民用飞机底色漆桔皮缺陷分析及防控

赵紫龙，徐 武

（1上海交通大学航空航天学院 上海 200240）

（2中国商用飞机有限责任公司上海飞机制造有限公司 上海 201324）

0 引言

2009年，PPG公司首次对外正式公布其研制的底色漆/清漆涂层体系，即BC/CC（Base Coat/Clear Coat）涂层体系，开启了航空涂料应用的新篇章[1]。随后，国内逐步开始研究应用底色漆/清漆涂层体系，并取得了阶段性成果。

我国汽车产业起步较早，因此各类涂层体系外观缺陷的研究主要集中在汽车行业。而民用航空飞机外观缺陷的研究相对较少，尤其是BC/CC涂层体系外观桔皮缺陷影响因素的研究方面，更是存在较大空白。

底色漆/清漆涂层体系由环氧底漆、高遮盖力的底色漆以及透明清漆组成，见图1。尽管底色漆/清漆系统与其他涂层相比，表现出更耐紫外线、施工效率高、减重降本等优异性能[2]，但在涂层施工过程中底色漆容易产生桔皮缺陷，影响外观质量。底色漆桔皮是涂层干燥后，表面漆膜不光滑，呈现出如桔子皮一样的外观状态，见图2。

整机喷漆是飞机制造过程中的重要环节，除满足防腐要求外，其外观质量往往影响着企业的品牌形象，决定了客户对交付飞机产品的满意度[3]。而底色漆桔皮是影响涂层外观质量的主要缺陷之一，研究工艺参数对桔皮程度的影响具有十分重要的意义。

1 底色漆桔皮影响因素分析

底色漆施工在工件表面后，在自身重力及漆层表面张力的共同作用下，漆层内部产生流动。表面溶剂挥发速度大于内部挥发速度，使涂料从内部向表面运动（由张力低向张力高运动）。以上运动反复进行，直到涂料粘度增加到阻止这种运动为止。按照Helmholtz流动分配理论，涂料的这种“对流”将在漆层表面形成不规则六角形网格，干燥后形成了桔皮[4]。

为了定位影响底色漆桔皮产生的主要原因，探究桔皮与主要影响因素之间的关系，制订最佳工艺方案，使用鱼骨图从“人、机、料、法、环”5方面，对影响底色漆桔皮形成的主要原因进行分析，见图3。

根据经验分析，喷涂压力、底漆厚度、底色漆厚度、机库温度是影响底色漆桔皮产生的重要因素，其中底漆膜厚、底色漆膜厚两个因素对桔皮的产生影响尤为显著。通过实验研究这两个因素对桔皮产生的影响有着重要的现实意义，实验结果可以有效指导底色漆的施工，改善底色漆桔皮缺陷。

2 底色漆桔皮对比实验

实验采用控制变量法，试板均使用尺寸为500×500×1 mm的铝合金试板并辊弯，试片统一经过冷氧化处理。喷涂设备使用空气辅助无气喷枪，型号Graco PRO XS4AA。桔皮测量使用桔皮鲜映仪，型号BYK4840。

桔皮鲜映仪（以下简称“桔皮仪”）通过数据客观反映入射光与接收光之间的比例，量化油漆表面0～0.1 mm（du）、0.1～0.3 mm（wa）、0.3～1 mm(wb)、1～3 mm（wc）、3～10 mm（wd）、10～30 mm（we）6个波纹区间微观结构与油漆表面桔皮程度的关系，建立测量值与视觉外观的直接对应关系。长波lw与wc、wd值相关，短波sw与wa、wb值相关[5]。

根据经验，长波桔皮可以提高油漆的丰满度，但we的值不宜过高，否则漆膜表面将形成肉眼易察觉的波纹。但是，长波桔皮容易让油漆表面产生明暗交界线，这将大大降低外观效果。如果能在大桔皮的暗区增加一些短波桔皮，使得暗区的漫反射增加，则可以在获得较高漆膜丰满度的同时，降低漆膜表面产生的明暗交替起伏。同时，结合底色漆施工经验各测量值理想量化值范围，见图4。

图4中横轴为6个漆膜波纹微观尺寸，即du、wa、wb、wc、wd、we。纵轴为量化值，即人为定义的漆膜表面不同微观尺寸桔皮程度与视觉效果关系的量化参数，量化值越大则对应的桔皮程度越高，量化值越小则对应的桔皮程度越低。

理论上来说，以上6个参数都是越小越好，但实际上不存在理想的反射平面，想要改善底色漆桔皮，需要通过实验找到底漆厚度、底色漆厚度对6个测量值的影响，从而选择最佳施工参数，获得最佳外观状态。

2.1 底漆厚度对底色漆桔皮的影响

底漆厚度按0.2 mil递增，从0.4～2.0 mil设置9个对比实验组，每个实验组3块试片，底色漆喷涂厚度2.0±0.2 mil，室温控制在25 ℃，喷涂压力0.5 MPa，试片干燥后使用桔皮仪测量每组试片的du、wa、wb、wc、wd、we、sw、lw值，若每组内3块试片的以上各值差距较大则重新进行试片喷涂，若每组3块试片的以上各值相差在5%范围内则对3组数据取平均值并进行记录，见表1～2。

表1 底漆厚度对底色漆桔皮的影响实验方案

表2 底漆厚度对底色漆桔皮的影响实验结果

通过改变底漆厚度，6个测量值也随之发生变化，将其随喷涂底漆的变化情况绘制成折线图。底漆厚度改变对底色漆桔皮6个测量值的影响情况见图5，对长短波的影响趋势见图6。

从图5可以看出，随着底漆厚度的增加，不同漆膜波纹尺寸的量化值整体趋势均有所升高，即桔皮程度越明显，因此，理论上底漆越薄则底色漆桔皮程度越小，外观质量越好。

对比图5和图4，du值均高于理想数值，这与底色漆本身性质有关，容易形成肉眼不易察觉的微观结构尺寸。底漆厚度控制在0.6～1.2 mil范围内时，wa、wb、wc、wd值较低且在理想数值范围内，同时，we值随着底漆厚度增加而增加，漆层外观效果较低，因此施工过程中应尽量控制底漆厚度，在避免“干喷”的前提下，底漆尽量越薄越好。

进一步观察图6，长波和短波随底漆厚度的增加，整体变化也呈上升趋势，底漆厚度最佳喷涂范围为0.4～0.8 mil，即使受施工区域复杂度限制，关键区域（如：登机门周围、机身下部等）的底漆厚度也应该尽量控制在1.2 mil以下，以便获得最佳的底色漆外观，降低桔皮产生的可能性。

2.2 底色漆厚度对底色漆桔皮的影响

底色漆厚度按0.2 mil递增，从1.2 mil至2.4 mil设置7个对比实验组，每个实验组3块试片，底漆喷涂厚度0.6±0.05 mil，室温控制在25 ℃，喷涂压力0.5 MPa，试片干燥后使用桔皮仪测量每组试片的du、wa、wb、wc、wd、we、sw、lw值，若每组内3块试片的以上各值差距较大则重新进行试片喷涂，若每组3块试片的以上各值相差在5%范围内则对3组数据取平均值并进行记录，见表3～4。

表3 底色漆厚度对底色漆桔皮的影响实验方案

表4 底色漆厚度对底色漆桔皮的影响实验结果

通过改变底色漆厚度，6个测量值也随之发生变化，将其随喷涂底色漆的变化情况绘制成折线图。底色漆厚度改变对底色漆桔皮6个测量值的整体影响情况见图7，对长短波的影响趋势见图8。

从图7可以看出，随着底色漆厚度的增加，不同漆膜波纹尺寸的量化值整体趋势逐渐降低，底色漆厚度达到2.0 mil时达到最低值，底色漆膜厚超过2.0 mil以后，各漆膜波纹尺寸的量化值明显增加。对比图7和图4，底色漆厚度在1.6～2.0 mil范围内du值较低，接近理想范围。底色漆在1.2～2.4 mil范围内，wa、wb、wc值均较低，底色漆在1.6～2.0 mil范围内，wd值较为理想，但we值均较高，超出理想范围。因此，在施工过程中应尽量将底色漆厚度控制在1.6～2.0 mil范围内，以获得较为良好的外观效果。

进一步观察图8，长波和短波随底色漆厚度的增加，整体变化也呈先下降再上升的趋势，底色漆厚度在1.6～2.0 mil范围内，获得最佳涂层外观，桔皮程度最低，当底色漆厚度超过2.0 mil以后长波桔皮值显著增加。经分析，底色漆越厚则需要分多道进行喷涂，增加了桔皮产生的风险。因此，在施工过程中应在保证底色漆达到均匀平涂并达到遮蔽上道涂层的前提下，尽可能保证涂层厚度在2 mil以下，并通过一道喷涂一次性达到所需厚度，以降低桔皮产生的概率。

3 结语

本文重点论述了底漆厚度和底色漆厚度两个因素对于底色漆桔皮缺陷的影响，掌握了两个因素对于桔皮影响的规律，确定了最佳施工参数范围，形成主要结论如下。

（1）当底漆厚度从0.4 mil增加到2.0 mil的过程中，桔皮整体呈增加的趋势，底漆越厚越容易引起底色漆的桔皮，因此底漆施工厚度应控制在0.4～0.8 mil。

（2）底漆施工在0.4 mil时容易引起“干喷”，对短波桔皮的产生有一定影响，故底漆最佳施工值在0.6 mil左右。

（3）当底色漆厚度从1.2 mil增加到2.4 mil的过程中，桔皮呈先下降再上升的趋势，在1.6～2.0 mil范围内桔皮程度达到最低，因此底色漆施工厚度应控制在1.6～2.0 mil。

（4）底色漆通过多道施工极易造成长波桔皮增加，故底色漆应通过单道涂层施工达到最佳厚度范围，降低长波桔皮产生的风险。

通过对底色漆桔皮缺陷影响因素的分析及防控措施的制定，可有效改善国产民用飞机的外观质量，提升产品形象，提高客户满意度，让国产大飞机在国际市场的竞争中具有更高的品牌竞争力。