某型直升機機體結構關鍵件涂層耐久性評估

李健，劉帥帥，吳云章，李宗原

（1. 陸軍航空兵研究所，北京 101121；2. 陸軍航空兵學院，北京 101121）

直升機在內陸濕熱和沿海地區等腐蝕較嚴重環境下服役期間，機體結構某些部位會發生腐蝕損傷，嚴重影響直升機的正常飛行[1]。這些腐蝕關鍵部位的損傷是決定直升機結構腐蝕修理間隔及日歷壽命的重要依據，而其腐蝕損傷的出現主要是由于機體結構表面涂層失效，從而必須研究直升機機體結構關鍵件涂層的耐久性，為后續涂層維護、直升機腐蝕防護和日歷壽命延壽提供理論支撐[2-6]。

有機涂層是直升機普遍采用的腐蝕防護手段。在直升機實際服役過程中（如飛行或露天停放時），有機涂層不可避免地遭受太陽輻射、降水等的作用，其防護性能往往由于自然環境因素的影響而發生退化[7-12]。此外，實際工程經驗表明，在力學因素與環境因素疊加的服役狀態下，涂層的失效過程變得更明顯[13-17]。例如，由于結合力的存在，涂層的內部應力一般是平行于合金基體表面的，但是連接部位的應力情況比較復雜，幾何構型變化導致涂層在各種結構連接部位和邊角上容易發生早期裂紋。

涂層在使用過程中，由于受到內外因素的綜合影響，逐步失去原有的優良性能，以致最后喪失使用價值，這個過程是涂層的老化[18-23]。影響涂層老化的因素主要有熱作用、光作用、氧化作用、微生物的作用和日光（紫外線）因素等。一般認為，老化過程主要是游離基的反應過程。當涂層受到大氣中的氧、光、熱等作用時，使涂層中主要成膜物質的分子鏈斷裂，形成非常活潑的游離基，這些游離基能進一步引起整個主要成膜物質分子鏈的分解，最后導致涂層老化變質。

某型直升機在內陸溫和地區服役至總日歷期消耗殆盡，總疲勞壽命使用不足30%，日歷壽命與疲勞壽命不匹配問題突出。文中檢查的3 架次直升機擔負的主要任務為空中運輸，均已經過4 次翻修期，疲勞壽命使用不足22%，而日歷壽命均已到壽，該型直升機進行日歷壽命延壽成為亟待解決的問題。目前，國標中對于涂層評估的依據主要是變色、粉化、起泡、開裂等單項老化損傷程度。此類評估主要針對涂層局部部位，無法給出涂層整體的耐久性。采用電化學阻抗法，通過測量涂層阻抗值，評估涂層的老化程度，成為目前涂層耐久性評估的主要方法。本文就某型直升機機體結構關鍵件涂層開展目視檢查、光澤度測試和電化學阻抗測試，通過與對照涂層對比涂層光澤度和電阻抗模值等數據，分析該型直升機機體結構關鍵件涂層耐久性的影響因素，得出涂層耐久性較好，能夠有效阻止腐蝕環境對機體結構關鍵件損傷的結論。

1 機體結構關鍵件和涂層

直升機主要由旋翼系統、機身、機身框架、尾槳系統、傳動系統、動力裝置和起落架等組成，機身主要由主體結構和尾部結構組成。機體結構主要為直升機的骨架，用于支撐直升機主體，承載機載結構，如起落架、主承力框、主承力梁等部位。某型直升機機體結構關鍵件為起落架、7 框、10 框和13 框等部位。起落架為機體外露部位，漆層破損容易觀測，主要為疲勞裂紋對其的影響，外場和大修過程中無該類故障。機體內部主框主梁等關鍵件涂層底漆為鋅黃環氧H06-2，面漆為醇酸漆C04-2，且受裝修遮擋，避免了大量外部維修的碰撞和光老化等因素的影響。

2 試驗方法

評估機體結構涂層耐久性主要包括目視檢查、光澤度測試和涂層電化學阻抗測試。對某型直升機機體結構重要承力部件防護涂層進行目視檢查，對涂層開裂、起泡、脫落等情況進行拍照分析。

參考GB/T 9754—2007《色漆和面漆 不含金屬顏料的色漆之20°、60°、85°鏡面光澤的測定》，檢測涂層老化前后光澤度的變化，試驗儀器為 micro-TRI-gloss 三角度光澤儀，測量角度為60°。利用式（1）計算涂層的失光率：

式中：G為涂層失光率；A、B為老化前后的光澤度值。

采用便攜式電化學現場評測裝置，對帶有機涂層的金屬部件進行局部阻抗譜評測。首先，選取待測試部位，并根據待測試部位材料和位置的特點選取探頭類型；然后，固定探頭及電極材料，用導線將其與便攜式電化學現場評測裝置連接，構成三電極體系；最后，啟動便攜式電化學現場評測裝置，測試時間為10～20 min。

3 結果與討論

3.1 目視檢查結果

在目視檢查中，未發現大面積腐蝕損傷，防護涂層表面大部分完整、光亮，部分涂層有開裂和起泡現象，面積較小。與處于新修復狀態的機身內部框梁防護涂層相比，涂層顏色無明顯差異。機身內部承力結構防護涂層的典型外觀如圖1 所示。

圖1 機身內部承力結構防護涂層的典型外觀照片Fig.1 Typical appearance of the protective coating of the internal load-bearing structure of the fuselage

機身內部其他部位防護涂層存在腐蝕損傷現象，腐蝕損傷的主要形貌包括以下幾種：

1）7 號框與機身頂部的連接部位出現防護涂層開裂的現象，且開裂較多出現在密封膠厚度不均勻的區域，在開裂的防護涂層附近，還有少量發動機滑油積存。由于該連接部位上方的機身外部為發動機承載部位，經咨詢機組，發動機在使用過程中存在滑油滲漏情況。因此，防護涂層開裂是由滲漏的發動機滑油通過結構縫隙向下滲透，對密封膠和防護涂層造成破壞導致的。機身內部7 號框與機身頂部的連接部位防護涂層開裂的典型外觀照片如圖2 所示。

圖2 7 號框與機身頂部的連接部位防護涂層開裂的典型外觀照片Fig.2 Typical appearance of cracked protective coating between frame 7 and top of the fuselage

2）機身蒙皮與機身外部結構鉚釘連接區域出現防護涂層起泡、開裂現象，部分鉚釘位置出現紅銹。推測這是由于鋼質鉚釘與鋁合金蒙皮之間發生了電偶腐蝕，腐蝕產物在鉚釘附近有機涂層與合金板材之間的界面形成，然后沿連接部位的縫隙發展、堆積，最后防護涂層由于應力過高而發生破裂，腐蝕產物暴露在漆膜表面。機身蒙皮與機身外部結構鉚釘連接區域的防護涂層腐蝕損傷典型外觀照片如圖3 所示。

圖3 機身蒙皮與機身外部結構鉚釘連接區域防護涂層腐蝕損傷典型外觀照片Fig.3 Typical appearance of corrosion damage of protective coating in rivet connection between fuselage skin and external structure of fuselage

3）6 號框與機身蒙皮的連接部位出現防護涂層起泡的現象，一些位置防護涂層已經破損，露出白色腐蝕產物。推測初始狀態下6 號框與機身蒙皮連接部位的防護涂層覆蓋不完整或存在缺陷，在降水、凝露的作用下，有機涂層下鋁合金基體發生局部腐蝕后生成腐蝕產物，并在有機涂層與合金板材之間的界面堆積，導致涂層鼓起。腐蝕沿著漆膜結合力較弱的方向發展，并相互連接，形成片狀區域。機身內部6 號框與機身蒙皮連接部位防護涂層起泡的典型外觀照片如圖4 所示。

圖4 6 號框與機身蒙皮的連接部位防護涂層起泡的典型外觀照片Fig.4 Typical appearance of protective coating blistering at the connection between frame 6 and fuselage skin

4）非重要承力框梁的防護涂層出現表層起皮現象，部分起皮區域的涂層已經剝落，但下方仍有涂層保護鋁合金基體。發生表層起皮剝落的區域比較隨機，未發現與結構部位、構型明顯相關。由于機身結構在歷次維修過程中都需要打磨、重新噴漆，而此時漆膜表面的狀態直接影響新涂層的結合強度。因此，推測防護涂層表層的起皮剝落是由于新防護涂層施工前對原有防護涂層的打磨不徹底，從而與原有防護涂層之間結合力較弱。機身內部9 號框防護涂層表層起皮的典型外觀照片如圖5 所示。

圖5 非重要承力框梁的防護涂層表層起皮的典型外觀照片Fig.5 Typical appearance of protective coating surface peeling of non-essential load-bearing frame beams

上述通過目視檢查發現的機身內部重要承力部件防護涂層腐蝕損傷均存在于外露部位。這類腐蝕損傷可在直升機機體結構修理過程中通過打磨、重新噴漆得到修復。機體結構關鍵件涂層耐久性評估不能僅依賴目視檢查，還需通過測定涂層光澤度及電化學阻抗譜等定量化的檢測技術，進行涂層性能評估。

3.2 光澤度測試結果

對直升機機體結構防護涂層的光澤度進行測量，測量位置主要為7、10 號框的頂部側面、頂部下端面，以及7 號框右部的下側、中間、上側，如圖6 所示。以2021 年12 月新完成大修出廠的直升機7 號框、10號框防護涂層的光澤數據作為原始比對數據，計算各位置防護涂層的失光率。涂層60°光澤度測試，在同一部位分別取3 處不同位置測試后取平均值，各部位60°光澤度平均值和失光率平均值見表1。

表1 各位置防護涂層光澤度和失光率Tab.1 Protective coating gloss and gloss loss rate at different positions

圖6 7 號框頂部防護涂層的光澤測試照片Fig.6 Gloss test of top protective coating on frame 7

從機體結構有機涂層失光率檢測發現，失光率檢測14 處，平均失光率為37.8%，整體失光率較小，普遍在50%以內。7 號框頂部防護涂層的失光率在35.0%～65.1%（3 架次7 號框光澤度和失光率見圖7），明顯高于10 號框頂部防護涂層的失光率（7.0%～26.9%），2 架次10 號框光澤度和失光率見圖8。7 號框右側中間、下側防護涂層的失光率分別為46.4%、71.5%，也明顯高于10 號框防護涂層的失光率，只有7 號框右側上側的失光率（12.5%）較低。3 架次直升機相同測試點失光率相差不大，機身內部除部分框架在窗口附近，整體受光照的影響較小。

圖7 7 號框光澤度和失光率對比Fig.7 Comparison of gloss and gloss loss rate of frame 7

圖8 10 號框光澤度和失光率對比Fig.8 Comparison of gloss and gloss loss rate of frame 10

整體看，7 號框的平均失光率為47.03%，10 號框的平均失光率為17.53%，7 號框失光率明顯大于10 號框。這是因為7 號框處于直升機窗口附近，外部光線能夠直接對涂層產生損傷影響。在紫外線的作用下，防護涂層的樹脂高分子鏈發生光引發鏈增長、鏈終結等系列反應，最后分子鏈發生斷裂，分子鏈降解產物如小分子醇、醚等揮發離開有機涂層。隨著老化降解，有機涂層防護性能逐漸退化，在宏觀上表現為光澤度的下降。光的化學分解老化起主要作用，其中紫外線影響是涂層光失效的主要部分。

3.3 電化學交流阻抗測試結果

電化學阻抗譜可以給出豐富的有機涂層老化信息，能夠支撐有機涂層防護性能的評估，測試充分利用電化學原位測試手段評估有機涂層的退化。對3 架次某型直升機7 號框、10 號框防護涂層的電化學阻抗譜進行了測量，測量位置主要為7、10 號框的頂部側面、頂部下端面，以及7 號框右部的下側、中間、上側，部分測量見圖9、10。由于電化學阻抗譜的詳細解析比較復雜，通常采用電化學阻抗譜中低頻部分的阻抗模值作為檢測有機涂層防護性能變化的指標。

圖9 7 號框頂部防護涂層的電化學阻抗譜測試照片Fig.9 Electrochemical impedance spectroscopy test of the protective coating on the top of frame 7

圖10 6 號框附近蒙皮防護涂層起泡區域的電化學阻抗譜測試照片Fig.10 Electrochemical impedance spectroscopy test of the blistered area of the skin protective coating near frame 6

3 架次某型直升機7、10 號框各位置防護涂層的特定頻率電化學阻抗模值見表2。由于現場無法對新大修出廠的防護涂層進行電化學阻抗譜測試，以典型航空用底漆TB06-9 鋅黃丙烯酸聚氨酯的特定頻率電化學阻抗模值作為比對依據。7B04 鋁合金、硫酸陽極化和TB06-9 鋅黃丙烯酸聚氨酯底漆試樣的|Z|f=0.1Hz約為5×108Ω·cm2。

表2 各位置防護涂層的特定頻率電化學阻抗模值（|Z|f=0.1 Hz）Tab.2 Specific frequency electrochemical impedance modulus value of the protective coating at different positions (|Z|f=0.1 Hz)

從機體結構有機涂層電化學阻抗檢測發現，電化學阻抗檢測14 處，平均電化學阻抗模值|Z|f=0.1Hz為5.58×107Ω·cm2，在失效判據以上。7、10 號框頂部側面、下端面防護涂層的電化學阻抗模值與這一數值基本持平或微微下降，|Z|f=0.1Hz最多下降了1 個數量級。這說明經過1 個大修周期的服役后，7、10 號框等重要承力部件的防護涂層都還具有阻擋腐蝕介質的作用，使鋁合金基體免于腐蝕破壞。文獻[24-25]給出涂層失效判據的研究結果為平均電化學阻抗模值大于3×106Ω·cm2，涂層整體有效性和耐久性較好。7 號框的電化學阻抗模值平均值為4.29×107Ω·cm2，10 號框為6.875×107Ω·cm2，二者相差不大。6 號框附近涂層起泡區域電化學阻抗模值為 8.3×105Ω·cm2，小于3×106Ω·cm2，認定涂層的有效性較差，需對此處涂層進行修復。

4 結論

1）機體涂層的耐久性受溫度、濕度、光照等因素的影響，受該型直升機服役環境、機身局部環境的影響，涂層的耐久性較好，能夠有效保護金屬基體。部分涂層受機窗外光照直射影響，有起泡現象，防護作用下降明顯，建議在大修中進行更換。

2）涂層耐久性檢查評估中，目視檢查為定性檢查手段，涂層光澤度測試和電化學交流阻抗測試能夠給出涂層耐久性相關數據，能夠更好地支撐涂層耐久評估。

3）某型直升機7 號框失的光率均值為47.03%，10 號框的失光率均值為17.53%，3 架次直升機涂層整體的失光率均值為37.84%，7 號框的失光率大于10 號框。

4）某型直升機7 號框的交流阻抗平均膜值為4.29×107Ω·cm2，10 號框的交流阻抗平均膜值為6.875×107Ω·cm2，二者相差不大。6 號框附近涂層起泡區域的電化學阻抗模值為8.3×105Ω·cm2，涂層有效性較差，需進行修復。