飛機迎風面涂裝耐風蝕對比研究

吳鵬程

（上海飛機制造有限公司，上海 201324）

0 前言

涂裝是飛機抗腐蝕的第一道也是最重要的防線，直接決定民用飛機的外觀，影響客戶和乘客對飛機的直接觀感和評價[1]。因為服役狀態較為復雜，風蝕區域涂裝成為表面涂裝的重點關注對象之一，而相關的試驗數據、評估方法與數據研究較少。隨著民用型號飛機交付量和運營區域日趨豐富，亟需進行相關的性能試驗與評估方法的研究與驗證。

飛機風蝕區域環境較為復雜[2]，需要經歷高速氣流的沖擊，同時在飛機的起飛和降落期間可能會面臨一定程度的低密度沙塵吹擊，還會在降水天氣面臨風雨沖擊，在高寒氣候下面臨結冰高寒的影響。目前飛機迎風面區域風蝕作用影響的研究較少[3]，研究較多集中在風電、發動機葉輪等常規民用工業領域[4-9]。但是迎風面的表面層破壞對飛機影響非常大，因為飛機補漆時間一般大于20h，影響飛機的航班服役時間，極大地影響盈利效率和工作效率。因此針對飛機迎風面的涂裝工藝進行專門的耐風蝕研究，建立相關的基礎工藝數據，對合理選取迎風面風蝕區域的材料與工藝具有重要的指導意義。

1 飛機迎風面風蝕試驗裝置與試驗方法

1.1 沙塵沖擊試驗平臺

該文根據分級的服役工況，采用氣流挾沙噴射法，通過模擬風沙環境侵蝕試驗系統，對目標涂層進行不同風蝕力學參數下的風蝕試驗。該系統包括高壓氣源系統、供沙系統、風蝕系統和回收系統。其中高壓氣源系統可提供干燥高速氣流，供沙系統通過控制閥提供所需沙量，沙粒在高速氣流的攜帶下風蝕靶材?；厥障到y用來回收試驗后的風蝕沙粒。

試驗選取風速為90m/s~100m/s、顆粒粒徑為0.15mm~0.3mm以及有效截面質量流率為10g/min 的工況條件，對沖擊角度為15°、30°、45°和90°進行分析，每組工況風蝕時間為10min。

1.2 所選的主要涂裝工藝

選取飛機常用的外表面處理工藝進行耐風蝕對比分析，工藝方法包括底色漆清漆涂裝、高固態涂層、耐腐蝕底膠涂層、鉻酸陽極氧化化膜層、化學轉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風蝕角度進行耐風蝕試驗和分析。

1.3 主要試驗方法

主要通過失重評估法對風蝕前后的質量損失和體積磨耗量進行表征。通過共聚焦顯微鏡、掃描電鏡和金相方法獲取風蝕前后表面形貌的變化。通過EDS 譜和XRD 譜等來獲取風蝕后的物象狀態。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據，借助計算機和軟件處理數據提取分形信息，用分形信息表征風蝕系統的變化。最終通過綜合的數據分析和對比，獲取主要表面涂裝工藝的基礎性能對比。

2 試驗結果及討論

2.1 風蝕磨損后的宏觀形貌對比

不同風蝕角度磨損宏觀形貌如圖1~圖3 所示。由圖1~圖3 可知，風蝕角度為低角度時，具有動能的沙粒風蝕到迎風面涂層的表面，涂層受到沙粒撞擊產生水平切削作用和豎直撞擊作用，此時水平切削力要大于豎直撞擊力，涂層的風蝕破壞主要以切削破壞為主；風蝕角度為高角度時，涂層同樣受到沙粒撞擊產的水平切削作用和豎直撞擊作用，但是此時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，發生疲勞而導致變形剝落；風蝕角度為中等角度時，涂層材料同時受到切削破壞的撞擊變形脫落。

圖1 迎風面風蝕角度30°風蝕宏觀結果

圖3 迎風面風蝕角度90°風蝕宏觀結果

2.2 風蝕試驗后表面微觀形貌

不同風蝕角度磨損微觀形貌如圖4、圖5 所示。由圖4、圖5 可知，風蝕角度為α=30°時，涂層表面存在較長的風蝕帶，這是由于低角度時，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重，同時在風蝕帶的一端和兩側會有明顯的材料堆積現象，出現了一些橢圓形狀的風蝕坑，也隨著材料堆積現象并且材料堆積現象更加嚴重；風蝕角度為α=90°時，涂層表面風蝕坑居多，這是由于此時是高角度風蝕，涂層主要受到豎直撞擊力產生撞擊坑，撞擊坑的邊緣有明顯的材料堆積。風蝕角度為低中角度時，涂層表面材料明顯被切削掉；高角度時，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的風蝕率要比高角度時的風蝕率更高。

圖4 風蝕角度30°后表面微觀形貌

圖5 風蝕角度90°后表面微觀形貌

2.3 風蝕后磨損量對比分析

對沖擊角度為15°、30°、45°和90°的磨損量進行試驗分析。主要結果如下：

首先，BCCC 涂層和高固態涂層。BCCC 涂層試樣在風蝕角度30°時磨損量達到最大，30°風蝕角度切削作用較大，隨著風蝕角度的進一步增大，磨損量開始隨角度增大而急劇下降，在90°時出現最小磨損量。BCCC 涂層和高固態涂層不同沖蝕角度的磨損量對比如圖6 所示。與BCCC 涂層相比，高固態涂層的涂裝體系與BCCC 涂層一致，平均膜厚比BCCC 涂層小。風蝕規律與BCCC 涂層表現出相同的趨勢，但整體磨損量高于BCCC 涂層。風蝕角度30°時磨損量達到最大，30°風蝕角度切削作用較大，隨著風蝕角度的進一步增大，磨損量開始隨角度增大而急劇下降，在90°時出現最小磨損量。

圖6 BCCC 涂層和高固態涂層不同沖蝕角度的磨損量對比

BCCC 涂層與高固態涂層風蝕形貌微觀對比圖如圖7 所示。由圖7（a）和圖7（b）可知，BCCC 涂層在風蝕角度為30°時的風蝕坑深度為21.2μm，同角度30°下高固態涂層風蝕坑深度為53.5μm。由圖7（c）和圖7（d）可知，BCCC 涂層在風蝕角度為90°時的風蝕坑深度為59.7μm，同角度90°下高固態涂層風蝕坑深度為51.6μm。由此可見，風蝕角度為30°時，BCCC 涂層風蝕坑深度遠遠小于高固態涂層風蝕坑深度。風蝕角度為90°時，BCCC 涂層風蝕坑深度與高固態風蝕坑深度相當。兩者相比，BCCC 涂層耐低風蝕角度的性能優于高固態涂層，這個結果與磨損量結果相印證。

圖7 BCCC 涂層與高固態涂層風蝕形貌微觀對比

其次，耐蝕底膠涂層、化學氧化、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、陽極氧化膜層所構成，測試用化學轉化膜層試樣的平均膜厚在4.2μm 左右，涂裝體系由基體、化學轉化膜層所構成。

圖2 迎風面風蝕角度45°風蝕宏觀結果

4 種工藝均在風蝕角度30°時磨損量達到最大，30°風蝕角度切削作用較大，隨著風蝕角度的進一步增大，磨損量開始隨角度增大而急劇下降，在90°時出現最小磨損量，如圖8 所示。

圖8 不同風蝕角度下磨損量對比圖

4 種薄層表面處理膜層風蝕形貌微觀對比圖如圖9 所示。根據圖9 可知，耐蝕底膠涂層在風蝕角度為30°時的風蝕坑深度為25.4μm，陽極氧化層在風蝕角度為30°時的風蝕坑深度為17.4μm，化學轉化層在風蝕角度為30°時的風蝕坑深度為25.3μm，包鋁層在風蝕角度為30°時的風蝕坑深度為27.8μm。由此可見，風蝕角度為30°時，陽極氧化層風蝕坑深度遠遠小于其他表面處理層風蝕坑的深度，陽極氧化層耐風蝕性能較好，包鋁層的風蝕坑深度最大，在4 種表面處理層中耐蝕性最差，這個結果與磨損量結果相印證。

圖9 4 種表面處理膜層的風蝕形貌微觀對比

最后，6 種涂層磨損量隨風蝕角度的變化關系曲線結果如圖10 所示。涂層受顆粒風蝕后呈現出典型塑性材料性質：隨著風蝕角度的增大，磨損量先急劇增大并在某一角度出現最大磨損量，在本次試驗中測得30°沖擊角度下的涂層出現磨損量極值。隨著沖擊角度的進一步增大，磨損量開始隨角度增大而急劇下降，在90°左右時出現最小磨損量。

圖10 磨損量隨角度的變化關系曲線

這主要是因為當沖擊角度為30°時，水平方向上的分量所產生的切削作用對低硬度的材料造成更多質量損失；到達磨損量極值后，正向應力開始起主要作用，此時切削作用占比降低，韌性好的材料具有極強的抵抗顆粒正向鑿削作用產生材料質量損失的能力；在45°~90°所屬的大沖擊角度下，涂層材料的韌性對正向鑿削作用的抵抗現象更加明顯，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系曲線看，6 種涂層耐風蝕性能排序為BCCC涂層＞高固態涂層＞陽極氧化層＞化學轉化層＞耐蝕底膠層＞包鋁層。

3 結論

對飛機常用的6 種表面處理工藝的耐風蝕試驗研究可以得知，BCCC 涂層和高固態涂層能夠減緩迎風面鋁制基體的風蝕磨損，但隨著風蝕過程的進行，涂層也逐漸被穿透。耐蝕底膠層、陽極氧化層和化學轉化層的磨損量變化趨勢基本相同，主要是由于對應膜層厚度太小。6 種涂層耐風蝕性能排序為：BCCC 涂層＞高固態涂層＞陽極氧化層＞化學轉化層＞耐蝕底膠層＞包鋁層。

現有主要的涂裝工藝對風蝕角度呈現出較為明顯的規律，當沖擊角度為30°附近時，磨損量極值達到最大，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正向鑿削作用的抵抗現象更加明顯，造成小沖擊角下的磨損量大于大沖擊角。

在實際工程中，除了材料的防護性能外，設計和客戶對相關區域的外觀要求、不同服役環境的風蝕特征均會對迎風面的防護產生不同的影響。如濕熱區域的沙塵較少，需要更多地考慮鹽霧等防腐蝕能力。因此飛機迎風面的涂裝工藝應進一步深化研究。