駱晨，李宗原，孫志華，湯智慧，李健（.中航工業(yè)北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京00095；.總參陸航研究所，北京 0）

專題——飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕修理與防腐改進(jìn)技術(shù)研究

直升機(jī)旋翼槳葉有機(jī)涂層防護(hù)性能在戶內(nèi)加速試驗(yàn)中的變化

駱晨1，李宗原2，孫志華1，湯智慧1，李健2
（1.中航工業(yè)北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；2.總參陸航研究所，北京 101121）

目的 考核評(píng)價(jià)高原環(huán)境下服役的直升機(jī)旋翼槳葉典型結(jié)構(gòu)及其防護(hù)體系的耐腐蝕性能。方法 利用建立的模擬高原環(huán)境加速試驗(yàn)譜，再現(xiàn)直升機(jī)旋翼槳葉結(jié)構(gòu)防護(hù)體系實(shí)際服役過程中出現(xiàn)的腐蝕損傷，采取電化學(xué)阻抗譜測(cè)試研究涂層阻抗的變化。結(jié)果 經(jīng)歷8個(gè)周期的戶內(nèi)加速試驗(yàn)后，新修槳葉試驗(yàn)件表面有機(jī)涂層Bode曲線呈現(xiàn)小幅下降，即有機(jī)涂層防護(hù)性能下降；報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件表面有機(jī)涂層的特定頻率電化學(xué)阻抗模值與原始情況相比僅下降了不到1個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)論報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件表面有機(jī)涂層電化學(xué)阻抗模值曲線在8個(gè)周期后仍然小幅高于未經(jīng)歷戶內(nèi)加速試驗(yàn)的新修槳葉試驗(yàn)件。

直升機(jī)；有機(jī)涂層；防護(hù)性能；加速試驗(yàn)

隨著我國(guó)某型直升機(jī)服役日歷年限和大修次數(shù)的增加，其結(jié)構(gòu)腐蝕發(fā)展呈現(xiàn)顯著加快的趨勢(shì)[1—2]，而大修中所采用的腐蝕修理技術(shù)和修理質(zhì)量在很大程度上決定了直升機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷能否得到有效控制。

目前典型結(jié)構(gòu)防護(hù)體系腐蝕損傷過程的外場(chǎng)跟蹤實(shí)測(cè)在工程上很難實(shí)現(xiàn)，通過合理的準(zhǔn)則和方法建立加速模擬環(huán)境試驗(yàn)方法是考核評(píng)價(jià)典型結(jié)構(gòu)及其防護(hù)體系耐腐蝕性能最為可行的技術(shù)[3—9]。青藏高原氣候環(huán)境特殊，該環(huán)境下服役的直升機(jī)關(guān)鍵部件的腐蝕損傷是當(dāng)前關(guān)注的焦點(diǎn)[10—11]。文中利用前期建立的高原環(huán)境加速試驗(yàn)環(huán)境譜，針對(duì)直升機(jī)旋翼槳葉結(jié)構(gòu)防護(hù)體系，再現(xiàn)其實(shí)際服役過程中出現(xiàn)的腐蝕損傷形式與特征，同時(shí)顯著縮短實(shí)際使用環(huán)境下腐蝕歷程的時(shí)間。另外，采取電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試技術(shù)，通過研究涂層阻抗的變化來評(píng)價(jià)其防護(hù)性能，這也是目前應(yīng)用最廣泛的涂層防護(hù)性能評(píng)價(jià)技術(shù)之一。由于電化學(xué)阻抗只是向被測(cè)體系加一個(gè)小振幅的正弦交變信號(hào)，所以對(duì)體系的破壞作用小，可以對(duì)樣品進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試而不改變樣品的性質(zhì)。近年來，越來越多的研究[12—17]把特定頻率的阻抗模值作為評(píng)價(jià)涂層性能的指標(biāo)，為測(cè)試和定量評(píng)價(jià)涂層的防護(hù)性能提供了判據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1試驗(yàn)件設(shè)計(jì)、加工和準(zhǔn)備

旋翼槳葉外觀如圖1所示，主要由鋁合金大梁、鋼制梳形接頭和后段件組成。大梁是旋翼主要受力件，采用ABT-1鋁合金壓制加工成封閉空心整體件。梳形接頭通過MΠΦ-1膠和21個(gè)螺栓以及大梁形成一體，大梁后緣裝有21個(gè)帶蜂窩結(jié)構(gòu)的后段件。實(shí)驗(yàn)中共使用2類試驗(yàn)件，其中，“新修槳葉試驗(yàn)件”采用未使用的槳葉后段件，沿槳葉長(zhǎng)度方向截取130 mm、寬度方向截取140 mm（從葉尖開始）的試驗(yàn)段，并按實(shí)際修理工藝進(jìn)行噴漆；“報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件”采用經(jīng)過多年服役已經(jīng)報(bào)廢的旋翼槳葉，沿槳葉長(zhǎng)度方向截取140 mm長(zhǎng)的試驗(yàn)段。

圖1　旋翼槳葉Fig.1 Rotor blade

所有試驗(yàn)件在試驗(yàn)前均徹底清洗，以除掉油污、塵垢、油脂等。清洗后的試件用冷風(fēng)干燥后放在干燥器皿中短期保存，等待試驗(yàn)。用放大鏡對(duì)清洗后的試件進(jìn)行外觀檢查，新制備的防護(hù)層不允許有微裂紋和其他損傷。

1.2模擬高原環(huán)境戶內(nèi)加速試驗(yàn)

確定高原環(huán)境槳葉部位加速試驗(yàn)環(huán)境譜見表1，作用1個(gè)周期約相當(dāng)于外場(chǎng)實(shí)際暴露1年。

1.3腐蝕評(píng)價(jià)

1）外觀檢查。用放大鏡對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行外觀檢查，并采用佳能S30數(shù)碼相機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)光源下進(jìn)行拍照，記錄宏觀腐蝕現(xiàn)象和試驗(yàn)件表面的微觀腐蝕形貌。

2）電化學(xué)阻抗譜測(cè)試。在室溫下利用EIS對(duì)試驗(yàn)件表面有機(jī)涂層的防護(hù)性能定期進(jìn)行分析。在試驗(yàn)件上施加PVC管，僅留表面試驗(yàn)區(qū)域暴露于環(huán)境中，所有測(cè)試中暴露面積均為1 cm2。采用三電極體系在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的中性NaCl溶液中進(jìn)行EIS測(cè)試，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，整個(gè)試驗(yàn)裝置放置在法拉第籠中。測(cè)試前試驗(yàn)區(qū)域在溶液中浸泡20 min，待自腐蝕電位穩(wěn)定。每種類型試驗(yàn)件有3個(gè)平行試樣，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可重復(fù)性。采用AMETEK Princeton Applied Research公司的273A恒電位儀和5210鎖相放大器進(jìn)行有機(jī)涂層的電化學(xué)阻抗譜測(cè)試。交流頻率以10 mV擾動(dòng)幅度的正弦波激勵(lì)信號(hào)在10-2Hz和105Hz之間掃描。測(cè)試軟件為Powersuite電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。

表1　模擬高原環(huán)境戶內(nèi)加速試驗(yàn)譜Table 1　Indoor accelerated testing spectra for simulation of plateau environment

圖2　新修槳葉試驗(yàn)件表面在1～8個(gè)周期加速試驗(yàn)后的照片F(xiàn)ig.2　The top surface photos of the repaired blade specimen after 1 to 8 cycles of accelerated testing

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1新修槳葉試驗(yàn)件

新修槳葉試驗(yàn)件在經(jīng)歷1～8個(gè)周期戶內(nèi)加速試驗(yàn)后上表面（即受到紫外輻照的一側(cè)）的照片如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)件的有機(jī)涂層表面形貌在8個(gè)戶內(nèi)加速試驗(yàn)周期后并未發(fā)生明顯變化，也不存在粉化、開裂、起泡、剝落或者泛金的現(xiàn)象。新修槳葉試驗(yàn)件表面在8個(gè)周期加速試驗(yàn)后的掃描電鏡照片如圖3所示，與后文中討論的報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件表面防護(hù)涂層相比，新修槳葉試驗(yàn)件氧化膜厚度較小，另外存在底漆涂層厚度不均勻的現(xiàn)象，但經(jīng)過8個(gè)周期戶內(nèi)加速試驗(yàn)后尚未出現(xiàn)空洞或裂紋。

新修槳葉試驗(yàn)件表面在經(jīng)歷1～8個(gè)周期戶內(nèi)加速試驗(yàn)后的電化學(xué)阻抗譜Bode圖如圖4所示，原始和2，4，6，8周期后的特定頻率電化學(xué)阻抗模值|Z|f=0.1 Hz分別為4.9×108，2.6×109，1.5×109，2.3×109，3.9×108Ω。由圖4可見，在6個(gè)戶內(nèi)加速試驗(yàn)周期后，試驗(yàn)件的電化學(xué)阻抗模值未發(fā)生顯著下降，各戶內(nèi)加速試驗(yàn)周期后的模值曲線與未經(jīng)歷戶內(nèi)加速試驗(yàn)情況下的模值曲線基本重合。這與試驗(yàn)件有機(jī)涂層表面形貌在戶內(nèi)加速試驗(yàn)過程中未發(fā)生明顯變化的結(jié)果一致。經(jīng)歷8個(gè)周期的戶內(nèi)加速試驗(yàn)后，試驗(yàn)件表面有機(jī)涂層Bode曲線呈現(xiàn)小幅下降，說明有機(jī)涂層經(jīng)歷加速試驗(yàn)后防護(hù)性能下降，有機(jī)涂層內(nèi)部實(shí)際上已經(jīng)產(chǎn)生了微小損傷，成為外界溶液可以滲透的通道。事實(shí)上，在受到紫外線的作用時(shí)，有機(jī)涂層的樹脂高分子鏈發(fā)生光引發(fā)鏈增長(zhǎng)、鏈終結(jié)等系列反應(yīng)，最后分子鏈發(fā)生斷裂，生成親水性基團(tuán)。之后，有機(jī)涂層中分子鏈的降解產(chǎn)物如小分子醇、醚等揮發(fā)，親水性氧化產(chǎn)物（如羧酸）溶解于水中，離開有機(jī)涂層。因此，隨著老化降解，有機(jī)涂層內(nèi)部孔隙率逐漸增加，有機(jī)涂層防護(hù)性能逐漸退化。

2.2報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件

報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件表面在1～8周期加速試驗(yàn)后的照片如圖5—7所示。隨著加速試驗(yàn)的進(jìn)行，試驗(yàn)件表面的有機(jī)涂層逐漸失去光澤；經(jīng)過6個(gè)周期的加速試驗(yàn)后，開始出現(xiàn)輕微的粉化現(xiàn)象；經(jīng)過8個(gè)周期的戶內(nèi)加速試驗(yàn)后，尚未出現(xiàn)有機(jī)涂層起泡、剝落或者泛金的現(xiàn)象。

圖3　新修槳葉試驗(yàn)件表面在8個(gè)周期加速試驗(yàn)后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3　The SEM images of top surface of the repaired blade specimen after 8 cycles of accelerated testing

圖4　新修槳葉試驗(yàn)件表面的電化學(xué)阻抗譜Bode圖Fig.4　EIS Bode diagram of the top surface of the repaired blade specimen

圖5　報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件前段部分表面在1～8個(gè)周期加速試驗(yàn)后的照片F(xiàn)ig.5 The top surface photos of the front end of discarded blade specimen after 1 to 8 cycles of accelerated testing

報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件前段部分表面同一局部區(qū)域在1周期和8周期后的照片對(duì)比如圖8所示?？梢娫诩铀僭囼?yàn)過程中，報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件的前段部分表面原有的裂紋加深，如圖8中細(xì)箭頭所指示，同時(shí)出現(xiàn)更多新形成的裂紋，如8圖中加粗箭頭所指示。這些更加細(xì)小的裂紋由原有裂紋發(fā)展出來，而且這種裂紋有擴(kuò)展連接成網(wǎng)絡(luò)的趨勢(shì)。有機(jī)涂層表面裂紋長(zhǎng)短不一，總體上沿垂直或平行于槳葉長(zhǎng)度分布方向，但是發(fā)展走向不斷發(fā)生微小變化。某課題組前期研究表明，外加拉應(yīng)變導(dǎo)致有機(jī)涂層防護(hù)性能下降，原因是拉應(yīng)變超過涂層材料斷裂強(qiáng)度，從而形成顯微裂紋[7—8]。報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件在加速試驗(yàn)過程中雖然未受到外加拉應(yīng)變，但前段部分曲率變化大，表面涂層在施工固化過程中會(huì)產(chǎn)生收縮內(nèi)應(yīng)力，表面在同時(shí)受到收縮內(nèi)應(yīng)力和紫外輻照等環(huán)境因素的作用時(shí)產(chǎn)生裂紋，構(gòu)成外界溶液進(jìn)入內(nèi)部的通道。有機(jī)涂層的吸水率與空洞、裂紋等缺陷的數(shù)量成正比，Cl-，O2和H2O通過孔隙進(jìn)入涂層中，并到達(dá)有機(jī)涂層/合金界面。

圖6　報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件中段部分表面在1～8個(gè)周期加速試驗(yàn)后的照片F(xiàn)ig.6 The top surface photos of the middle part of discarded blade specimen after 1 to 8 cycles of accelerated testing

圖7　報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件后段部分表面在1～8個(gè)周期加速試驗(yàn)后的照片F(xiàn)ig.7 The top surface photos of the back end of discarded blade specimen after 1 to 8 cycles of accelerated testing

圖8　報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件前段部分表面局部區(qū)域在1周期和8周期后的照片F(xiàn)ig.8 Photos of the top surface of the front end of discarded blade specimen after 1 and 8 cycles of accelerated testing

對(duì)比報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件后段部分表面在1周期和8周期后的照片（如圖9所示），后段件之間連接處的密封材料開裂現(xiàn)象較未進(jìn)行戶內(nèi)加速試驗(yàn)時(shí)的情況更加嚴(yán)重，微裂紋和空洞非常明顯。報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件表面3個(gè)區(qū)域未經(jīng)歷戶內(nèi)加速試驗(yàn)時(shí)的電化學(xué)阻抗譜Bode圖如圖10所示，報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件表面3個(gè)區(qū)域在經(jīng)歷8個(gè)周期戶內(nèi)加速試驗(yàn)后的電化學(xué)阻抗譜Bode圖如圖11所示，特定頻率電化學(xué)阻抗模值|Z|f=0.1 Hz在表2中列出?？梢园l(fā)現(xiàn)，報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件表面3個(gè)區(qū)域的模值曲線基本重合，說明不同區(qū)域有機(jī)涂層的防護(hù)性能較為均勻。在8個(gè)周期的戶內(nèi)加速試驗(yàn)后，報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件表面有機(jī)涂層的電化學(xué)阻抗模值未發(fā)生顯著下降，特定頻率電化學(xué)阻抗模值與原始情況相比，僅由5.4×109Ω下降到了3.1×109Ω，|Z|f=0.1 Hz只下降了不到1個(gè)數(shù)量級(jí)，這與試驗(yàn)件非密封結(jié)合部位的表面形貌在戶內(nèi)加速試驗(yàn)過程中未發(fā)生明顯變化的結(jié)果一致。報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件后段部分表面的SEM圖片如圖12所示，其中橫截面的照片顯示表面氧化膜、底漆涂層和面漆涂層厚度均勻、完整，尚未出現(xiàn)空洞或裂紋。

圖9　報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件后段部分表面局部區(qū)域在1周期和8周期后照片F(xiàn)ig.9　Photos of the top surface of the back end of discarded blade specimen after 1 and 8 cycles of accelerated testing

圖10　報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件后段部分表面電化學(xué)阻抗譜Bode圖Fig.10 EIS Bode diagram of the top surface of the back end of discarded blade specimen

圖11　報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件后段部分表面8周期后的電化學(xué)阻抗譜Bode圖Fig.11 EIS Bode diagram of the top surface of the back end of discarded blade specimen after 8 cycles of accelerated testing

圖12　報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件后段部分表面的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.12　Top surface SEM images of the back end of discarded blade specimen

結(jié)合新修槳葉試驗(yàn)件表面在經(jīng)歷1～8周期戶內(nèi)加速試驗(yàn)后的電化學(xué)阻抗譜Bode圖一起進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)歷戶內(nèi)加速試驗(yàn)的新修槳葉試驗(yàn)件的電化學(xué)阻抗模值曲線小幅低于經(jīng)歷了8個(gè)周期戶內(nèi)加速試驗(yàn)的報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件，說明槳葉后段件部位實(shí)際修理工藝所采用的國(guó)產(chǎn)有機(jī)涂層防護(hù)性能與原始有機(jī)涂層相比存在一定差距。

表2　報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件表面的特定頻率電化學(xué)阻抗模值Table 2 Characteristic frequency electrochemical impedance modulus of the top surface of the discarded blade specimen

3　結(jié)論

1）經(jīng)歷1～8個(gè)周期模擬高原環(huán)境戶內(nèi)加速試驗(yàn)后，新修槳葉試驗(yàn)件有機(jī)涂層表面形貌未發(fā)生明顯變化。

2）前6個(gè)周期戶內(nèi)加速試驗(yàn)后，新修槳葉試驗(yàn)件的電化學(xué)阻抗模值未發(fā)生顯著下降；經(jīng)歷8個(gè)周期的戶內(nèi)加速試驗(yàn)后，試驗(yàn)件表面有機(jī)涂層Bode曲線呈現(xiàn)小幅下降，表明有機(jī)涂層防護(hù)性能下降。

3）報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件表面有機(jī)涂層隨加速試驗(yàn)的進(jìn)行逐漸失去光澤，經(jīng)過6個(gè)周期后開始出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，前段部分表面原有的裂紋加深，同時(shí)出現(xiàn)更多新形成的裂紋且有擴(kuò)展連接成網(wǎng)絡(luò)的趨勢(shì)，后段件之間連接處的密封材料開裂現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

4）在8個(gè)周期戶內(nèi)加速試驗(yàn)后，報(bào)廢槳葉試驗(yàn)件表面有機(jī)涂層的電化學(xué)阻抗模值未發(fā)生顯著下降，特定頻率電化學(xué)阻抗模值|Z|f=0.1 Hz與原始情況相比僅下降了不到1個(gè)數(shù)量級(jí)，且模值曲線仍然小幅高于未經(jīng)歷戶內(nèi)加速試驗(yàn)的新修槳葉試驗(yàn)件的模值曲線。

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Changes of Protective Properties of Organic Coatings on Helicopter Rotor Blade during Indoor Accelerated Testing

LUO Chen1，LI Zong-yuan2，SUN Zhi-hua1，TANG Zhi-hui1，LI Jian2
（1.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material，
AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China；2.General Staff Department Army Aviation Institute，Beijing 101121，China）

Objective To evaluate the anti-corrosion properties of typical helicopter rotor blade structure and its protection system that services in plateau environment.Methods Accelerated testing spectra for simulation of plateau environment was employed to reproduce the corrosion damage in service condition.Electrochemical impedancemeasurement was used to study the degradation of impedance of organic coatings.Results After 8 cycles of indoor accelerated testing,the EIS Bode diagram of the organic coatings on the repaired blade specimen decreased.The characteristic frequency electrochemical impedance modulus of discarded blade specimen was reduced by less than 1 magnitude compared to that of original specimen.Conclusion After 8 cycles,electrochemical impedance modulus diagram of the organic coatings on discarded blade specimen was still a little higher than that of repaired blade specimen.

helicopter；organic coatings；protective properties；accelerated testing

2015-09-15；Revised：2015-10-04

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.001

TJ07；TG174

A

1672－9242（2016）01－0001-07

2015-09-15；

2015-10-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51201157）；國(guó)防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（H052013A003）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China（51201157）and National Defense Technology Foundation Project （H052013A003）

駱晨（1984—），男，北京人，博士，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境試驗(yàn)與觀測(cè)，表面防護(hù)等方面的研究。

Biography：LUO Chen（1984—），Male，from Beijing，Ph.D.，Senior engineer，Research focus：environmental testing and observation，and surface protection.