鎂合金部件冷噴涂純鋁防腐蝕涂層在艦載機上的應用研究

摘 要：鎂合金容易腐蝕的特性影響了其在艦載機上的廣泛應用，在鎂合金部件表面冷噴涂純鋁涂層，結合強度高、硬度高，解決了鎂合金容易腐蝕的問題，并且避免了常用表面處理方法的局限性，具有較好的經濟效益和軍事效益。

關鍵詞：鎂合金；腐蝕；冷噴涂；艦載機

鎂合金是實際應用中最輕的金屬結構材料，被譽為“21世紀綠色工程材料”，其密度小重量輕，僅為鋁合金重量的35%，比強度、比剛度、阻尼容限高，在航空航天領域有著較好的應用價值。我國已進入航空母艦時代，艦載機作為航空母艦上最主要的作戰武器，備受關注。鎂合金有著許多可用于艦載機的特性，但是鎂合金耐腐蝕性差，一些應用在鎂合金表面的防腐措施也存在一定的局限性，造成鎂合金在艦載機上的應用并不多。而鎂合金部件冷噴涂純鋁防腐蝕涂層是一種較好的措施，開展這方面的研究對我國現階段艦載機的發展具有重要意義。

1 鎂合金在艦載機上應用的意義

鎂合金在軍用飛機上的應用有著比較好的基礎，已經應用于飛機的各種壁板、整流罩、框架、翼尖、尾面、副翼及油箱等，以及發動機的零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結構、各種發動機箱體等，成功的例子很多。表1為美軍各型號飛機使用鎂合金的情況[1]，圖1為美軍B-36重型轟炸機鎂材料使用部位[2]。

可以說，鎂合金在軍用飛機上的應用有著很好的基礎，而艦載機的特殊性也對鎂合金有著很大的需求。減輕自身重量是艦載機的重要發展方向之一，而純鎂的密度為1.74g/cm3，約為鋁合金的2/3、鋅合金的1/3、鋼鐵的1/4、鈦合金的2/5。在艦載機上使用鎂合金減輕的重量，可以縮短飛機起降距離、提高的機動性能；可以更多地攜帶燃油，加大作戰半徑；可以增加攜帶彈藥的數量，提升戰斗力。戰斗機質量若減輕15%，可縮短飛機滑跑距離15%，增加航程20%，提高有效載荷30%；噴氣發動機結構減重1公斤，飛機結構可減重4公斤，升限高度可提高10米[3]。艦載飛機在著艦阻攔、起飛彈射時，都有較大的振動，而鎂合金減震性能優良，可以使艦載機承受更大的振動載荷。航空母艦相比于陸地空間小、電子設備多，電磁環境復雜，鎂合金良好的導電與導熱性能更有利于電磁屏蔽，提高艦載機抗電磁干擾能力。

2 易腐蝕是影響鎂合金在艦載機上應用的主要問題

鎂合金自然腐蝕電位極低，極易被腐蝕，而其中的雜質Fe、Ni、Cu等元素更是降低了鎂合金的耐腐蝕性。鎂合金在潮濕氣候環境下抗腐蝕性能更差，使其在航空產品上的應用受到諸多限制，在艦載機上應用的更少。很多國家的軍用標準和規范更是對鎂合金的使用做出限制，表2是適航條款和標準規范中鎂合金使用要求對比分析[4]。

航空母艦在大海上執行作戰任務，艦載飛機長期處于高溫、高濕和高鹽霧的海洋環境下，更易腐蝕，腐蝕后表面防護涂層老化、剝落，導致鎂合金部件基體材料腐蝕，造成艦載機飛行性能下降，安全使用壽命降低，影響艦載機的飛行安全和戰斗出勤率，使得鎂合金在艦載飛機上的應用限制更多，更慎重。世界上主要的航空母艦強國都非常重視鎂合金的研究與應用，鎂合金防腐涂層是主要的研究方向之一，但不同的鎂合金防腐蝕涂層技術效果不盡相同，防腐涂層的防腐蝕效果與圖層的結合強度、涂層硬度有關，冷噴涂技術的出現，解決了原有表面涂層方法的局限性。

3 現有鎂合金防腐蝕涂層技術的局限性

鎂合金防腐蝕涂層可以較好地解決鎂合金的腐蝕問題，對于鎂合金部件，不僅新制造的部件需要防護涂層，還需要對大修期間檢測到的腐蝕損傷面積進行修補復原。鎂合金部件表面涂層處理的技術比較成熟，應用也比較廣泛，圖2是常用表面涂層處理程序。

經美國航天制造工業與美國國防部對現有可用于鎂合金防護的技術進行評估，包括對環境影響及安全性的評估，這些技術都不同程度地存在局限性。

硬陽極氧化工藝。如運用DOW17法和HAE法生成氧化膜，以及鉻酸鹽轉化膜工藝（MIL-M-3171）對鎂合金進行防護，防腐蝕效果能夠滿足要求。但是，上述工藝中都含有六價鉻及氟化物、磷酸。六價鉻離子致癌，有害蒸汽危害操作人健康和污染環境，廢水中六價鉻的含量法律規定在1微克/m3以下，廢水處理成本大幅提高，使得這些工藝逐漸被淘汰。

離子氣相沉積（IVD）技術。在真空室中利用輝光離子放電，使純鋁以離子狀態加速沉積于工件上，可以獲得均勻的、致密的、牢固結合的鋁涂層，但由于真空室限制部件尺寸和難于局部面積修補，以及涂層有針孔等問題，不能適應艦載機鎂合金部件的修復要求。

商業電鍍鋁涂層工藝。這種技術可以使純鋁涂覆到底層板材料上，底層板材料被浸于非水狀并被一種惰性氣體完全封閉的溶液中，工藝要求在完全密封系統中操作，鍍層與鎂合金間結合不良，而且鍍鋁層不能滿足修補厚度恢復到原來尺寸的要求。

熱噴涂。包括大氣等離子噴涂（APS）及高速燃氣噴涂（HVOF），這兩種熱噴涂效果都存在一定的問題，不能令人滿意，主要是因為涂層中存在較大的殘余應力、氧化物含量高以及涂層氣孔率高，降低了耐腐蝕性能。

4 采用冷噴涂純鋁涂層技術解決鎂合金腐蝕問題

冷噴涂技術近年迅速發展，可以在各種材料上噴涂各種鋁金屬、合金、金屬陶瓷和陶瓷材料（如α-Al2O3、TiO2、Mno2等）的涂層。在美國，由國防部（DOD）牽頭，陸軍研究室（ARL）與海軍航空站（NavyAirdeport）聯合研發直升機鎂合金部件冷噴純鋁的涂層。陸軍研究室負責冷噴純鋁工藝，海軍航空站負責大修時對鎂合金部件的冷噴涂修復工作。陸軍研究室采用冷噴涂技術，在鎂合金ZE41A基件上，噴涂了市售商業純鋁（CP-Al）及兩種鋁合金Al-12Si和Al506，經對冷噴涂商業純鋁涂層工藝進行適當優化，獲得了致密均勻，與基體鎂合金結合牢固的防護涂層。

涂層性能。對鎂合金表面冷噴涂純鋁涂層的結合強度、硬度、耐腐蝕性進行試驗，以考核涂層性能。

（1）涂層與鎂合金結合強度

采用ASTM（美國材料實驗協會）標準C633-79（熱噴涂層粘結強度標準試驗方法）進行拉伸試驗，結果如表3所示。

從結果可見，用N2作工作氣體，預加熱到400℃，涂層與基體結合強度可達71.6MPa。

（2）涂層硬度

用微硬度計測量布氏硬度，結果如圖3所示：

可以看出，純鋁冷加工的布氏硬度為45，退火后降低到25，冷噴涂純鋁涂層硬度達到57。由于冷噴涂過程中純鋁粉末顆粒的強烈塑性，噴涂時產生應變硬化，所以涂層硬度更高。

（3）冷噴商業純鋁涂層耐腐蝕性能

美國陸軍與海軍航空司令部要求按美國材料與試驗協會的ASTMB117鹽霧試驗標準，用ZE41A材料的鎂合金板冷噴涂商業純鋁涂層厚度0.30mm樣品，進行鹽霧試驗，要求經受336小時涂層不損壞。試驗中，涂層經受1000小時鹽霧試驗仍基本完好，鎂合金基體無任何損傷。冷噴涂鋁涂層具有低氧化率、低孔隙率的特點，因此具有較好的耐腐蝕性能。國內某機構采用中性鹽霧試驗對冷噴涂鋁涂層的耐腐蝕性能進行了考察，結果證明冷噴涂鋁涂層具有非常好的耐腐蝕效果，試樣表面在500h左右開始出現鋁涂層的腐蝕，而鹽霧試驗進行1000h后仍未發生基體腐蝕。試驗結果見表4和圖4[5]。

鎂合金冷噴涂純鋁涂層的經濟性分析。美軍B-36轟炸機通過使用鎂合金實現減輕質量855kg，使航程擴大了190英里[6]，帶來了不菲的經濟和軍事效益。

據2001年公開的調查統計結果，美軍從1991年到2000年，某一種型號直升機的主傳動裝置，因腐蝕需要提前更換和修復的費用約為41億美元。2003年，美國海軍通過使用冷噴涂純鋁涂層，改善了鎂合金部件的耐腐蝕性，維修費用明顯減少，據其中一個制造公司的跟蹤統計，某一個型號直升飛機的21件鎂合金傳動裝置采用冷噴涂純鋁涂層后，比采用其他防腐措施的21件傳動裝置節省維修費用為61萬美元，其中，采用冷噴涂純鋁增加服役壽命減少的維修費用為40萬美元。美國材料評估局（MRB）的相關項目也得出類似結論，海軍與陸軍直升機鎂合金部件采用冷噴涂商業純鋁涂層，年度可節省經費數百萬美元。

5 結束語

在艦載飛機上使用鎂合金，可以帶來不菲的經濟和軍事效益，在鎂合金部件表面冷噴涂純鋁涂層，具有較高的結合強度和硬度，可以較好地解決鎂合金材料易腐蝕的問題。我國艦載戰斗機、直升機、預警機等都處于起步階段，盡早開展鎂合金應用的研究，具有非常重大的意義。

參考文獻

[1]趙懌，董剛，趙博.鎂合金在航空領域應用的研究進展[J].有色金屬工程，2015，5（2）：23-27.

[2]鐘皓，劉培英，周鐵濤.鎂及鎂合金在航空航天中的應用及前景[J].航空工程與維修，2002（4）：41-42.

[3]王軍武，劉旭賀，王飛超，等.航空航天用高性能超輕鎂鋰合金[J].軍民兩用技術與產品，2013（6）：21-24.

[4]唐正府，劉興科，任光明.航空發動機適航標準中鎂合金材料使用要求[J].航空標準化與質量，2014（6）：26-28.

[5]宇波，湯智慧，孫志華，等.超高強度鋼冷噴涂鋁涂層性能研究[EB/OL].中國腐蝕與防護網，2013-06.

[6]席俊杰，劉杰.高性能稀土鎂合金的研究及其應用[J].熱加工工藝，2014，43（10）：6-10.

作者簡介：楊立山（1969，09-），男，漢族，本科，海軍駐沈陽導彈專業軍事代表室，高級工程師，航空艦船設備科研生產質量監督和檢驗驗收。