浅析现代民用航空飞机蒙皮防腐蚀体系

赵 芯 谢 飞 张 帆 刘会娟

(1. 中国民航局第二研究所，四川 成都 610041；2. 成都拓利化工实业有限公司，四川 成都 610100)

浅析现代民用航空飞机蒙皮防腐蚀体系

赵 芯1 谢 飞1 张 帆1 刘会娟2

(1. 中国民航局第二研究所，四川 成都 610041；2. 成都拓利化工实业有限公司，四川 成都 610100)

本文讲述了现代民用航空飞机使用最广泛的蒙皮防腐蚀体系，讨论了体系中的各个环节的必要性和优缺点，提出了未来民航飞机蒙皮防腐体系研究新方向。

民航飞机蒙皮 预处理 涂层系统 防腐蚀

0 前言

腐蚀，一直是影响飞机安全的主要元凶之一，飞机防腐一直是人类不断研究探索的课题。国际民航运输协会的报告指出，由于腐蚀导致民用飞机的定期维修和部件更换直接经费每飞行小时为5—12美元，其成员单位每年用于腐蚀修理费用达2亿美元[1]。其次飞机材料被腐蚀严重影响飞行安全，甚至造成机毁人亡的惨剧。随着民用航空飞机老龄化，航空公司延长飞机的原定使用寿命等原因的出现，适航性对腐蚀防护要求越来越严格。金属材料与它所处的环境介质之间发生的化学或点化学作用所引起的变质和破坏称之为金属腐蚀。腐蚀产生需要满足3要素：电位差、电介质和正负电极导通。现代民用飞机蒙皮材料主要是2024-T3和7075-T6系列铝合金，飞机上的金属材料腐蚀电位越大越容易发生腐蚀，2024-T3的潜在电位是-0.81V，7075-T6的潜在电位是-0.68～-0.70V之间[2]，当电介质空气中的盐类物质或污染物接触这些材料时，会使这两大类铝合金发生腐蚀。因此，在民用航空飞机上所有的铝合金都要求保护，现代民用航空器蒙皮必须有适宜的防腐蚀体系。

1 现代民航飞机蒙皮防腐蚀体系概况

民用飞机使用的主要金属材料2024-T3和7075-T6系列铝合金，概括起来可分为两大类：有包覆层铝合金和无包覆层铝合金。纯铝耐腐蚀性能好，它的耐腐蚀性比钢还要好，但质软，机械强度差。在铝中加入镁、锌、铜等元素制成铝合金后，机械强度大大提高，但耐腐蚀性却下降了，铝合金在自然条件下，容易形成不均匀、多孔、抗蚀性差的氧化膜，故现代民用飞机蒙皮材料绝大部分采用2024-T3和7075-T6有包覆层铝合金，即在铝合金板材表面包一层纯铝，既符合强度要求也有一定的抗腐蚀能力，然后对铝合金板材进行表面预处理生成一层致密的氧化膜，再涂覆配套性能良好的底漆，面漆最终达到保护目的。(常见的飞机蒙皮防腐蚀体系见图1)

图1 民航飞机蒙皮防腐蚀体系图(根据飞机不同防腐体系具体情况不同

2 现代民航飞机蒙皮表面预处理

为什么飞机蒙皮表面要进行预处理，总结起来有两个原因：其一，飞机蒙皮的主要材料为铝合金基材，虽然其本身质地坚固，但涂层在这类基材金属上的附着力不像其他金属上那么强[3]，预处理可增加涂料和基材之间的附着力；其二，纯铝与空气中氧气反应表面生成一层氧化膜，有一定的抗氧化保护作用，但并不能有效防止铝合金在多变气候及复杂飞行环境中被腐蚀。在飞机蒙皮维护过程中，需对铝合金飞机蒙皮表面进行人工预处理来增厚表面氧化膜，加强金属的防腐能力。经表面预处理而生成的致密氧化膜不仅具有一定的抗腐蚀性能，同时这层膜均匀且多孔，多孔的结构增加了与涂层的接触面积，从而能提高表面涂层的附着力，提高铝板抗腐蚀性能。目前，国内国际广泛采用的民航飞机蒙皮铝板的预处理工艺有阳极化法、化学氧化法和磷化底漆三种。

阳极化是通过电化学氧化法在铝表面生成三氧化二铝氧化膜，其膜厚一般在5～15μm。以使用最多的铬酸阳极化为例，其膜结构分两层；外层氧化膜(Al2O3·H2O)靠近电解液一边，体积较大，硬度较低，带有松孔，呈锥形毛细管状；内层氧化膜靠近基体铝板一边，是纯度较高的致密的三氧化二铝〔见图2(a)〕。阳极化生成的氧化膜体积较大较厚，耐久性好，具有很好的耐腐蚀性能，对底漆有良好的吸附能力。但是由于自身较硬，柔韧性和抗冲击性不如图2阿洛丁生成的氧化膜。

化学氧化法是通过化学反应在表面生成一层薄的氧化膜。现代飞机蒙皮铝板使用最广泛的化学氧化法为阿洛丁(alodine)处理法，涂阿洛丁生成的氧化膜比阳极化生成的膜薄，其膜厚约在0.5～4μm〔见图2( b)〕，且氧化膜质软，柔韧性良好，但耐磨性较差，经受严重的触碰和腐蚀时，膜层会迅速被破坏，故不宜单独使用，与蒙皮涂料配套使用，可弥补此方面的不足。

图2 7075铝合金上的铬酸阳极化和阿罗丁预处理膜(用扫描电镜放大50000倍

磷化底漆法指在铝合金蒙皮表面涂磷化底漆是在铝磷化的同时形成漆膜，磷化底漆本身不能单独起到底漆作用，是一种表面预处理方法。将磷化底漆喷涂在蒙皮铝板表面，一部分磷酸与金属铝结合，使金属表面与涂膜连成一体，又能与涂层系统中的底漆良好的结合，提供一个很好的基层表面。涂覆磷化底漆后无需冲洗可直接喷涂底面漆，磷化底漆凭借价格低廉、施工时间短、环保性能良好等优势，常用做整架飞机表面预处理层使用。

3 现代民航飞机蒙皮涂层系统

飞机活动的环境条件具有一定的特殊性，如高空飞行受强烈的阳光照射，提升了飞机表面的温度， UV紫外线较地面更加强烈，加速了飞机涂层老化；飞机在海洋地区飞行，高的盐浓度会使得飞机蒙皮更容易被腐蚀；飞行过程中可能遇到酸雨、冰雹等；还有空气动力的摩擦，温度压力变化引起的蒙皮收缩变形等等。这些都对蒙皮涂层系统提出了高要求，需要涂层系统具有很好的附着力、防腐蚀性、保光保色性、抗冲击性和好的柔韧性等。

民用飞机蒙皮底漆分为聚氨酯底漆和环氧底漆两大类。环氧类涂层具有良好的附着力，能耐飞机上使用的液压油等各种溶剂，抗腐蚀性能良好，作为蒙皮底漆广泛用于飞机上。但不能用作飞机的面漆使用，环氧底漆耐候性差，在UV紫外线的照射下高分子链会发生断裂。除此之外颜填料在环氧树脂中的分数程度有限，环氧涂料的流平性、光泽度、遮盖力都不如聚氨酯类涂料，如作为面漆会影响飞机空气动力学性能。 聚氨酯类底漆具有良好的附着力、抗冲击性、耐候性、柔韧性等各种优点，但是对施工条件的要求高，且耐溶剂性不如环氧类底漆。

目前不论是空客、波音还是麦道飞机等，防腐蚀涂层系统面漆都采用的聚氨酯类面漆，那是因为聚氨酯面漆有较好柔韧性、抗雨蚀性以及耐气流冲刷性等。除此之外，聚氨酯面漆有良好的保光保色性、耐久性、耐磨性，有良好的喷涂施工性能，其漆膜丰满、平滑，可减少飞行阻力，从而降低燃油的损耗[4]。

不管怎样，民航飞机蒙皮防腐体系的研究中，单一的考虑一种涂层是不够的，要从整个飞机蒙皮涂层系统出发，飞机外部蒙皮涂层系统的配套性和施工技术是保证整机涂层质量的重要环节。目前,空客飞机蒙皮主要采用的防腐蚀涂层系统为：磷化底漆——聚氨酯底漆——聚氨酯面漆；波音飞机蒙皮主要采用的防腐蚀涂层系统为：阿洛丁(alodine)处理——环氧底漆——聚氨脂面漆(见表1)。通常，防腐蚀系统的附着力越高，耐腐蚀性能就越好，但是脱除性就会越差，维护维修耗时就会越长。但是，无论哪种系统，只要所使用的各个材料都符合各自材料标准的要求，具有良好的配套性，则每种涂层系统的性能都能满足飞机的使用要求。虽然预处理膜是底漆和面漆很好的基层，但是在预处理完后的规定时间内喷涂底漆，这点很重要，超过时间表面结合力就会变差，那就需要重新预处理。例如，氧化膜放置时间过长，孔隙会被尘土等堵塞，漆膜附着力下降，因此，波音公司要求在基底金属预处理完成后24 h内完成喷涂涂层施工。

表1 空客飞机防腐蚀涂层系统和波音飞机防腐蚀涂层系统的综合对比

4 结语

现代民用航空技术的快速发展对飞机蒙皮防腐蚀体系提出了新的高要求。三种蒙皮表面预处理技术各有优劣，铬酸阳极化或阿洛丁生成的氧化膜由基体金属直接生成，与基体金属为一整体，相比单独成膜的磷化底漆附着力强，耐蚀性强。但是，这两种方法需使用大量的电解质，这些电解质对环境造成了严重的污染，特别是其中的Cr6+对人体更是具有严重的危害性，而磷化底漆价格低廉、施工方便、环保性能良好，做整机表面预处理耗时短，节约了成本。环保性涂层将是未来飞机防腐蚀体系发展的趋势。

为了得到防腐蚀性能良好的蒙皮涂层，要求组成漆膜的高分子树脂能最大限度的交联固化，使漆膜致密，使水分和氧气不能渗透进去，可树脂过分的交联又会使得涂层变脆、变硬，然而飞机蒙皮又要求漆膜具有良好的柔韧性，在飞行中经反复变形和振动，漆膜不应损坏或脱落。涂层具有非常好的附着力，那么飞机大修时涂层便难以脱除，就会增加维修时间和维修成本。因此，要得到性能良好的飞机蒙皮防腐蚀体系应加强各个防护层的配套性研究，使其弥补相互的不足，到达最佳适航效果。

如何得到性能更加优异、更适合民航发展的飞机蒙皮防腐蚀体系还有待进一步研究。

[1] 何鼎, 雷骏志, 华信浩. 航空涂料与涂装技术[M]. 北京：化学工业出版社, 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] 刘登良. 涂料工艺第四版下册[J]. 北京: 化学工业出版社, 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

赵芯 (1982－) ，女，四川眉山人，硕士，工程师，主要从事航空化学方面的研究。