新型防腐涂层对直升机典型结构材料防护性能研究

崔腾飞，杨丽媛，彭望舒，曹真，刘明，高蒙

新型防腐涂层对直升机典型结构材料防护性能研究

崔腾飞1，杨丽媛2，彭望舒1，曹真1，刘明2，高蒙2

（1.中国直升机设计研究所 综合技术研究室，江西 景德镇 333000 2.北京航空材料研究院 航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，北京 100095）

研究新型防腐涂层对直升机典型结构用铝合金及复合材料在热带海洋性气候环境下的防护性能，并与原防护涂层进行对比。通过测试涂层腐蚀后的形貌、光泽度、色差、电化学阻抗等，对比新/原涂层对直升机典型结构用铝合金和复合材料的防护性能。经过2年腐蚀后，新涂层表面无明显变化，而原涂层表面有轻微腐蚀，光泽度和色差下降较大。电化学阻抗测试表明，暴露前后涂层结构无明显变化，涂层阻抗值呈现持续下降的趋势，但是原涂层阻抗下降更快。新涂层对直升机典型铝合金和复合材料有更好的防护性，更加适于海洋性环境的使用。

涂层；外场腐蚀；铝合金；复合材料；电化学

腐蚀损伤是直升机结构损伤的重要形式之一[1]，尤其是在海洋环境条件下，腐蚀环境更为恶劣，高温、高湿、高盐雾、高紫外线的特点导致装备的腐蚀损伤较内陆地区更为突出[2-3]。直升机在海上救援、运输、搜索等方面有着广泛的应用，而长期在海洋环境下作业，暴露在严酷的腐蚀环境中，会导致机体结构的严重腐蚀。目前直升机采用了多种抗腐蚀手段，其中表面防护涂层最为重要[4]，是抵抗高温、高湿、高盐雾、高紫外线的海洋环境腐蚀的关键技术[5]。直升机表面防护涂层的抗腐蚀能力，对直升机结构能否达到预期服役使用年限有着决定性的影响[6-7]，一旦涂层失效，机体结构材料将很快发生腐蚀，影响结构的强度，严重时会影响直升机飞行的安全[8]。

目前，我国直升机防护涂层体系主要是沿用陆基直升机使用的环氧底漆和聚氨酯面漆体系。该涂层在内陆地区能对直升机有着较好的防护效果，但是在海洋环境下的耐蚀性欠佳。针对此情况，开发了新型防腐底漆及高耐候防护面漆，并对其抗腐蚀效果进行了研究。该涂层具有良好的抗划伤、高附着力、耐腐蚀、耐老化性能，对长期在海洋环境下服役的直升机具有良好的防护效果，应用前景广泛。

由于新的涂层体系要在直升机结构中进行应用，必须经历相应的考核验证，并考虑环境因素的影响[9-13]。因此，文中选用直升机结构常用的铝合金和复合材料为基体，在其表面喷涂新研发的耐海洋性环境气候的环氧底漆和聚氨酯磁漆，并在万宁试验站进行外场暴露试验，以考核新涂层对直升机结构材料的防护性，并与原陆基传统环氧底漆和聚氨酯面漆进行对比，为其在某型直升机上的装机应用提供技术支撑。

1 试验

1.1 材料及试样尺寸

材料选用7A04-T6铝合金、中温固化环氧玻璃布预浸料复合材料，试样尺寸如图1所示。7A04-T6铝合金的化学成分为：Si ≤0.5%，Fe ≤0.5%，Cu 1.4%~2.0%，Mn 0.2%~0.6%，Mg 1.8%~1.8%，Cr 0.1%~0.25%，Zn 5.0%~7.0%，Ti ≤0.1%，剩余为Al。7A04-T6铝合金的热处理制度为：535 ℃保温5.5 h+80 ℃淬火+165 ℃时效4 h。复合材料为中温固化环氧玻璃布预浸料3238A/EW250F/45 Q/ZW3026。对7A04-T6铝合金表面进行铬酸阳极化处理，复合材料不进行表面处理。之后两种材料表面喷涂原、新两种体系的防护漆（其中原涂层体系为陆基传统涂层体系，新涂层体系为新开发的耐海洋环境涂层体系，两种涂层均为环氧树脂底漆和聚氨酯面漆）。试验开始及每次进行性能测试前，用无水乙醇清洗各试验件表面，去除灰尘等污物，之后用去离子水冲洗，冷风吹干。

图1 试样尺寸

表1 材料表面处理及涂层体系

Tab.1 Material surface treatment and coating system

1.2 外场环境及装夹方式

本试验的试验件在万宁大气试验站进行环境暴露试验。万宁大气试验站位于海南省万宁市东海岸，海拔12.3 m，属典型的北热带湿润性海洋气候。万宁站具有高温、高湿、高盐雾、太阳辐射强等南海大气环境的典型特点。突出表现在“长夏无冬”，即使在气温最低的1月份，最低温度也能达到7.8 ℃，全年最高温差不足30 ℃。本地区相对湿度超过80%的时数全年高达6800 h。占总时数的78%，降雨充沛，日照充足，年积温超过9000 ℃，仅次于我国西沙和南沙地区，环境特征见表2。

利用夹具和支架将试验件朝南固定在海上平台暴露场的试样架上，试验件与水平面夹角为45°，具体装夹方式如图2所示。

表2 万宁试验站大气环境特征

Tab.2 Atmospheric environment of Wanning experimental station

图2 试样装夹方式

1.3 检测周期

外场暴露试验进行0.5、1、1.5、2 a后，检查各试验件的外观，并拍照，测试试样的光泽度、色差，并对试件的电化学交流阻抗进行测试。电化学测试采用三电极测试体系，参比电极为甘汞电极，辅助电极为铂金电极，工作电极为涂层/基体材料，正弦波加载，扫描频率范围为0.1~100 kHz，信号幅值为10 mV。

2 结果与讨论

2.1 宏观形貌

2.1.1 铝合金

在自然暴露试验前和暴露0.5、1、1.5、2 a后，铝合金表面涂层的宏观形貌分别如图3和图4所示。可以看出，未暴露时，原涂层表面基本保持完好。在暴露0.5 a后，试样表面发生轻微粉化（如图3b所示）。在暴露1 a后，有部分区域出现轻微变色，并有轻微腐蚀出现（如图3c所示）。新涂层体系试样在自然暴露不同时间后，试样表面无明显变化（如图4所示）。

图3 铝合金表面原涂层暴露不同时间后的宏观形貌

图4 铝合金表面新涂层暴露不同时间后的宏观形貌

2.1.2 复合材料

在自然暴露试验前和暴露0.5、1、1.5、2 a后，复合材料表面涂层的宏观形貌分别如图5和图6所示。可以看到，暴露0.5 a后，复合材料原涂层表面出现少量轻微粉化现象（如图5b所示）。随着暴露时间的增加，粉化程度增加。暴露1 a后，表面有轻微变色，其他无明显变化（如图5c所示）。新涂层暴露2 a后，试样表面无明显变化（如图6所示）。

图5 复合材料表面原涂层暴露不同时间后的宏观形貌

图6 复合材料表面新涂层暴露不同时间后的宏观形貌

2.2 表面光泽度

自然暴露试验前和暴露0.5、1、1.5、2 a后，测试了试样表面涂层的60°光泽度，试验结果如图7所示。可以看出，原涂层为无光漆，新涂层为半光漆。随着腐蚀时间的延长，两种漆的光泽度都有所降低，但是原涂层光泽度下降较为明显。经过2 a暴露后，铝合金表面原涂层光泽度已经下降了54.5%，而新涂层经过2 a腐蚀后，光泽度只下降了23.9%。复合材料表面原涂层光泽度下降了31%，而新涂层经过2 a腐蚀后，光泽度只下降了11.4%。说明新涂层较原涂层性能退化程度更小，防护性能更好。

铝合金和复合材料试样表面涂层光泽度随暴露时间的下降率如图8所示。可以看出，随着暴露时间的延长，无论是铝合金还是复合材料试样，其涂层光泽度下降率越来越大，但是程度不同。同样的基体材料，新涂层体系的下降率低于原涂层体系。对于同种涂层体系，复合材料的下降率低于铝合金。因此，新涂层较原涂层腐蚀速率更慢，且新涂层在复合材料表面的防护性优于铝合金。

2.3 表面色差

不同涂层自然暴露不同时间后，涂层相对于未腐蚀时的色差如图9所示。可以看出，随着暴露时间的延长，两种涂层的色差都呈现增大的趋势。暴露2 a后，色差明显增加。相较于未暴露时，暴露2 a后，铝合金表面色差达到了9.1，复合材料达到6.1。这是由于暴露2 a后，涂层表面出现了轻微的粉化。新涂层色差变化相对较小，相较于未暴露时，暴露2 a后，铝合金和复合材料表面色差均只有2.1。说明新涂层在铝合金和复合材料表面的性能退化程度低于原涂层，新涂层具有更好、更持久的防护性能。

图7 涂层光泽度随暴露时间的变化

图8 铝合金和复合材料光泽度随暴露时间的下降率

图10对比了铝合金和复合材料色差随暴露时间的变化，可以看出，随着暴露时间的延长，无论是铝合金还是复合材料，其色差均越来越大，但是程度不同。同样的基体材料，新涂层体系的变化程度低于原涂层体系。对于同种涂层体系，铝合金的变化程度高于复合材料。因此，新涂层随着腐蚀时间的延长，耐蚀性优于原涂层，且新涂层在复合材料的表面性能劣化程度更慢。

2.4 电化学阻抗

不同基体材料、不同涂层体系暴露前和外场暴露2 a后的电化学阻抗分别如图11和图12所示。不同基体材料、不同涂层体系外场暴露前后，=0.1Hz处的电化学阻抗模值见表3。从图11a中可以看出，对于不同基体材料喷涂的不同涂层体系，其阻抗均表现出相同的电化学特征，即时间常数只有一个，出现一个高阻抗的容抗弧。这说明未暴露时，涂层体系完好，对基体具有很好的保护作用[14]。外场暴露2 a后（如图12a所示），对于不同基体材料喷涂的不同涂层体系，其阻抗也均表现出相同的电化学特征。这说明暴露2年后，涂层体系仍保持完好，对基体仍具有很好的保护性。

图9 涂层色差度随暴露时间的变化

图10 铝合金和复合材料涂层色差度随暴露时间的变化

图11 未暴露时涂层电化学阻抗

不同基体材料、不同涂层体系外场暴露前后的电化学阻抗可用图13所示的电路拟合[15]。其中s代表溶液电阻，c代表涂层界面反应电阻，c代表涂层界面反应电容。外场暴露2 a后，涂层结构未发生变化，依旧具备良好的耐腐蚀性能，可以保护基体免受腐蚀介质的侵蚀。

图12 外场暴露2 a后涂层电化学阻抗

表3 不同材料、不同涂层外场暴露前和暴露2 a后的阻抗（||=0.1Hz）

Tab.3 The impedance of different materials, different coatings before the field exposure and after exposure to 2 a (|Z|f=0.1Hz) Ω

图13 拟合电路

对比表3可以看到，不同基体材料、不同涂层体系暴露前后的阻抗均较高，达到9.8×107Ω以上，但是下降程度不同。对于铝合金，原涂层体系暴露2 a后，阻抗值下降了70.3%，新涂层只下降了30.95%；对于复合材料，原涂层体系暴露2a后阻抗值下降了49.28%，新涂层体系只下降了21.42%。说明对于铝合金和复合材料，新涂层的防护性均优于原涂层。在复合材料上，未暴露时新涂层的阻抗值比铝合金高2个数量级；暴露2 a后，复合材料阻抗值仍比铝合金高2个数量级。暴露2 a后，复合材料上原涂层的阻抗值只比在铝合金上高1个数量级。由此可见，新涂层对复合材料的防护性优于对铝合金。

2.5 讨论

有机涂层喷涂在材料表面之后，结构较为完整时，能隔离基体与水、氧气及腐蚀介质（Cl-、SO2、H2S等）等因素的联合作用，达到防止基体腐蚀的目的。暴露在自然环境中，有机涂层结构会慢慢变化，最终导致失去防护效果。首先在紫外光、氧气和水分的作用下，涂层内的高分子链节逐渐断裂。此时涂层内孔隙率较小，未形成腐蚀性离子通往基体材料的通道，涂层能有效地隔离水及腐蚀性介质，对基体还有较好的保护作用，但是防护性逐渐降低。随着光氧化反应的发生，涂层内产生了明显的高分子链节断裂，涂层内的孔隙率增加，逐渐形成了腐蚀性离子通往基体材料的通道，水及腐蚀介质能通过微孔到达基体材料表面。一方面基体材料接触腐蚀介质发生腐蚀损伤，另一方面腐蚀产物在基体与涂层界面生成，造成涂层的鼓泡、破裂、脱落等。涂层基本失去了对基底的保护作用[16-18]。有研究表明，当涂层阻抗在108~109Ω·cm2时，有机涂层具有很好的防腐蚀性能；涂层阻抗在107~108Ω·cm2时，涂层的防腐蚀能力下降；当涂层阻抗降低到106Ω·cm2时，涂层对水等腐蚀介质的阻挡能力已经很低，在涂层/金属基体界面有可能发生电化学腐蚀反应[19]。

在文中的试验中，涂层失效还处在初级阶段。从电化学阻抗分析中可以看出，外场暴露2 a后，阻抗只有一个半径很大的容抗弧，说明涂层的结构基本保持完整，未发生明显变化。涂层只有部分高分子链节断裂，并未形成腐蚀性离子通往基体材料的通道，涂层表面虽然有轻微变色、失光，阻抗值逐渐下降，但仍具有较好的防护性。原涂层体系性能劣化速度较快，阻抗下降较多，经历2 a暴露后，已经下降了50%以上，达到107Ω·cm2范围内，涂层防护能力逐步丧失，可见原涂层失效时间较短。新涂层体系阻抗值下降较慢，经过2 a暴露后，只下降了20%~30%左右，仍远高于108Ω·cm2，可见新涂层对基体的防护时间更长。

4 结论

1）铝合金经外场露暴露试验后，原涂层发生轻微粉化、变色，光泽度下降54.5%，色差增大到9.1；新涂层表面无明显变化，光泽度下降23.9%，色差只增大到2.1。铝合金表面新涂层的性能劣化速度较原涂层更慢，新涂层防护性更好。

2）复合材料经外场露暴露试验后，原涂层粉化程度随时间的延长而增大，光泽度下降31%，色差增大到6.1；新涂层在暴露期间表面无明显变化，光泽度下降11.4%，色差只增大到2.1。复合材料表面新涂层的性能退化速率更慢，新涂层防护性更好。

3）原/新涂层暴露前后电化学均表现为一个高阻抗的单容抗弧，反应以涂层高分子链节断裂及轻微的腐蚀过程为主。暴露2a后，铝合金、复合材料表面新涂层阻抗远大于原涂层。新涂层的耐蚀性优于原涂层，对铝合金和复合材料的防护性能更好。

4）外场暴露2a后，复合材料表面新涂层的阻抗比铝合金高2个数量级。新涂层对复合材料的防护较优于铝合金。

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New Corrosion Protection Coating System for Typical Helicopter Structural Materials

CUI Teng-fei1, YANG Li-yuan2, PENG Wang-shu1, CAO Zhen1, LIU Ming2, GAO Meng2

(1. Integrated Technology Research Department, China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen, 333000, China; 2. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material, Beijing Institute of Aeronautical Material, Beijing 100095, China)

The paper aims to study the protection effect of new corrosion protection coating system foraluminum alloy and composite of typicalhelicopter structure in tropical maritime climate area. And the protection effectof new coating on aluminum alloy and composite of typical helicopter structure was contrasted with that of the unimproved coating by testing the morphology, glossiness, chromatic aberration, electrochemical impedance. The results showed that after 2 years of corrosion, the new corrosion protection coating had no difference, but there was slight corrosion on the unimproved protected coating and glossiness and chromatism were decreased. The electrochemical impedance spectroscopy showed that the coating’s structure had no change during experiment time. The impedance of all coatings decreased, but the unimproved coating’s impedance decreased more. The new corrosion protection coating system has better corrosion property for helicopter structural materials. It is appropriate for marine climate.

coating; maritime climate corrosion; aluminum alloy; composite; electrochemical

2019-07-20；

2019-08-22

10.7643/ issn.1672-9242.2020.02.007

TG174.4

A

1672-9242(2020)02-0041-08

2019-07-20；

2019-08-22

崔腾飞（1987—），男，河北张家口人，博士，工程师，主要研究方向为环境工程。

CUI Teng-fei (1987—), Male, from Zhangjiakou Hebei, Ph. D., Engineering, Research focus: environmental engineering.