趙 芯 謝 飛 張 帆 劉會娟

(1. 中國民航局第二研究所，四川 成都 610041；2. 成都拓利化工實業(yè)有限公司，四川 成都 610100)

淺析現(xiàn)代民用航空飛機蒙皮防腐蝕體系

趙 芯1 謝 飛1 張 帆1 劉會娟2

(1. 中國民航局第二研究所，四川 成都 610041；2. 成都拓利化工實業(yè)有限公司，四川 成都 610100)

本文講述了現(xiàn)代民用航空飛機使用最廣泛的蒙皮防腐蝕體系，討論了體系中的各個環(huán)節(jié)的必要性和優(yōu)缺點，提出了未來民航飛機蒙皮防腐體系研究新方向。

民航飛機蒙皮 預處理 涂層系統(tǒng) 防腐蝕

0 前言

腐蝕，一直是影響飛機安全的主要元兇之一，飛機防腐一直是人類不斷研究探索的課題。國際民航運輸協(xié)會的報告指出，由于腐蝕導致民用飛機的定期維修和部件更換直接經費每飛行小時為5—12美元，其成員單位每年用于腐蝕修理費用達2億美元[1]。其次飛機材料被腐蝕嚴重影響飛行安全，甚至造成機毀人亡的慘劇。隨著民用航空飛機老齡化，航空公司延長飛機的原定使用壽命等原因的出現(xiàn)，適航性對腐蝕防護要求越來越嚴格。金屬材料與它所處的環(huán)境介質之間發(fā)生的化學或點化學作用所引起的變質和破壞稱之為金屬腐蝕。腐蝕產生需要滿足3要素：電位差、電介質和正負電極導通?，F(xiàn)代民用飛機蒙皮材料主要是2024-T3和7075-T6系列鋁合金，飛機上的金屬材料腐蝕電位越大越容易發(fā)生腐蝕，2024-T3的潛在電位是-0.81V，7075-T6的潛在電位是-0.68～-0.70V之間[2]，當電介質空氣中的鹽類物質或污染物接觸這些材料時，會使這兩大類鋁合金發(fā)生腐蝕。因此，在民用航空飛機上所有的鋁合金都要求保護，現(xiàn)代民用航空器蒙皮必須有適宜的防腐蝕體系。

1 現(xiàn)代民航飛機蒙皮防腐蝕體系概況

民用飛機使用的主要金屬材料2024-T3和7075-T6系列鋁合金，概括起來可分為兩大類：有包覆層鋁合金和無包覆層鋁合金。純鋁耐腐蝕性能好，它的耐腐蝕性比鋼還要好，但質軟，機械強度差。在鋁中加入鎂、鋅、銅等元素制成鋁合金后，機械強度大大提高，但耐腐蝕性卻下降了，鋁合金在自然條件下，容易形成不均勻、多孔、抗蝕性差的氧化膜，故現(xiàn)代民用飛機蒙皮材料絕大部分采用2024-T3和7075-T6有包覆層鋁合金，即在鋁合金板材表面包一層純鋁，既符合強度要求也有一定的抗腐蝕能力，然后對鋁合金板材進行表面預處理生成一層致密的氧化膜，再涂覆配套性能良好的底漆，面漆最終達到保護目的。(常見的飛機蒙皮防腐蝕體系見圖1)

圖1 民航飛機蒙皮防腐蝕體系圖(根據飛機不同防腐體系具體情況不同

2 現(xiàn)代民航飛機蒙皮表面預處理

為什么飛機蒙皮表面要進行預處理，總結起來有兩個原因：其一，飛機蒙皮的主要材料為鋁合金基材，雖然其本身質地堅固，但涂層在這類基材金屬上的附著力不像其他金屬上那么強[3]，預處理可增加涂料和基材之間的附著力；其二，純鋁與空氣中氧氣反應表面生成一層氧化膜，有一定的抗氧化保護作用，但并不能有效防止鋁合金在多變氣候及復雜飛行環(huán)境中被腐蝕。在飛機蒙皮維護過程中，需對鋁合金飛機蒙皮表面進行人工預處理來增厚表面氧化膜，加強金屬的防腐能力。經表面預處理而生成的致密氧化膜不僅具有一定的抗腐蝕性能，同時這層膜均勻且多孔，多孔的結構增加了與涂層的接觸面積，從而能提高表面涂層的附著力，提高鋁板抗腐蝕性能。目前，國內國際廣泛采用的民航飛機蒙皮鋁板的預處理工藝有陽極化法、化學氧化法和磷化底漆三種。

陽極化是通過電化學氧化法在鋁表面生成三氧化二鋁氧化膜，其膜厚一般在5～15μm。以使用最多的鉻酸陽極化為例，其膜結構分兩層；外層氧化膜(Al2O3·H2O)靠近電解液一邊，體積較大，硬度較低，帶有松孔，呈錐形毛細管狀；內層氧化膜靠近基體鋁板一邊，是純度較高的致密的三氧化二鋁〔見圖2(a)〕。陽極化生成的氧化膜體積較大較厚，耐久性好，具有很好的耐腐蝕性能，對底漆有良好的吸附能力。但是由于自身較硬，柔韌性和抗沖擊性不如圖2阿洛丁生成的氧化膜。

化學氧化法是通過化學反應在表面生成一層薄的氧化膜?，F(xiàn)代飛機蒙皮鋁板使用最廣泛的化學氧化法為阿洛丁(alodine)處理法，涂阿洛丁生成的氧化膜比陽極化生成的膜薄，其膜厚約在0.5～4μm〔見圖2( b)〕，且氧化膜質軟，柔韌性良好，但耐磨性較差，經受嚴重的觸碰和腐蝕時，膜層會迅速被破壞，故不宜單獨使用，與蒙皮涂料配套使用，可彌補此方面的不足。

圖2 7075鋁合金上的鉻酸陽極化和阿羅丁預處理膜(用掃描電鏡放大50000倍

磷化底漆法指在鋁合金蒙皮表面涂磷化底漆是在鋁磷化的同時形成漆膜，磷化底漆本身不能單獨起到底漆作用，是一種表面預處理方法。將磷化底漆噴涂在蒙皮鋁板表面，一部分磷酸與金屬鋁結合，使金屬表面與涂膜連成一體，又能與涂層系統(tǒng)中的底漆良好的結合，提供一個很好的基層表面。涂覆磷化底漆后無需沖洗可直接噴涂底面漆，磷化底漆憑借價格低廉、施工時間短、環(huán)保性能良好等優(yōu)勢，常用做整架飛機表面預處理層使用。

3 現(xiàn)代民航飛機蒙皮涂層系統(tǒng)

飛機活動的環(huán)境條件具有一定的特殊性，如高空飛行受強烈的陽光照射，提升了飛機表面的溫度， UV紫外線較地面更加強烈，加速了飛機涂層老化；飛機在海洋地區(qū)飛行，高的鹽濃度會使得飛機蒙皮更容易被腐蝕；飛行過程中可能遇到酸雨、冰雹等；還有空氣動力的摩擦，溫度壓力變化引起的蒙皮收縮變形等等。這些都對蒙皮涂層系統(tǒng)提出了高要求，需要涂層系統(tǒng)具有很好的附著力、防腐蝕性、保光保色性、抗沖擊性和好的柔韌性等。

民用飛機蒙皮底漆分為聚氨酯底漆和環(huán)氧底漆兩大類。環(huán)氧類涂層具有良好的附著力，能耐飛機上使用的液壓油等各種溶劑，抗腐蝕性能良好，作為蒙皮底漆廣泛用于飛機上。但不能用作飛機的面漆使用，環(huán)氧底漆耐候性差，在UV紫外線的照射下高分子鏈會發(fā)生斷裂。除此之外顏填料在環(huán)氧樹脂中的分數(shù)程度有限，環(huán)氧涂料的流平性、光澤度、遮蓋力都不如聚氨酯類涂料，如作為面漆會影響飛機空氣動力學性能。 聚氨酯類底漆具有良好的附著力、抗沖擊性、耐候性、柔韌性等各種優(yōu)點，但是對施工條件的要求高，且耐溶劑性不如環(huán)氧類底漆。

目前不論是空客、波音還是麥道飛機等，防腐蝕涂層系統(tǒng)面漆都采用的聚氨酯類面漆，那是因為聚氨酯面漆有較好柔韌性、抗雨蝕性以及耐氣流沖刷性等。除此之外，聚氨酯面漆有良好的保光保色性、耐久性、耐磨性，有良好的噴涂施工性能，其漆膜豐滿、平滑，可減少飛行阻力，從而降低燃油的損耗[4]。

不管怎樣，民航飛機蒙皮防腐體系的研究中，單一的考慮一種涂層是不夠的，要從整個飛機蒙皮涂層系統(tǒng)出發(fā)，飛機外部蒙皮涂層系統(tǒng)的配套性和施工技術是保證整機涂層質量的重要環(huán)節(jié)。目前,空客飛機蒙皮主要采用的防腐蝕涂層系統(tǒng)為：磷化底漆——聚氨酯底漆——聚氨酯面漆；波音飛機蒙皮主要采用的防腐蝕涂層系統(tǒng)為：阿洛丁(alodine)處理——環(huán)氧底漆——聚氨脂面漆(見表1)。通常，防腐蝕系統(tǒng)的附著力越高，耐腐蝕性能就越好，但是脫除性就會越差，維護維修耗時就會越長。但是，無論哪種系統(tǒng)，只要所使用的各個材料都符合各自材料標準的要求，具有良好的配套性，則每種涂層系統(tǒng)的性能都能滿足飛機的使用要求。雖然預處理膜是底漆和面漆很好的基層，但是在預處理完后的規(guī)定時間內噴涂底漆，這點很重要，超過時間表面結合力就會變差，那就需要重新預處理。例如，氧化膜放置時間過長，孔隙會被塵土等堵塞，漆膜附著力下降，因此，波音公司要求在基底金屬預處理完成后24 h內完成噴涂涂層施工。

表1 空客飛機防腐蝕涂層系統(tǒng)和波音飛機防腐蝕涂層系統(tǒng)的綜合對比

4 結語

現(xiàn)代民用航空技術的快速發(fā)展對飛機蒙皮防腐蝕體系提出了新的高要求。三種蒙皮表面預處理技術各有優(yōu)劣，鉻酸陽極化或阿洛丁生成的氧化膜由基體金屬直接生成，與基體金屬為一整體，相比單獨成膜的磷化底漆附著力強，耐蝕性強。但是，這兩種方法需使用大量的電解質，這些電解質對環(huán)境造成了嚴重的污染，特別是其中的Cr6+對人體更是具有嚴重的危害性，而磷化底漆價格低廉、施工方便、環(huán)保性能良好，做整機表面預處理耗時短，節(jié)約了成本。環(huán)保性涂層將是未來飛機防腐蝕體系發(fā)展的趨勢。

為了得到防腐蝕性能良好的蒙皮涂層，要求組成漆膜的高分子樹脂能最大限度的交聯(lián)固化，使漆膜致密，使水分和氧氣不能滲透進去，可樹脂過分的交聯(lián)又會使得涂層變脆、變硬，然而飛機蒙皮又要求漆膜具有良好的柔韌性，在飛行中經反復變形和振動，漆膜不應損壞或脫落。涂層具有非常好的附著力，那么飛機大修時涂層便難以脫除，就會增加維修時間和維修成本。因此，要得到性能良好的飛機蒙皮防腐蝕體系應加強各個防護層的配套性研究，使其彌補相互的不足，到達最佳適航效果。

如何得到性能更加優(yōu)異、更適合民航發(fā)展的飛機蒙皮防腐蝕體系還有待進一步研究。

[1] 何鼎, 雷駿志, 華信浩. 航空涂料與涂裝技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2000, 1-5.

[2] U.S Department of Transportation, Advisory Circular43-4A[S]. Corrosion control for aircraft.U.S: Federal Aviation Administration ,1991, 67-69.

[3] Ms.Laura Menze, Coatings Weight & the Environment-New Technologies in Aerospace Coatings are Making a Difference, A Bilingual Coatings Journal[J], Linking China& the World, 2009.

[4] 劉登良. 涂料工藝第四版下冊[J]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2009, 1576-1622.

[5] Flcone F. The Importance of Pretreatment before Powder Coating and Liquid Paint〔A〕[J]. ALUSURFACE’98-Moedna〔C. Italy；〔s.n.〕,1998.

[6] Advanced Coating Systems for Air Force Aircraft[J]. Boing A&M Environmental Technotes, 2002.

Anti-corrosion System of Modern Civil Aviation Aircraft Skin

ZHAO Xin1, XIE Fei1, ZHANG Fan1, LIU Hui-juan2
(1.The Second Research Institute of CAAC, Chengdu 610041, China; 2. Chengdu TALY Chemical Indust rial Co., Ltd., Chengdu 610100, china )

The paper indicated the anti-corrosion system of modern civil aviation aircraft skin, discussed the necessity, merit and demerit of various sessions in the anti-corrosion system. The paper has pointed out the direction of future anti-corrosion system research.

civil aircraft skin; preparation treatment; coating system; anti-corrosion

TG174

A

趙芯 (1982－) ，女，四川眉山人，碩士，工程師，主要從事航空化學方面的研究。