航空聚氨酯涂層老化分析

張丹 峰，王玉剛，譚曉明

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，青島 266041）

航空聚氨酯涂層老化分析

張丹 峰，王玉剛，譚曉明

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，青島 266041）

隨著飛機(jī)服役時(shí)間的增長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)表面的有機(jī)涂層逐漸老化失效，最終導(dǎo)致機(jī)體金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕。基于某沿海機(jī)場(chǎng)的嚴(yán)酷環(huán)境條件，依據(jù)編制的適用于有機(jī)涂層的加速試驗(yàn)譜，開(kāi)展涂層加速老化試驗(yàn)，分析涂層老化規(guī)律。

聚氨酯涂層；7B04；加速老化試驗(yàn)；老化

引言

在嚴(yán)酷的海洋環(huán)境下飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的有機(jī)涂層對(duì)飛機(jī)的可靠性和安全性至關(guān)重要。飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面使用有機(jī)涂層隔離金屬基體與水、氧氣及腐蝕介質(zhì)（Clˉ、SO2、H2S等）等因素的聯(lián)合作用，達(dá)到防止金屬基體腐蝕的目的。但隨著飛機(jī)服役時(shí)間不斷增加，有機(jī)涂層自身性能不斷下降，宏觀上呈現(xiàn)出褪色、粉化、龜裂和起泡等現(xiàn)象，最終會(huì)導(dǎo)致涂層與金屬基體在界面處剝離，完全失去腐蝕防護(hù)能力。圖1為某型飛機(jī)涂層老化圖片。

本文以航空聚氨酯涂層為研究對(duì)象制備涂層試樣，根據(jù)編制的某沿海地區(qū)加速試驗(yàn)譜開(kāi)展紫外線輻照、熱沖擊、低溫疲勞及鹽霧試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬和再現(xiàn)涂層外場(chǎng)服役條件下的失效模式和老化行為, 利用不同老化周期的涂層試樣，分析涂層老化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)件基材及試驗(yàn)件

本試驗(yàn)基材采用7B04鋁合金。該鋁合金具有較高的比強(qiáng)度，主要用于飛機(jī)的重要受力構(gòu)件，其主要化學(xué)成分如表1所示。

圖1 某型飛機(jī)涂層嚴(yán)重老化

試驗(yàn)件選擇厚度為1 mm的7B04鋁合金，將其裁剪為200 mm×100 mm×0.75 mm的試片備用，如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備（見(jiàn)表2）

1.3 涂層體系

本試驗(yàn)選用飛機(jī)普遍使用的涂層體系，面漆選擇TS70-1聚氨酯涂層，底漆為T(mén)B06-9鋅黃丙烯酸聚氨酯涂層，主要涂覆于飛機(jī)的蒙皮表面。面漆為雙組份涂料，A組分為異氰酸酯預(yù)聚物，B組分為由含羥基的丙烯酸酯等聚合物構(gòu)成[1-3]。

涂層的制備流程見(jiàn)圖3所示。

具體流程：按照GB 1727-92標(biāo)準(zhǔn)，將加工好的7B04鋁合金基材用120#砂紙手工打磨后依次用丙酮、酒精除油并清洗表面。先噴涂配比好的鋅黃底漆，待完全固化后，再噴涂面漆，控制厚度為80±3 μ m，而后放置在干燥器皿中在常溫下固化一周。用鐵磁性測(cè)厚儀選擇三個(gè)點(diǎn)測(cè)量試樣厚度，取平均值后選取符合厚度標(biāo)準(zhǔn)的30片涂層試樣，并分別編號(hào)。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 適用于聚氨酯涂層的某機(jī)場(chǎng)加速試驗(yàn)譜

通過(guò)對(duì)某機(jī)場(chǎng)多年實(shí)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)（溫度和紫外線照射強(qiáng)度）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和總結(jié)，得到該機(jī)場(chǎng)總體氣象譜。通過(guò)計(jì)算紫外線輻照時(shí)間當(dāng)量折算、潮濕空氣作用時(shí)間當(dāng)量折算、腐蝕介質(zhì)及循環(huán)次數(shù)的影響，得出該機(jī)場(chǎng)聚氨酯涂層的加速試驗(yàn)譜。按照該地區(qū)聚氨酯涂層加速試驗(yàn)譜，當(dāng)量加速試驗(yàn)256.2 h相當(dāng)于實(shí)際自然曝曬1年。

2.2 當(dāng)量加速老化試驗(yàn)

加速老化試驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括紫外線老化試驗(yàn)箱、鹽霧試驗(yàn)箱、高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱和低溫疲勞試驗(yàn)箱，如圖4所示。

按照青島地區(qū)聚氨酯涂層加速試驗(yàn)譜，實(shí)際自然曝曬1年當(dāng)量加速試驗(yàn)256.2 h，分別進(jìn)行紫外線輻照試驗(yàn)、熱沖擊試驗(yàn)、低溫疲勞試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)的循環(huán)試驗(yàn)。

表1 7B04鋁合金化學(xué)元素成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

圖2 涂層試樣示意圖

表2 試驗(yàn)設(shè)備

圖3 涂層制備流程圖

3 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

加速試驗(yàn)進(jìn)行1 024.8 h，按照不同的老化階段，分為9個(gè)周期，圖6所示為未老化與老化3、5、8、9周期的涂層試樣，取15 mm×15 mm的方塊，金屬裸露部分用環(huán)氧樹(shù)脂固封，保留測(cè)試面積1 cm2進(jìn)行比較。其余部分進(jìn)行編號(hào)。

從圖5中可以看出，不同老化周期的涂層試樣表面變化明顯。與未老化的涂層試樣相比，第5周期涂層試樣表面開(kāi)始起泡，到老化8周期試樣起泡數(shù)量增多，半徑增大，且氣泡破裂處有腐蝕產(chǎn)物析出。老化9周期的涂層試樣起泡更為嚴(yán)重，氣泡相互交聯(lián)貫穿，腐蝕產(chǎn)物明顯增多，從宏觀角度分析可以初步判斷，涂層在老化第9周期已經(jīng)失效。

圖4 加速老化試驗(yàn)設(shè)備

圖5 不同老化周期涂層試樣

4 結(jié)論

根據(jù)編制的某機(jī)場(chǎng)加速試驗(yàn)譜，制備聚氨酯涂層試樣，開(kāi)展了紫外線輻照試驗(yàn)、熱沖擊試驗(yàn)、低溫疲勞試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)，將試驗(yàn)分為0~9個(gè)周期，共1 188.64 h。通過(guò)分析聚氨酯涂層表面形貌變化，發(fā)現(xiàn)第8、9周期涂層起泡嚴(yán)重，并伴隨腐蝕產(chǎn)物析出，判斷此時(shí)涂層已經(jīng)失效。這與飛機(jī)結(jié)構(gòu)涂層實(shí)際使用壽命結(jié)論相吻合，在一定程度上驗(yàn)證了編制的涂層加速老化試驗(yàn)譜的合理性。

[1] 鄭天亮，張華，王軒，等.用EIS法研究丙烯酸聚氨酯涂層的光老化性能[J].航空學(xué)報(bào)，2007,28（3）:714-718.

[2] 劉文珽，李玉海，陳群志，等.飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕部位涂層加速試驗(yàn)環(huán)境譜研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2002,28（1）：109-112.

[3] 孫志華，章妮，蔡建平，等.航空用氟聚氨酯涂層加速老化試驗(yàn)研究[J].材料工程，2009,10:57-60.

Research on Aging Mechanism of Polyurethane Topcoat Applied in Aircraft

ZHANG Dan-feng, WANG Yu-gang, TAN Xiao-ming
(Naval Aeronautical Engineering Academy Qingdao Branch, Qingdao 266041)

With the increase of the aircraft service time, after organic coating of surface structure aging gradually, the metal of aircraft is corroded eventually.Based on the severe environmental conditions of a coastal airport, according to the organizational accelerative test load spectrum which is applicable to organic coating, the coating accelerated aging test is developed, and the coating aging principle is analyzed.

polyurethane coating; 7B04; accelerated aging test; aging

V216.2

A

1004-7204（2016）05-0038-03

張丹峰（1970-），女，遼寧岫巖人，博士，海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)副教授，主要從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)及壽命可靠性研究。