張曉云¹，卡里莫娃C.A²，陸峰¹，達拉拉耶娃Т.И²，湯智慧¹，宇波¹

　　1 北京航空材料研究院，北京，中國，100095

　　2 全俄航空材料研究院，莫斯科，俄羅斯，107005

　　Email: xiaoyun.zhang67@yahoo.com

個人簡歷

　　張曉云（1967-），研究員。1991年碩士畢業后，一直在北京航空材料研究院從事航空材料的腐蝕與防護科研工作，專業領域涉及材料的環境試驗、腐蝕表征、表面處理、清洗和緩蝕等。獲部級科技成果進步一等獎1項、二等獎2項、三等獎9項；榮立航空工業集團個人三等功2次；發表第一作者論文35篇；申請專利3項。目前擔任北京航空材料研究院表面防護研究與工程技術中心主任，負責中心的全面技術工作。

張曉云

摘要：利用對接結構和搭接結構的試樣，通過鹽霧加速腐蝕試驗和循環疲勞模擬飛機結構所承受的環境和力學的聯合作用，對四種不同的防護涂層體系的防護性能進行了評價。結果表明：四種防護體系防護效果良好， 鉚釘連接處及試樣表面無明顯腐蝕破壞。四種防護體系防護效果優劣順序為： 2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆，采用 HM-109密封膠濕法裝配，并涂緩蝕劑； 2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆，并涂緩蝕劑； 2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆； 2層底漆AK-070 + 磁漆зп-140 + 磁漆AC-1115。

關鍵詞：結構試樣；防護涂層；加速實驗

　　1 、前言

　　連接件是飛機結構中典型的關鍵部件之一，其疲勞壽命直接影響結構的安全和壽命。沿海或海洋性環境下服役的飛機長期處于高溫、高濕、鹽霧的惡劣環境中，在交變載荷和環境因素的共同作用下，結構連接部位或其它薄弱環節，如腐蝕坑、機械劃傷等部位容易發生破壞，導致結構失效^[1，2]。因此，利用結構連接件（鉚釘連接和螺栓緊固件）可以比較真實地反應飛機結構上防護體系的實際使用情況，通過鹽霧加速腐蝕試驗和循環疲勞模擬飛機結構所承受的環境和力學的聯合作用，對鋁合金以及非金屬無機涂層、有機涂層和其它涂層的防護效果進行對比評價，可為結構耐久性設計和合理選擇防護體系提供重要依據。

　　2 試驗方法

　　2.1  實驗材料及試樣結構

　　實驗材料為7B04/T74鋁合金3mm厚的板材，硫酸陽極氧化處理；鉚釘為ML18鋼，用于對接結構試樣裝配的鉚釘表面處理為鍍鋅鈍化，搭接結構試樣裝配的鉚釘表面處理為鍍鎘和氧化磷化。分別按照圖1和圖2所示的結構鉚接裝配成對接和搭接結構的試樣，然后噴涂防護涂層。施加密封膠的結構試樣裝配前在結合面涂覆密封膠，鉚釘沾底漆進行濕裝配。涂緩蝕劑的試樣在涂層干燥后噴涂北京航空材料研究院研制的YTF-1緩蝕劑。四種防護體系見表1。

　　圖1  對接結構試樣示意圖

　　圖2  搭接結構試樣示意圖

　　#p#副標題#e#

　　
表1 防護涂層體系

　　2.2  試驗方法

　?。?）試驗前測量結構試樣的破壞載荷（P_破壞）、所加載荷P<50%P_破壞時，結構試樣在空氣中的疲勞壽命（Np-至破壞時的循環次數）。

　?。?）在疲勞試驗機和鹽霧箱中交替進行加載疲勞處理和鹽霧腐蝕：其中對試樣加載疲勞處理（Nu），即為10%Np~30%Np；鹽霧箱中的加速腐蝕試驗總時間為60晝夜，分2~4次完成。每次鹽霧試驗后均進行加載疲勞處理，記錄每次的疲勞循環次數N_ui，i=1~4。

　?。?）測定載荷P<50%P_破壞下，結構試樣破壞時的剩余疲勞壽命N剩余，所有試樣試驗至破壞。計算所加疲勞循環次數的和與原始試樣的疲勞壽命的比N_u1+N_u2+…N_ui+N_剩余/N_p。

　　每次完成加載疲勞處理后，對試樣進目測，記錄防護涂層、鉚釘的狀態，試樣表面腐蝕破壞的程度、腐蝕破壞的類型。涂緩蝕劑的試樣在疲勞加載后、鹽霧試驗前再次涂覆緩蝕劑。試驗結束后，研究試樣的破壞特性，確定破壞源及破壞的特征（疲勞或者腐蝕）。

　　3  試驗結果

　　3.1  原始試樣的破壞載荷（P_破壞）和試樣在空氣

　　中的原始疲勞壽命（Np-至破壞時的循環次數）

　　原始試樣的破壞載荷、所加載荷P=0.3P破壞時，試樣在空氣中的原始疲勞壽命見表2。

　　3.2  對試樣加載疲勞處理和中性鹽霧腐蝕

　　所加載荷P=0.3P_破壞時，試樣加載疲勞處理20%N_p次后，檢查防護涂層、鉚釘的狀態，試樣表面腐蝕破壞的程度和腐蝕破壞的類型，并對需涂覆腐蝕抑制劑的試樣涂覆腐蝕抑制劑，然后進行5%NaCl中性鹽霧試驗30天。疲勞處理與中性鹽霧試驗循環進行2次。試驗后檢查四種防護體系的結構件涂層與鉚釘完好，無表面腐蝕破壞。

　　3.3  試樣的剩余疲勞壽命（N_剩余）

　　疲勞處理和中性鹽霧腐蝕2個循環之后，試樣的剩余疲勞壽命（N_剩余）見表3和表4。試驗結束后，鉚釘連接處及試樣表面無明顯腐蝕破壞，說明四種防護體系防護效果良好。防護涂層體系的有效性按加和的疲勞循環次數的和（N_u1+N_u2+…+N_剩余）與原始試樣的疲勞壽命（N_p）的比來評價，比值越大說明防護效果越好。由試驗結果可以看出：

       對于搭接結構試樣，防護效果由優到劣的順序為：2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆，采用 HM-109密封膠濕法裝配，并涂緩蝕劑的防護體系；其次是2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆， 并涂緩蝕劑的防護體系；再次是2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆的防護體系和2層AK-070底漆+1層зπ-140 磁漆 +1層AC-1115 磁漆的防護體系。

　　利用結構試樣，根據疲勞循環次數的和（N_u1+N_u2+…+N_剩余）與原始試樣的疲勞壽命（N_p）的比值評價防護體系的有效性，可以定量地區分防護效果的優劣，特別是在對涂層外觀定性評判不能明顯區分的情況下，給出定量判定的依據，為防護體系的防護效果的評定提供了有效的方法。

#p#副標題#e#
　

　    3.4 斷口分析

       3.4.1  外觀檢查

       外觀檢查結果見表5.對斷裂后的所有試樣目視檢查涂層情況、斷裂部位，并判定斷口特征可以發現：所有的搭接試樣，斷裂部位位于鉚釘連接處；對接試樣，斷裂部位大部分位于鉚釘連接處，從1個鉚釘到4個鉚釘處均有斷裂，也有的斷裂于非鉚釘連接處的。所有斷口均為疲勞斷裂特征。從涂層外觀檢查可以看出：2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆，采用HM-109密封膠濕法裝配，并涂緩蝕劑的防護體系防護效果最好；其次是2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆，并涂緩蝕劑的防護體系，2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆的防護體系；2層底漆AK-070 + 磁漆зп-140 + 磁漆AC-1115防護體系的防護效果最差，這與按所加和的疲勞循環次數的和（N_u1+N_u2+…+N_剩余）與原始試樣的疲勞壽命（N_p）的比來評價獲得的試驗結果一致。緩蝕劑與密封膠聯合使用的防護效果好，單獨使用緩蝕劑與未使用緩蝕劑相比亦顯示出優勢。
　　

　　表5 斷裂后試樣的表面檢查結果

　　3.4.2  斷口微觀分析

　　對斷裂以后的試樣在掃描電子顯微鏡下進行斷口分析，所有的斷裂均為多源疲勞斷裂（見3a），表現為典型的疲勞條帶（見3b）。對接結構試樣的疲勞多起源于側面，從孔壁表面或試樣的次表面層（防護涂層與基體交界處）以表面裂紋形式萌生（見3c）；搭接結構試樣的疲勞多起源于鉚釘孔，以角裂紋的形式從鉚釘孔邊緣或尖角處萌生（見3d）。在疲勞源區未發現腐蝕坑以及沿晶斷裂等的腐蝕斷裂特征。

　　4、 分析與討論

　　從試樣的斷裂部位和涂層的外觀檢查可以發現：斷裂破壞絕大多數發生在搭接或對接連接試樣的鉚釘處，疲勞裂紋從鉚釘孔的孔壁、孔邊緣或尖角處萌生、擴展和導致斷裂；腐蝕主要集中在鉚釘及其周圍。這是因為鉚釘連接處是結構的應力集中部位，對環境損傷比較敏感，在疲勞過程中由于應力集中造成氧化膜的優先破裂，成為疲勞裂紋源。由于疲勞過程中的形變損傷作用和涂層的毛細管作用，腐蝕介質從涂層的微裂紋滲透并進入涂層內部，與基體金屬和鉚釘材料產生電化學腐蝕，使鉚釘周圍的鋁合金產生腐蝕，涂層出現鼓泡。2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆的防護體系的柔韌性要比2層AK-070底漆+зπ-140磁漆+AC-1115磁漆防護體系好，因此在疲勞過程中涂層產生的損傷裂紋要少，對基體金屬的防護能力要強；采用密封劑裝配能夠填充結構縫隙，有效阻止腐蝕介質的進入，防止結構產生腐蝕；緩蝕劑具有良好的水置換性能和憎水性能，可有效阻止腐蝕介質與基體金屬的作用，有利于提高結構的抗環境腐蝕性能。

　　由實驗結果及以上分析可以看出，防護體系的防護能力不僅僅取決于防護涂層本身的防護性能，還取決于其它的補充防護措施，特別是在腐蝕性比較強的嚴酷環境中，結構連接部位、縫隙、局部損傷等都會成為產生嚴重腐蝕的薄弱環節。因此采取適當的細節防護措施，可以大大提高結構抗環境損傷的能力，充分發揮防護體系的防護效果。

　　5、結論

　?。?）四種防護體系防護效果良好，鉚釘連接處及試樣表面無腐蝕破壞。

　　（2）四種防護體系防護效果優劣順序為：

　　a）2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆，采用 HM-109密封膠濕法裝配，并涂緩蝕劑；

　　b）2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆，并涂緩蝕劑；

　　c）2層TB06-9底漆+2層TS96-71含氟磁漆；

　　d）2層底漆AK-070 + 磁漆зп-140 + 磁漆AC-1115

　?。?）所有的斷裂均為多源疲勞斷裂。對接結構試樣的疲勞多起源于側面，從孔壁表面或試樣的次表面層（防護涂層與基體交界處）以表面裂紋形式萌生；搭接結構試樣的疲勞多起源于鉚釘孔，以角裂紋的形式從鉚釘孔邊緣或尖角處萌生。

　　References（參考文獻）

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　　圖3 斷裂試樣的微觀結構

　?。╝）表面裂紋；（b）角裂紋；（c）多源疲勞；（d）疲勞帶