航空蒙皮涂料耐雨蝕試驗研究

薛玉華，張 巖，步明升，王 黎，阮潤琦，汪 威，郭年華

(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)

耐雨蝕性能是考察飛機涂層十分重要的指標之一，飛機從出廠后需要長時間在戶外工作，涂層和基材需要經受各種惡劣天氣的考驗,如高速氣流、雨滴的作用,涂層會老化或損傷。國內耐雨蝕性能測試一般通過測試漆膜的剝離、抗張及撕裂強度等間接來驗證，不能直觀模擬涂料在飛機運行過程中遇見的雨天情況。海洋化工研究院有限公司委托青島榮欣泰達節能科技有限公司開發的耐雨蝕試驗箱主要用于測試復合涂層耐雨水沖刷性能，通過該設備能較為直觀模擬涂料在飛機運行過程中遇見的雨天情況,海化院在國內唯一擁有該設備,開創了國內航空涂料耐雨蝕性能的項目檢測,為航空涂料未來研究發展添磚加瓦。

1 耐雨蝕試驗箱介紹

耐雨蝕試驗箱是一種檢測材料雨蝕狀況的試驗裝置[1-2]，它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時的狀況，它是針對雨滴的高速沖擊對飛機機身外部的涂料和材料表面的耐雨蝕性能而專門研制的新設備。

該試驗裝置由隔離室、動力及傳動系統、葉片機構、噴淋裝置、控制系統等組成，如圖1所示。該裝置整體置于封閉的空間內，通過控制系統監測葉片的旋轉狀況；隔離室具有抗沖擊、耐腐蝕的性能，保證試驗的安全；動力及傳動系統由電機底座、電機、變頻器等組成，實現葉片0～3555 轉/分（0～885 公里/時）的不同轉速的調節；葉片機構由旋轉葉片、軸端套等組成，旋轉葉片采用高強度特質合金材料及采用儒可夫斯基對稱翼型，具有足夠的強度，使葉片在旋轉過程中平穩、零升力、低阻力,且葉片機構長度越長，線速度越大， 可以模擬飛機更快的速度。葉片、試件結構及線速度分布如圖2～圖4所示。噴雨裝置由人工模擬降雨設備、量雨計等組成，實現實驗過程中0～4 mm雨滴的大小調節及降雨量的調節,如圖5所示；量雨計采用電子量筒，實現降雨量的自動讀取；控制系統可以收集信號，收集電機信息、傳感器信息、監控信息、模擬降雨信息及雨蝕時間等，計算并控制運行，實現實驗過程中裝置運行的控制、記錄與顯示。

圖1 耐雨蝕試驗箱總裝三維立體示意圖Fig. 1 Three-dimensional schematic diagram of the total assembly of rain corrosion test box

圖2 葉片結構Fig. 2 Blade structure

圖3 試件結構圖Fig. 3 Specimen structural diagram

圖4 試樣線速度圖Fig. 4 Sample linear velocity diagram

圖5 人工模擬降雨系統Fig. 5 Artificial rainfall simulation system

2 耐雨蝕試驗

2.1 測試試板制作

采用聚氨酯改性環氧底漆+聚酯底色漆+聚酯清漆涂層體系，保證涂層具有良好韌性、剝離強度及耐化學介質性，與基材及涂層間具有良好的附著力。試件涂裝之前，先用酮類溶劑清洗試件表面，24 h內進行表面化學陽極化處理，處理后在72 h之內涂裝防腐蝕環氧底漆，控制干膜厚度為12.7μm～20.3μm,底漆常溫固化16 h以上，噴涂底色漆，控制干膜厚度在43.5μm± 7.7μm，底色漆常溫固化16 h后，噴涂罩光清漆，控制干膜厚度為20μm±5μm，總膜厚控制在101.6μm± 12.7μm，在24±3 ℃條件下至少干燥固化14 d。

2.2 實驗條件

在進行試驗前，將試件浸入24℃±6℃的水中16 h～24 h，從水中取出后1 h內進行試驗，試樣旋轉速度3555 轉/分，噴水的速度為76mm/h～102 mm/h (3～4 in/h)，雨滴尺寸為1mm～4 mm，設定時間為30 min。

2.3 操作步驟

（1)在操作前必須檢查電渦流位移傳感器是否處于工作狀態，以及噴雨容器中水量是否滿足實驗要求，保證實驗順利完成。

（2)實驗開始前必須保證實驗室內處于無人狀態，以免發生意外。

（3)在手動操作時，請認真觀察周圍安全無誤后進行點動操作。

（4)進行電機轉速加速和減速過程中，需逐級進行，切勿在短時間內快速加速或減速，以免對電機性能造成影響。

（5)噴雨系統需在電機低轉速下啟動，待噴雨穩定后，再增加電機轉速，試驗結束后，先降低電機轉速再停止噴雨，防止大雨滴對葉片的損害。

2.4 實驗結果

耐雨蝕實驗結果見表1，耐雨蝕試驗前后照片如圖6、圖7所示。

圖6 實驗前照片Fig. 6 Photos before the experiment

圖7 實驗后照片Fig. 7 Photos after the experiment

表1 耐雨蝕實驗結果Table 1 Experimental results of rain corrosion resistance

從表1可以看出，隨著從內到外試件的線速度增加，試件邊緣平均剝離尺寸隨之增加，平均失光率也增加，且上切面邊緣平均剝離尺寸及平均失光率均大于下切面的，中間試件在620 km/h下，涂層試樣邊緣最終剝離尺寸能滿足小于6.35 mm(0.25 in)指標要求。降雨過程對結構造成的影響，主要從兩個方面進行考察。一方面，當比較大的雨滴降落在物體的表面時，會擊打結構體，造成一定的負荷；而小雨滴因為重量比較小，所以在風的作用下可以充斥在物體中，從一定程度上增大了空氣密度。另一方面，下雨過后物體表面會有一層水，這層水膜就有可能改變了結構的空氣動力特性。葉片前緣是葉片的主要切雨部位，高速旋轉條件下，夾雜著水霧的氣流及雨滴撞擊對葉片會產生很大的剪切壓力及沖擊動能，侵蝕破壞葉片前緣表面保護涂料，且試件受到的剪切強度及沖擊強度與線速度增加成正比，試件上切面更容易受到氣流及雨滴的沖刷，沖刷會造成涂膜表面產生微小缺陷而失光，改性的HDI低聚物與聚酯多元醇形成的涂膜結構，化學交聯密度適中，韌性良好，在受到氣流及雨滴沖擊時，漆膜能較好地吸收和消散撞擊產生的動能，減輕雨蝕對涂膜的破壞，進而達到項目指標的要求[1-2]。

3 結語

耐雨蝕試驗箱是針對雨滴的高速沖擊對飛機機身外部的涂料和材料表面的耐雨蝕性能而專門研制的新設備，能較為直觀模擬涂料在飛機運行過程中遇見的雨天情況，開創了國內航空涂料耐雨蝕性能的項目檢測，海洋化工研究院有限公司研制的飛機外部蒙皮涂層經試驗測試可達到項目指標的要求。