几种表面防护体系耐盐雾性能研究

李超

（中航通飞华南飞机工业有限公司，广东 珠海 519040）

表面防护技术是利用化学/电化学的方法或者物理方法，在结构材料表面形成金属或非金属防护层，使结构材料表面获得本体材料不具备的优异性能，具备比本体材料更优的耐腐蚀能力、抗高温氧化能力、耐磨损能力，或赋予结构材料表面特种功能或更好的装饰特性等。结构的破坏往往从材料的表面损伤开始，如腐蚀、磨损、高温氧化直至疲劳断裂。采用适当的表面防护技术，可按需改善结构材料的表面性能，从而有效地延长结构使用寿命[1]，节约资源，保护环境。水陆两栖飞机由于使用环境恶劣，需要采用先进的表面防护技术，在结构材料表面形成防护屏障，最大限度地减少环境的危害，提高水陆两栖飞机的结构完整性、使用寿命和可靠性。

文中通过分析某水陆两栖飞机的工作环境及其防护体系失效的特点[2-3]，以涂层防护体系失效的试验方法[4-9]为基础，选取腐蚀环境中较为苛刻的因素——盐雾，选用飞机结构最常用的2024 铝合金为基材，开展用于飞机结构内外表面的不同防护体系的耐盐雾对比试验，获得耐盐雾腐蚀性能最优的表面防护体系。

1 试验

1.1 材料

试验选用2024-T351 铝合金涂层平板试件9 组（共27 件），规格为200 mm×100 mm×1.5 mm。其中内部防护体系5 组，详见表1；外部防护体系4 组，详见表2。试验前，在所有试件正反面预制相互垂直、穿透涂层的 “十” 字划痕。

表1 2024 铝合金内部防护体系试件清单Tab.1 List of internal protection system test pieces for 2024 aluminum alloy

表2 2024 铝合金外部防护体系试件清单Tab.2 List of external protection system test pieces for 2024 aluminum alloy

1.2 目的和内容

试验的目的为优选出飞机结构内、外部耐盐雾腐蚀性能优异的防护体系，能区分出各防护体系的性能优劣即停止试验。试验采用逐步加重腐蚀环境的加速腐蚀试验方法，依次选用3 周期中性盐雾+3 周期酸性盐雾+4 周期模拟海水盐雾，进行共计10 周期的逐步严苛的加速腐蚀试验，优选获得飞机结构内、外部抗腐蚀性能更优的表面防护体系。

1.3 盐雾试验条件

盐雾试验条件见表3，模拟海水成分见表4。

表3 盐雾试验条件Tab.3 Conditions of salt spray test

表4 模拟海水成分Tab.4 Composition of simulated seawater

1.4 试验流程

盐雾加速腐蚀试验流程如图1 所示。

图1 盐雾加速腐蚀试验流程Fig.1 Process of accelerated corrosion test of salt spray

2 试验结果

为了最大限度地压缩试验周期，尽快优选出耐盐雾性能更优的飞机结构内、外部防护体系，试验选用依次严苛的中性-酸性-模拟海水盐雾。9 组防护体系同步启动试验，采用周期循环盐雾试验-淘汰模式，耐盐雾性能较差体系在失效后提前退出试验，各防护体系耐盐雾性能由劣到优分出优劣即停止试验。各防护体系经过10 周期（依次使用3 周期中性盐雾+3 周期酸性盐雾+4 周期模拟海水盐雾）的循环盐雾试验后，根据防护体系的宏观腐蚀形貌和腐蚀扩展情况，优选出耐盐雾腐蚀性能最佳的表面防护体系。

内部防护体系加速腐蚀10 周期后宏观腐蚀情况见表5，内部防护体系耐盐雾性能最优的Q 体系10周期循环盐雾试验后的宏观腐蚀形貌如图2 所示。其中，耐盐雾性能较差的G 和K 体系分别在完成前4个和5 个周期的循环盐雾试验后，涂层就发生大面积鼓泡，完全丧失防护能力。确认其耐盐雾腐蚀性能低劣，即提前退出试验，优先淘汰G 和K 体系。其余3个体系在同步完成10 个周期的试验分出优劣后停止试验。

表5 内部防护体系试件加速腐蚀10 个周期后试验结果Tab.5 Test results of test pieces used for internal protection systems after 10 cycles of accelerated corrosion test

图2 Q1—3 试件加速腐蚀10 周期照片Fig.2 Photos of test pieces Q1—3 after 10 cycles of accelerated corrosion test:a) original; b) after 5 cycles of corrosion; c) after 10 cycles of corrosion

外部防护体系加速腐蚀10 周期后宏观腐蚀情况见表6。外部防护体系耐盐雾性能最佳的B 体系10周期循环盐雾试验后的宏观腐蚀形貌如图3 所示。耐盐雾性能较差的A 体系经过前4 个周期的盐雾试验后，涂层鼓泡失效，退出试验，优先淘汰A 体系。其余3 个体系同步完成10 个周期的盐雾试验后停止试验。

3 结果分析

9 组2024 铝合金平板试件加速腐蚀10 个周期后，各防护体系呈现出不同的耐盐雾优劣性能。分别对照各防护体系宏观腐蚀形貌和表征涂层损伤程度的失光率变化曲线，最终得出防腐蚀性能最佳的表面防护体系。内部表面防护体系失光率随试验时间的变化曲线如图4 所示。外部表面防护体系失光率随试验时间的变化曲线如图5 所示。

从图4 中可以看出，内部防护Q 体系（铬酸阳极化+10P4-X 底漆）10 周期盐雾试验后失光率控制在10%以内，呈现出优异的耐盐雾腐蚀性能。H 体系（铬酸阳极化+TB-X 底漆）、J 体系（硫酸阳极化+TB-X底漆）10 周期失光率分别在10%和30%左右，H 体系整体偏大一些。这两个体系耐盐雾性能也相对较优。G 体系（阿洛丁氧化+ TB-X 底漆）和K 体系（微弧氧化+TB-X 底漆）仅在3 周期盐雾试验后失光率剧增至20%，G 体系4 周期盐雾试验后失光率高达90%，K 体系失光率近60%。参照涂层失光老化判定标准[10]，其等级分别达到5 级（完全失光）和4级（严重失光），H、J 两个防护体系失光等级评定均≤2 级（轻微失光），Q 体系失光等级为1 级（很轻微失光）。

表6 外部防护体系试件加速腐蚀10 个周期后试验结果Tab.6 Test results of test pieces used for external protection systems after 10 cycles of accelerated corrosion test

图3 B1—3 试件原始、5、10 周期照片Fig.3 Photos of test pieces B1—3 of original state and after 5 and 10 cycles of corrosion:a) original, b) after 5 cycles of corrosion; c) after 10 cycles of corrosion

图4 内部防护体系10 周期试验失光率变化曲线Fig.4 Curves of loss rate of internal protection systems in 10 cycles of test

图5 外部防护体系10 周期试验失光率变化曲线Fig.5 Curves of loss rate of external protection systems in 10 cycles of test

由图5 可知，外部防护B 体系（铬酸阳极化+10P20-X 底漆+ECL 面漆）10 周期盐雾试验后失光率为12%左右，失光等级为1 级（很轻微失光），该体系耐盐雾腐蚀性能较优。I 体系（铬酸阳极化+ TB-X底漆+TS-X 面漆）和L 体系（微弧氧化+TB-X 底漆+TS-X 面漆）10 周期试验后失光率基本相当，失光评定等级均为≤2 级（轻微失光）。而耐盐雾腐蚀性能较差的A 体系（阿洛丁+10P20-X 底漆+ECL 面漆）仅在4 个周期试验后失光率就达到了35%，失光评定等级为3 级（明显失光），其盐雾耐受性能难以令人满意。

结合试件宏观腐蚀形貌，G、K 内部防护体系耐盐雾腐蚀性能较差，仅在中性盐雾腐蚀3 周期后，涂层就呈趋势性大范围鼓泡，涂层开始失效，腐蚀损伤甚至延伸至表处层。外部防护A 体系经过4 周期的盐雾试验，涂层也出现明显的鼓泡，涂层已彻底失去防护能力。综合内外部防护体系宏观腐蚀形貌和失光率情况来看，阿洛丁氧化和所配套的三套涂层系统的盐雾适应性较差，对于在工作环境中经常接触到盐雾的水陆两栖飞机而言，应避免大面积选用阿洛丁处理和与其配套的上述防护体系，更推荐选用对耐盐雾腐蚀有明显优势的铬酸阳极化配套的涂层防护体系。此外，随着涂层失光率的增大，试件表面发生明显的鼓泡、开裂。随着失光率剧烈变化，涂层鼓泡数量和面积显著增加，局部剥落露出表处层。不同表面处理防护体系的宏观腐蚀结果和涂层体系失光率随时间变化曲线相吻合。综合考察各涂层体系宏观腐蚀形貌和失光率，涂层体系宏观腐蚀进程近似正相关于涂层失光率。

4 结论

9 组试件经过10 周期的盐雾加速腐蚀试验，各防护体系耐盐雾腐蚀性能如下：

1）内部表面防护体系的防腐性能优劣排序为：Q 体系（铬酸阳极化+10P4-X 底漆）、J 体系（硫酸阳极化+TB-X 底漆）>H 体系（铬酸阳极化+TB-X 底漆）>K 体系（微弧氧化+TB-X 底漆）>G 体系（阿洛丁+TB-X 底漆）。综合表面处理层膜层厚度和疲劳性能因素，内部防护体系推荐采用Q 体系。

2）外部表面防护体系的防腐性能优劣排序为：B体系（铬酸阳极化+10P20-X 底漆+ECL 面漆）>I 体系（铬酸阳极化+TB-X 底漆+TS-X 面漆）>L 体系（微弧氧化+TB-X 底漆+TS-X 面漆）>G 体系（阿洛丁+10P20-X 底漆+ECL 面漆）。外部防护体系推荐采用B体系。