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        鎂合金部件冷噴涂純鋁防腐蝕涂層在艦載機(jī)上的應(yīng)用研究

        2016-12-17 12:49:00楊立山
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年33期
        關(guān)鍵詞:腐蝕鎂合金

        摘 要:鎂合金容易腐蝕的特性影響了其在艦載機(jī)上的廣泛應(yīng)用,在鎂合金部件表面冷噴涂純鋁涂層,結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高,解決了鎂合金容易腐蝕的問(wèn)題,并且避免了常用表面處理方法的局限性,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。

        關(guān)鍵詞:鎂合金;腐蝕;冷噴涂;艦載機(jī)

        鎂合金是實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”,其密度小重量輕,僅為鋁合金重量的35%,比強(qiáng)度、比剛度、阻尼容限高,在航空航天領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用價(jià)值。我國(guó)已進(jìn)入航空母艦時(shí)代,艦載機(jī)作為航空母艦上最主要的作戰(zhàn)武器,備受關(guān)注。鎂合金有著許多可用于艦載機(jī)的特性,但是鎂合金耐腐蝕性差,一些應(yīng)用在鎂合金表面的防腐措施也存在一定的局限性,造成鎂合金在艦載機(jī)上的應(yīng)用并不多。而鎂合金部件冷噴涂純鋁防腐蝕涂層是一種較好的措施,開(kāi)展這方面的研究對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段艦載機(jī)的發(fā)展具有重要意義。

        1 鎂合金在艦載機(jī)上應(yīng)用的意義

        鎂合金在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用有著比較好的基礎(chǔ),已經(jīng)應(yīng)用于飛機(jī)的各種壁板、整流罩、框架、翼尖、尾面、副翼及油箱等,以及發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結(jié)構(gòu)、各種發(fā)動(dòng)機(jī)箱體等,成功的例子很多。表1為美軍各型號(hào)飛機(jī)使用鎂合金的情況[1],圖1為美軍B-36重型轟炸機(jī)鎂材料使用部位[2]。

        可以說(shuō),鎂合金在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用有著很好的基礎(chǔ),而艦載機(jī)的特殊性也對(duì)鎂合金有著很大的需求。減輕自身重量是艦載機(jī)的重要發(fā)展方向之一,而純鎂的密度為1.74g/cm3,約為鋁合金的2/3、鋅合金的1/3、鋼鐵的1/4、鈦合金的2/5。在艦載機(jī)上使用鎂合金減輕的重量,可以縮短飛機(jī)起降距離、提高的機(jī)動(dòng)性能;可以更多地?cái)y帶燃油,加大作戰(zhàn)半徑;可以增加攜帶彈藥的數(shù)量,提升戰(zhàn)斗力。戰(zhàn)斗機(jī)質(zhì)量若減輕15%,可縮短飛機(jī)滑跑距離15%,增加航程20%,提高有效載荷30%;噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)減重1公斤,飛機(jī)結(jié)構(gòu)可減重4公斤,升限高度可提高10米[3]。艦載飛機(jī)在著艦阻攔、起飛彈射時(shí),都有較大的振動(dòng),而鎂合金減震性能優(yōu)良,可以使艦載機(jī)承受更大的振動(dòng)載荷。航空母艦相比于陸地空間小、電子設(shè)備多,電磁環(huán)境復(fù)雜,鎂合金良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能更有利于電磁屏蔽,提高艦載機(jī)抗電磁干擾能力。

        2 易腐蝕是影響鎂合金在艦載機(jī)上應(yīng)用的主要問(wèn)題

        鎂合金自然腐蝕電位極低,極易被腐蝕,而其中的雜質(zhì)Fe、Ni、Cu等元素更是降低了鎂合金的耐腐蝕性。鎂合金在潮濕氣候環(huán)境下抗腐蝕性能更差,使其在航空產(chǎn)品上的應(yīng)用受到諸多限制,在艦載機(jī)上應(yīng)用的更少。很多國(guó)家的軍用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范更是對(duì)鎂合金的使用做出限制,表2是適航條款和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中鎂合金使用要求對(duì)比分析[4]。

        航空母艦在大海上執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù),艦載飛機(jī)長(zhǎng)期處于高溫、高濕和高鹽霧的海洋環(huán)境下,更易腐蝕,腐蝕后表面防護(hù)涂層老化、剝落,導(dǎo)致鎂合金部件基體材料腐蝕,造成艦載機(jī)飛行性能下降,安全使用壽命降低,影響艦載機(jī)的飛行安全和戰(zhàn)斗出勤率,使得鎂合金在艦載飛機(jī)上的應(yīng)用限制更多,更慎重。世界上主要的航空母艦強(qiáng)國(guó)都非常重視鎂合金的研究與應(yīng)用,鎂合金防腐涂層是主要的研究方向之一,但不同的鎂合金防腐蝕涂層技術(shù)效果不盡相同,防腐涂層的防腐蝕效果與圖層的結(jié)合強(qiáng)度、涂層硬度有關(guān),冷噴涂技術(shù)的出現(xiàn),解決了原有表面涂層方法的局限性。

        3 現(xiàn)有鎂合金防腐蝕涂層技術(shù)的局限性

        鎂合金防腐蝕涂層可以較好地解決鎂合金的腐蝕問(wèn)題,對(duì)于鎂合金部件,不僅新制造的部件需要防護(hù)涂層,還需要對(duì)大修期間檢測(cè)到的腐蝕損傷面積進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)原。鎂合金部件表面涂層處理的技術(shù)比較成熟,應(yīng)用也比較廣泛,圖2是常用表面涂層處理程序。

        經(jīng)美國(guó)航天制造工業(yè)與美國(guó)國(guó)防部對(duì)現(xiàn)有可用于鎂合金防護(hù)的技術(shù)進(jìn)行評(píng)估,包括對(duì)環(huán)境影響及安全性的評(píng)估,這些技術(shù)都不同程度地存在局限性。

        硬陽(yáng)極氧化工藝。如運(yùn)用DOW17法和HAE法生成氧化膜,以及鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜工藝(MIL-M-3171)對(duì)鎂合金進(jìn)行防護(hù),防腐蝕效果能夠滿(mǎn)足要求。但是,上述工藝中都含有六價(jià)鉻及氟化物、磷酸。六價(jià)鉻離子致癌,有害蒸汽危害操作人健康和污染環(huán)境,廢水中六價(jià)鉻的含量法律規(guī)定在1微克/m3以下,廢水處理成本大幅提高,使得這些工藝逐漸被淘汰。

        離子氣相沉積(IVD)技術(shù)。在真空室中利用輝光離子放電,使純鋁以離子狀態(tài)加速沉積于工件上,可以獲得均勻的、致密的、牢固結(jié)合的鋁涂層,但由于真空室限制部件尺寸和難于局部面積修補(bǔ),以及涂層有針孔等問(wèn)題,不能適應(yīng)艦載機(jī)鎂合金部件的修復(fù)要求。

        商業(yè)電鍍鋁涂層工藝。這種技術(shù)可以使純鋁涂覆到底層板材料上,底層板材料被浸于非水狀并被一種惰性氣體完全封閉的溶液中,工藝要求在完全密封系統(tǒng)中操作,鍍層與鎂合金間結(jié)合不良,而且鍍鋁層不能滿(mǎn)足修補(bǔ)厚度恢復(fù)到原來(lái)尺寸的要求。

        熱噴涂。包括大氣等離子噴涂(APS)及高速燃?xì)鈬娡浚℉VOF),這兩種熱噴涂效果都存在一定的問(wèn)題,不能令人滿(mǎn)意,主要是因?yàn)橥繉又写嬖谳^大的殘余應(yīng)力、氧化物含量高以及涂層氣孔率高,降低了耐腐蝕性能。

        4 采用冷噴涂純鋁涂層技術(shù)解決鎂合金腐蝕問(wèn)題

        冷噴涂技術(shù)近年迅速發(fā)展,可以在各種材料上噴涂各種鋁金屬、合金、金屬陶瓷和陶瓷材料(如α-Al2O3、TiO2、Mno2等)的涂層。在美國(guó),由國(guó)防部(DOD)牽頭,陸軍研究室(ARL)與海軍航空站(NavyAirdeport)聯(lián)合研發(fā)直升機(jī)鎂合金部件冷噴純鋁的涂層。陸軍研究室負(fù)責(zé)冷噴純鋁工藝,海軍航空站負(fù)責(zé)大修時(shí)對(duì)鎂合金部件的冷噴涂修復(fù)工作。陸軍研究室采用冷噴涂技術(shù),在鎂合金ZE41A基件上,噴涂了市售商業(yè)純鋁(CP-Al)及兩種鋁合金Al-12Si和Al506,經(jīng)對(duì)冷噴涂商業(yè)純鋁涂層工藝進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化,獲得了致密均勻,與基體鎂合金結(jié)合牢固的防護(hù)涂層。

        涂層性能。對(duì)鎂合金表面冷噴涂純鋁涂層的結(jié)合強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性進(jìn)行試驗(yàn),以考核涂層性能。

        (1)涂層與鎂合金結(jié)合強(qiáng)度

        采用ASTM(美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)C633-79(熱噴涂層粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表3所示。

        從結(jié)果可見(jiàn),用N2作工作氣體,預(yù)加熱到400℃,涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)71.6MPa。

        (2)涂層硬度

        用微硬度計(jì)測(cè)量布氏硬度,結(jié)果如圖3所示:

        可以看出,純鋁冷加工的布氏硬度為45,退火后降低到25,冷噴涂純鋁涂層硬度達(dá)到57。由于冷噴涂過(guò)程中純鋁粉末顆粒的強(qiáng)烈塑性,噴涂時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變硬化,所以涂層硬度更高。

        (3)冷噴商業(yè)純鋁涂層耐腐蝕性能

        美國(guó)陸軍與海軍航空司令部要求按美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)的ASTMB117鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),用ZE41A材料的鎂合金板冷噴涂商業(yè)純鋁涂層厚度0.30mm樣品,進(jìn)行鹽霧試驗(yàn),要求經(jīng)受336小時(shí)涂層不損壞。試驗(yàn)中,涂層經(jīng)受1000小時(shí)鹽霧試驗(yàn)仍基本完好,鎂合金基體無(wú)任何損傷。冷噴涂鋁涂層具有低氧化率、低孔隙率的特點(diǎn),因此具有較好的耐腐蝕性能。國(guó)內(nèi)某機(jī)構(gòu)采用中性鹽霧試驗(yàn)對(duì)冷噴涂鋁涂層的耐腐蝕性能進(jìn)行了考察,結(jié)果證明冷噴涂鋁涂層具有非常好的耐腐蝕效果,試樣表面在500h左右開(kāi)始出現(xiàn)鋁涂層的腐蝕,而鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行1000h后仍未發(fā)生基體腐蝕。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和圖4[5]。

        鎂合金冷噴涂純鋁涂層的經(jīng)濟(jì)性分析。美軍B-36轟炸機(jī)通過(guò)使用鎂合金實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量855kg,使航程擴(kuò)大了190英里[6],帶來(lái)了不菲的經(jīng)濟(jì)和軍事效益。

        據(jù)2001年公開(kāi)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果,美軍從1991年到2000年,某一種型號(hào)直升機(jī)的主傳動(dòng)裝置,因腐蝕需要提前更換和修復(fù)的費(fèi)用約為41億美元。2003年,美國(guó)海軍通過(guò)使用冷噴涂純鋁涂層,改善了鎂合金部件的耐腐蝕性,維修費(fèi)用明顯減少,據(jù)其中一個(gè)制造公司的跟蹤統(tǒng)計(jì),某一個(gè)型號(hào)直升飛機(jī)的21件鎂合金傳動(dòng)裝置采用冷噴涂純鋁涂層后,比采用其他防腐措施的21件傳動(dòng)裝置節(jié)省維修費(fèi)用為61萬(wàn)美元,其中,采用冷噴涂純鋁增加服役壽命減少的維修費(fèi)用為40萬(wàn)美元。美國(guó)材料評(píng)估局(MRB)的相關(guān)項(xiàng)目也得出類(lèi)似結(jié)論,海軍與陸軍直升機(jī)鎂合金部件采用冷噴涂商業(yè)純鋁涂層,年度可節(jié)省經(jīng)費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        在艦載飛機(jī)上使用鎂合金,可以帶來(lái)不菲的經(jīng)濟(jì)和軍事效益,在鎂合金部件表面冷噴涂純鋁涂層,具有較高的結(jié)合強(qiáng)度和硬度,可以較好地解決鎂合金材料易腐蝕的問(wèn)題。我國(guó)艦載戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、預(yù)警機(jī)等都處于起步階段,盡早開(kāi)展鎂合金應(yīng)用的研究,具有非常重大的意義。

        參考文獻(xiàn)

        [1]趙懌,董剛,趙博.鎂合金在航空領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].有色金屬工程,2015,5(2):23-27.

        [2]鐘皓,劉培英,周鐵濤.鎂及鎂合金在航空航天中的應(yīng)用及前景[J].航空工程與維修,2002(4):41-42.

        [3]王軍武,劉旭賀,王飛超,等.航空航天用高性能超輕鎂鋰合金[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2013(6):21-24.

        [4]唐正府,劉興科,任光明.航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)中鎂合金材料使用要求[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2014(6):26-28.

        [5]宇波,湯智慧,孫志華,等.超高強(qiáng)度鋼冷噴涂鋁涂層性能研究[EB/OL].中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng),2013-06.

        [6]席俊杰,劉杰.高性能稀土鎂合金的研究及其應(yīng)用[J].熱加工工藝,2014,43(10):6-10.

        作者簡(jiǎn)介:楊立山(1969,09-),男,漢族,本科,海軍駐沈陽(yáng)導(dǎo)彈專(zhuān)業(yè)軍事代表室,高級(jí)工程師,航空艦船設(shè)備科研生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)督和檢驗(yàn)驗(yàn)收。

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