槳葉試驗件在經歷1～8個周期戶內加速試驗后上表面（即受到紫外輻照的一側）的照片如圖2所示。可以發現，試驗件的有機涂層表面形貌在8個戶內加速試驗周期后并未發生明顯變化，也不存在粉化、開裂、起泡、剝落或者泛金的現象。新修槳葉試驗件表面在8個周期加速試驗后的掃描電鏡照片如圖3所示，與后文中討論的報廢槳葉試驗件表面防護涂層相比，新修槳葉試驗件氧化膜厚度較小，另外存在底漆涂層厚度不均勻的現象，但經過8個周期戶內加速試驗后尚未出現空洞或裂紋。

新修槳葉試驗件表面在經歷1～8個周期戶內加速試驗后的電化學阻抗譜Bode圖如圖4所示，原始和2，4，6，8周期后的特定頻率電化學阻抗模值|Z|f=0.1 Hz分別為4.9×108，2.6×109，1.5×109，2.3×109，3.9×108Ω。由圖4可見，在6個戶內加速試驗周期后，試驗件的電化學阻抗模值未發生顯著下降，各戶內加速試驗周期后的模值曲線與未經歷戶內加速試驗情況下的模值曲線基本重合。這與試驗件有機涂層表面形貌在戶內加速試驗過程中未發生明顯變化的結果一致。經歷8個周期的戶內加速試驗后，試驗件表面有機涂層Bode曲線呈現小幅下降，說明有機涂層經歷加速試驗后防護性能下降，有機涂層內部實際上已經產生了微小損傷，成為外界溶液可以滲透的通道。事實上，在受到紫外線的作用時，有機涂層的樹脂高分子鏈發生光引發鏈增長、鏈終結等系列反應，最后分子鏈發生斷裂，生成親水性基團。之后，有機涂層中分子鏈的降解產物如小分子醇、醚等揮發，親水性氧化產物（如羧酸）溶解于水中，離開有機涂層。因此，隨著老化降解，有機涂層內部孔隙率逐漸增加，有機涂層防護性能逐漸退化。

2.2報廢槳葉試驗件

報廢槳葉試驗件表面在1～8周期加速試驗后的照片如圖5—7所示。隨著加速試驗的進行，試驗件表面的有機涂層逐漸失去光澤；經過6個周期的加速試驗后，開始出現輕微的粉化現象；經過8個周期的戶內加速試驗后，尚未出現有機涂層起泡、剝落或者泛金的現象。

圖3　新修槳葉試驗件表面在8個周期加速試驗后的掃描電鏡照片Fig.3　The SEM images of top surface of the repaired blade specimen after 8 cycles of accelerated testing

圖4　新修槳葉試驗件表面的電化學阻抗譜Bode圖Fig.4　EIS Bode diagram of the top surface of the repaired blade specimen

圖5　報廢槳葉試驗件前段部分表面在1～8個周期加速試驗后的照片Fig.5 The top surface photos of the front end of discarded blade specimen after 1 to 8 cycles of accelerated testing

報廢槳葉試驗件前段部分表面同一局部區域在1周期和8周期后的照片對比如圖8所示。可見在加速試驗過程中，報廢槳葉試驗件的前段部分表面原有的裂紋加深，如圖8中細箭頭所指示，同時出現更多新形成的裂紋，如8圖中加粗箭頭所指示。這些更加細小的裂紋由原有裂紋發展出來，而且這種裂紋有擴展連接成網絡的趨勢。有機涂層表面裂紋長短不一，總體上沿垂直或平行于槳葉長度分布方向，但是發展走向不斷發生微小變化。某課題組前期研究表明，外加拉應變導致有機涂層防護性能下降，原因是拉應變超過涂層材料斷裂強度，從而形成顯微裂紋[7—8]。報廢槳葉試驗件在加速試驗過程中雖然未受到外加拉應變，但前段部分曲率變化大，表面涂層在施工固化過程中會產生收縮內應力，表面在同時受到收縮內應力和紫外輻照等環境因素的作用時產生裂紋，構成外界溶液進入內部的通道。有機涂層的吸水率與空洞、裂紋等缺陷的數量成正比，Cl-，O2和H2O通過孔隙進入涂層中，并到達有機涂層/合金界面。

圖6　報廢槳葉試驗件中段部分表面在1～8個周期加速試驗后的照片Fig.6 The top surface photos of the middle part of discarded blade specimen after 1 to 8 cycles of accelerated testing

圖7　報廢槳葉試驗件后段部分表面在1～8個周期加速試驗后的照片Fig.7 The top surface photos of the back end of discarded blade specimen after 1 to 8 cycles of accelerated testing

圖8　報廢槳葉試驗件前段部分表面局部區域在1周期和8周期后的照片Fig.8 Photos of the top surface of the front end of discarded blade specimen after 1 and 8 cycles of accelerated testing

對比報廢槳葉試驗件后段部分表面在1周期和8周期后的照片（如圖9所示），后段件之間連接處的密封材料開裂現象較未進行戶內加速試驗時的情況更加嚴重，微裂紋和空洞非常明顯。報廢槳葉試驗件表面3個區域未經歷戶內加速試驗時的電化學阻抗譜Bode圖如圖10所示，報廢槳葉試驗件表面3個區域在經歷8個周期戶內加速試驗后的電化學阻抗譜Bode圖如圖11所示，特定頻率電化學阻抗模值|Z|f=0.1 Hz在表2中列出。可以發現，報廢槳葉試驗件表面3個區域的模值曲線基本重合，說明不同區域有機涂層的防護性能較為均勻。在8個周期的戶內加速試驗后，報廢槳葉試驗件表面有機涂層的電化學阻抗模值未發生顯著下降，特定頻率電化學阻抗模值與原始情況相比，僅由5.4×109Ω下降到了3.1×109Ω，|Z|f=0.1 Hz只下降了不到1個數量級，這與試驗件非密封結合部位的表面形貌在戶內加速試驗過程中未發生明顯變化的結果一致。報廢槳葉試驗件后段部分表面的SEM圖片如圖12所示，其中橫截面的照片顯示表面氧化膜、底漆涂層和面漆涂層厚度均勻、完整，尚未出現空洞或裂紋。

圖9　報廢槳葉試驗件后段部分表面局部區域在1周期和8周期后照片Fig.9　Photos of the top surface of the back end of discarded blade specimen after 1 and 8 cycles of accelerated testing

圖10　報廢槳葉試驗件后段部分表面電化學阻抗譜Bode圖Fig.10 EIS Bode diagram of the top surface of the back end of discarded blade specimen

圖11　報廢槳葉試驗件后段部分表面8周期后的電化學阻抗譜Bode圖Fig.11 EIS Bode diagram of the top surface of the back end of discarded blade specimen after 8 cycles of accelerated testing

圖12　報廢槳葉試驗件后段部分表面的掃描電鏡照片Fig.12　Top surface SEM images of the back end of discarded blade specimen

結合新修槳葉試驗件表面在經歷1～8周期戶內加速試驗后的電化學阻抗譜Bode圖一起進行分析，可以發現，未經歷戶內加速試驗的新修槳葉試驗件的電化學阻抗模值曲線小幅低于經歷了8個周期戶內加速試驗的報廢槳葉試驗件，說明槳葉后段件部位實際修理工藝所采用的國產有機涂層防護性能與原始有機涂層相比存在一定差距。

表2　報廢槳葉試驗件表面的特定頻率電化學阻抗模值Table 2 Characteristic frequency electrochemical impedance modulus of the top surface of the discarded blade specimen

3　結論

1）經歷1～8個周期模擬高原環境戶內加速試驗后，新修槳葉試驗件有機涂層表面形貌未發生明顯變化。

2）前6個周期戶內加速試驗后，新修槳葉試驗件的電化學阻抗模值未發生顯著下降；經歷8個周期的戶內加速試驗后，試驗件表面有機涂層Bode曲線呈現小幅下降，表明有機涂層防護性能下降。

3）報廢槳葉試驗件表面有機涂層隨加速試驗的進行逐漸失去光澤，經過6個周期后開始出現粉化現象，前段部分表面原有的裂紋加深，同時出現更多新形成的裂紋且有擴展連接成網絡的趨勢，后段件之間連接處的密封材料開裂現象更加嚴重。

4）在8個周期戶內加速試驗后，報廢槳葉試驗件表面有機涂層的電化學阻抗模值未發生顯著下降，特定頻率電化學阻抗模值|Z|f=0.1 Hz與原始情況相比僅下降了不到1個數量級，且模值曲線仍然小幅高于未經歷戶內加速試驗的新修槳葉試驗件的模值曲線。

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Changes of Protective Properties of Organic Coatings on Helicopter Rotor Blade during Indoor Accelerated Testing

LUO Chen1，LI Zong-yuan2，SUN Zhi-hua1，TANG Zhi-hui1，LI Jian2
（1.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material，
AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China；2.General Staff Department Army Aviation Institute，Beijing 101121，China）

Objective To evaluate the anti-corrosion properties of typical helicopter rotor blade structure and its protection system that services in plateau environment.Methods Accelerated testing spectra for simulation of plateau environment was employed to reproduce the corrosion damage in service condition.Electrochemical impedancemeasurement was used to study the degradation of impedance of organic coatings.Results After 8 cycles of indoor accelerated testing,the EIS Bode diagram of the organic coatings on the repaired blade specimen decreased.The characteristic frequency electrochemical impedance modulus of discarded blade specimen was reduced by less than 1 magnitude compared to that of original specimen.Conclusion After 8 cycles,electrochemical impedance modulus diagram of the organic coatings on discarded blade specimen was still a little higher than that of repaired blade specimen.

helicopter；organic coatings；protective properties；accelerated testing

2015-09-15；Revised：2015-10-04

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.001

TJ07；TG174

A

1672－9242（2016）01－0001-07

2015-09-15；

2015-10-04

國家自然科學基金資助項目（51201157）；國防科技工業技術基礎科研項目（H052013A003）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China（51201157）and National Defense Technology Foundation Project （H052013A003）

駱晨（1984—），男，北京人，博士，高級工程師，主要從事環境試驗與觀測，表面防護等方面的研究。

Biography：LUO Chen（1984—），Male，from Beijing，Ph.D.，Senior engineer，Research focus：environmental testing and observation，and surface protection.