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聊聊战机,舰载飞机高效抗腐蚀关键涂层材料最新研究进展必赢体育官网

日期: 2020-01-19 00:10 浏览次数 : 83

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舰载机是人民海军近海防御与远海护卫不可或缺的武器装备,其以航空母舰为起降平台,随航母在广阔大洋上服役,处于极端的腐蚀环境,主要受到高盐雾、高湿热、含硫废气、微生物、季候风、雨水和海量冲刷等影响,极易导致机体结构及系统严重腐蚀。腐蚀可造成机体结构损伤和功能系统失效,增加维修成本,降低使用寿命,甚至危及飞行安全。表面防护涂层材料是舰载机腐蚀防护控制中的关键材料,是保护机体结构,防止腐蚀损伤的关键功能材料,其性能的优劣直接影响舰载飞机的出勤率、维修成本及使用寿命。因此,建立舰载飞机高效抗腐蚀关键涂层材料体系已经成为舰载飞机设计的关键。

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平日里,我们常常见到金属材料生锈,却习惯性地认为诸如坦克、战斗机、航空母舰等武器装备生来就是天不怕地不怕的“铜头铁脑”。殊不知,这些“大家伙”在上演激情与力量的背后,更需要有一副“好身板”。请关注今日《解放军报》的报道——

国内外舰载飞机高效抗腐蚀

F-35战机采用了新一代隐身涂料技术,不再担心涂层的脱落问题。徐小丹摄影

C-5运输机

抗腐蚀—

关键涂层材料研究现状

风驰电掣,鹰击长空。刚刚闭幕的第十二届中国国际航空航天博览会上,各种战机“盛装”登场,一展雄姿。

2018年12月,美国防系统信息分析中心发布题为美海军航空系统司令部公布变革新富铝底漆的文章。文章指出,美海军研发出富铝底漆, 可对飞机的铝和钢零件进行防护,若大规模应用,可能对飞机的防腐蚀工作带来变革性影响。

武器装备修炼“金刚不坏之身”

高性能的表面防护涂层材料,是舰载机腐蚀防护控制中的关键材料,欧美等国家已经制定了较为详细的高性能表面防护材料体系和材料规范。欧美等国家一般要求防护面漆应具有优异的抗紫外线性能、杰出的光泽保持率和保色性、耐盐雾性能、优异的抗高低温冲击性能以及便捷的现场清洗维护性能等,底漆具有良好的耐丝状腐蚀性能及施工性能,与面漆配套使用,具有较好的相容性。

速度与激情的背后,离不开战斗机的一副“好身板”。很多人以为,战斗机生来就是铜头铁脑一身钢,不怕磕磕碰碰。事实恰恰相反,就算没有受到明显外力撞击,战机也很容易受伤,需要精心保养。

美国防部普遍认为含六价铬的铬酸盐底漆防腐蚀性能优良,因而被各种军机大量使用。如海军F/A-18舰载战斗机, 空军C-130、C-5运输机和F-16战斗机,陆军H-60直升机等军机的大量底漆均含六价铬。但六价铬是一种致癌物质,对人类和环境有害。2009年,时任美国防部采办主管约翰杨发布命令,要求军方寻求降低六价铬使用量的新方法。

■张瑷敏 玥 凡

美国波音公司研制的舰载机F/A-18E/F、T-45,采用的是高固体份防护环氧底漆MIL-P-23377和聚氨酯蒙皮面漆MIL-PRF-85285。环氧底漆具有优异的耐化学品性好及较好的施工性能,底漆经1000小时丝状腐蚀后,划痕处生长的丝长不超过3.2mm,其与配套蒙皮面漆使用,耐盐雾2000小时后,在划痕处仍不出现腐蚀问题,具有优异的抗腐蚀性能;聚氨酯蒙皮面漆具有较好的保色性能,耐盐雾性能及抗污染能力,使用寿命达到20年以上,大大减轻了飞机的日常维护工作。美国海军的飞机、欧洲的协和超声速客机、日本全日空公司的几百架飞机均采用了聚氨酯含氟蒙皮涂料。目前,美国试图追求寿命达30年以上的新型涂层的研究工作,涂层特别需要考虑涂层抵抗紫外线、冷热有机流体、海水、湿度与温度循环、机械应力和磨损等因素的作用能力。

说起飞机保养,很多人都会联想到汽车4S店的定期保养。与汽车的保养相比,战机保养要复杂得多,仅战机“皮肤”的养护,就有多重工序、需要多层涂装甚至还要实施“整容”手术。今天,我们就来聊聊战机的机体表面材料养护。

针对约翰杨的命令,海军空战中心飞机分部下属的材料工程部启动底漆研发工作,研发出一系列富铝底漆。2012年,美海军获得2项富铝底漆发明专利。2016年,美海军授予3N化学品公司小批量生产合同。截至目前,该富铝底漆已应用于一架陆军H-60直升机、一架国家航空航天局C-130运输机、两架海岸警卫队H-60直升机以及海军各种支持设备。

平日里,我们常常见到金属材料生锈,却习惯性地认为诸如坦克、战斗机、航空母舰等武器装备生来就是天不怕地不怕的“铜头铁脑”。殊不知,这些“大家伙”在上演激情与力量的背后,更需要有一副“好身板”。

国外军机复合材料表面防护涂层系统一般采用底、面漆双层的涂层系统,如无铬溶剂型防护底漆加柔韧型的防护面漆涂层系统、无铬水基防护底漆加柔韧型的防护面漆涂层系统。无铬溶剂型防护底漆起到封闭复合材料表面孔隙隔水防潮的作用。高柔韧性特征主要是满足复合材料表面抗雨蚀、砂蚀、磨蚀对涂层力学性能的要求,涂层太脆在遇到雨蚀、砂蚀、磨蚀时,会导致涂层开裂脱落丧失防护能力。波音飞机复合材料表面防护采用了不同于飞机蒙皮底漆BMS10-79的耐雨蚀耐湿热循环的无铬防护底漆BMS10-103底漆,此底漆不含铬酸盐等防腐蚀颜料,耐雨蚀性能达到7级以上,耐湿热循环性能达到0级或1级,而蒙皮底漆BMS10-79没有耐湿热循环性能要求。由此可以看出,复合材料的防护更加注重湿热所引起的疲劳损伤,采用的是更加耐湿热和环保的无铬溶剂型防护涂层。

战机的“皮肤”也娇嫩

该富铝底漆有三项关键技术:

抗腐蚀一直是武器装备保持长久运行必须解决的难题。日前,美国国防系统信息分析中心公布了美国海军航空系统司令部正在研究富铝底漆的消息,并指出这种材料一旦得到应用,将对战斗机的抗腐蚀工作带来重要影响。

波音飞机起落架采用了不同于飞机蒙皮底漆的耐化学品和介质的专用BMS10-11防腐底漆,其耐盐雾性能提到3000小时,而蒙皮底漆BMS10-79耐盐雾性能为1000小时。MIL-PRE-23377J中蒙皮底漆耐盐雾性能指标为2000小时。由此可以看出,起落架的防护采用的是更加耐化学品耐介质和耐腐蚀的防护涂层。

和人的皮肤怕风吹日晒一样,战机的皮肤更怕日晒雨淋。假如不用“护肤品”,战机表面的材料很快就会起斑点和橘皮凹坑,进而大面积“毁容”。

1、使用特殊铝合金作为底漆的填料,选用的铝合金具有优异的防腐蚀性能,再与铝合金的低密度属性结合,使涂层能以通常航空用厚度涂覆。

“硬汉”也有柔弱一面

美、英等发达国家还十分重视飞机的使用维护,在日常维护及修补方法方面有较大投入,即使在飞机设计和制造阶段也采用了完整有效的腐蚀防护措施。由于服役环境的不确定性,在使用中腐蚀仍将不可避免的会产生。而及时有效的腐蚀维护能够大大减轻和延缓飞机结构的腐蚀,是舰载机腐蚀控制的重要一环。

为运载大量载荷上天和便于机动,制造飞机机体时使用的都是强度高、重量轻的材料。这些材料包括钛合金、铝合金以及超高强度的不锈钢等。迄今为止,制造飞机所用的材料中,金属材料仍然占到一半以上。

2、对填料进行特殊表面处理, 提高填料和底漆的整体防腐蚀性能。

驰骋在大洋上的舰艇最怕什么?恐怕答案正是这些“钢铁硬汉”下面的一片汪洋。原来,海洋是地球上最大、最严酷的腐蚀环境。海上大温差、高湿、高盐雾等气候条件大大加速了材料老化、腐蚀的进程,海水、泥沙、油气、海洋生物等也都是形形色色的腐蚀介质。武器装备长期处于这样的“炼狱”环境之中,都会产生不同程度的腐蚀。

另外,美、英等发达国家也十分重视新的或改进的防腐涂层在飞机上的应用研究,并建立评定涂层的加速试验方法对涂层性能功能考核。

这类金属材料的优点和缺点都很显着。其优点是强度高,超声速飞行也不会令其折断。其缺点是特别怕腐蚀,自然界中无处不在的水汽、烟雾、雾霾都很容易侵蚀战机材料,不管这些材料是外露的,还是内置的。一旦战机材料生锈或者开裂,即便遇到不太大的载荷也可能发生断裂,进而严重危及战机飞行安全。

3、运用特殊无机缓蚀剂,进一步提高富铝底漆的防腐蚀性能。

腐蚀不仅会影响武器装备的作战性能,还会大大降低其使用年限。据粗略统计,美军每年因金属锈蚀而报废的军事设备与材料占总装备的5%以上,仅美国海军每年因锈蚀问题就要损失数十亿美元,因腐蚀导致的维修作业致使美国海军现役战机平均每年有2个月处于不可用状态。

我国在役舰载机采用的防护材料是在九五期间开展研制的,并在十一五期间推广应用到重要航空武器装备上,使我国战斗机外表面防护涂层材料达到当时国际先进水平,但当时的设计仅是基于陆基飞机的设计要求。铝合金材料用防护底漆没有耐丝状腐蚀性能,底漆和面漆配套后,未考虑到涂层破损时,涂层的抗腐蚀防护性能,而复合材料用底漆、高强钢用底漆、缓蚀剂和清洗剂等与国外指标存在较大差距,且我国目前仍没有针对舰载机建立完善的舰上快速维护修补专用防护材料。因此,建立具有优异抗腐蚀防护性能的舰载飞机高效关键涂层材料已经是我国舰载飞机腐蚀防护设计的关键。

高强度铝合金广泛应用于战机大梁、桁条、起落架、隔框和蒙皮等部位。在高温、高湿、高盐雾的热带海洋气候中,未加防护的战机暴露8天后,表面就会出现点状腐蚀凹坑。之后,凹坑从外到内迅速扩展。4个月后,材料表面形成鼓包。2年之后,表面出现分层剥离现象。如此一来,战机不仅表面损坏,材料内部也几乎被挖空。

美海军研发的富铝底漆是金属化且不含铬的高性能防腐蚀底漆。与铬酸盐底漆比较,富铝底漆的突出优点是不含有害的六价铬,而且在抵抗诸如电偶腐蚀、丝状腐蚀等盛行腐蚀问题上的表现更优,适于目前应用铬酸盐底漆的所有场景;虽然在防腐蚀性能方面不及传统的富锌底漆,但富铝底漆更轻,更适于航空应用。

如果说“钢铁侠”们在海上易被腐蚀,那把它们放在陆地上总不会再这么“柔弱”了吧。事实上,坦克、装甲战车等“陆战之王”时刻都在经受着腐蚀的“折磨”。士兵们平时在给坦克“洗澡”保养的时候,就常常见到许多螺栓因“锈死”而被拧断,甚至有些火炮的炮塔电机会因座圈锈蚀导致载荷过大,最终被烧毁。

舰载飞机高效抗腐蚀关键涂层材料最新研究进展

其实,不仅是铝合金,钛合金和钢合金在一定情况下也会发生腐蚀现象。

美海军随后将对该富铝底漆进行广泛试验和技术改进,追求更优异的防腐蚀性能和更广泛的应用场景。

即便是广袤无垠的太空,也不是抗腐蚀的“世外桃源”。宇航员出舱行走都要穿着厚厚的宇航服,一个重要的原因就是复杂的太空环境里有着许多“无形杀手”,对航天器“外衣”、光机电系统等都是严峻考验。美国在对“哥伦比亚”号航天飞机事故进行调查后,虽然排除了航天器遭遇严重腐蚀的可能,但也提出了要采取长期腐蚀检测措施的议案。

航空工业沈阳所是我国首款固定翼舰载战斗机的总体设计单位,确保飞机服役期间不发生影响飞机安全使用的腐蚀,责无旁贷。在国防科工局的大力支持下,以型号副总设计师、航空工业首席专家杨旭为负责人的技术团队,迎难而上,根据舰载机的服役环境和设计要求,参照国际先进抗腐蚀涂层体系的技术指标,结合国内抗腐蚀涂层研制及应用的现状,提出了具有国际水平的舰载战斗机抗腐蚀涂层体系技术指标,目标是确保舰载飞机防护涂层材料的综合防护能力提高60%以上。2013年经过严格审查,开展了舰载飞机高效抗腐蚀防护体系关键涂层材料工程化及应用研究。组成了由航空工业沈阳所牵头,国内优势单位参加的项目攻关团队,经过近5年的艰苦攻关,成功突破高耐候性防护面漆和底漆等13种材料的配方设计和制备工艺优化、涂层材料施工工艺优化技术、涂层体系厚度优化技术、加速腐蚀试验环境谱与实际腐蚀当量关系、典型件在海洋环境下防护涂层腐蚀损伤表征与评估、腐蚀防护涂层体系考核典型试验件的优化设计等15大项关键技术,申报了15项国家、国防专利,成功研制并建立了国内首套满足舰载飞机设计及使用要求的舰载飞机高效抗腐蚀防护涂层材料体系,已在国内多个型号舰载飞机上应用,实现了我国舰载机防护涂层材料体系的升级换代。

有“航空航天最佳材料”之称的钛合金,就容易因不同液体浸泡而被腐蚀,或者因不同电位差金属接触造成电化学腐蚀。

一是降低腐蚀所致维修费用,提高飞机可用性与寿命。美海军和海军陆战队飞机每年腐蚀所致损失约34.3亿美元,约占所有维修费用的28%; 腐蚀所致维修活动导致现役飞机每年有约57天不可用。试验表明,富铝底漆可提高防腐蚀性能,大规模应用可能降低腐蚀所致维修费用,提高飞机可用性与寿命。

可以说,武器装备所面临的腐蚀无处不在。为了精心呵护武器装备,腐蚀控制与防护已成为一个复杂的系统工程。否则稍不注意,武器装备的表面材料就可能出现锈蚀、斑点或凹坑,进而大面积“毁容”。

钢合金的生锈,更是常见。这些现象充分说明,看似坚固无比的战机,其实也有致命“要穴”和“罩门”,在大自然的风吹雨淋下,照样会加速老化。

二是改善制造维修人员的工作环境。因不含六价铬,富铝底漆的大规模应用,将显著改善制造维修人员的工作环境。

各有各的“保养秘方”

所以,一些国家的战机在沿海地区执行完低空任务后,要及时“洗澡”,通过地面上由喷水口组成的水幕,用淡水把机身上下冲个遍。这样做是为了避免机身上残留的盐分对机体表面材料造成腐蚀。

正如人的皮肤经历风吹日晒会出现损伤一样,武器装备的表面也会受到腐蚀。为有效应对潜在的损失,战斗机、舰船和航天器等武器装备可谓“八仙过海,各显神通”,在打赢“抗腐蚀战役”中各自拿出了“保养秘方”。

“护肤”,想要达标不容易

说起战斗机的保养,人们一定听说过战机“洗澡”的故事。通常情况下,战机在沿海地区执行完低空飞行任务后,都要及时返场“洗澡”,而且洗的还是“淋浴”,通过地面上喷水口喷出的水幕,用淡水把机身上下冲洗个遍。这么做的目的,就是防止大气中的废气和氯盐附着在机体表面,进而对战机造成腐蚀。美国空军明确规定,在战机降落后就必须及时进行清洗作业,美军还给这项作业起了个好听的名字,叫做“鸟浴”。

人类重视护肤是为了美观,而战机“护肤”很大程度上是为了“生存”。为给战机“延寿”,飞机设计师对战机的“皮肤”格外关照,开出了很多“美容方”加以养护。其中,最常用的方法就是给战机“擦粉”。

当然,飞机的保养远不止“洗澡”这么简单,通常包含着多重工序,进行多层涂装,有时还需要实施“整容”手术。其中,最常见的“保养秘方”就是给飞机敷上一层“面膜”。一般而言,飞机各类零部件在制造成型之后,大多要涂上底漆、面漆、防腐剂等多层涂料,最后还要给飞机加上外层涂装。以美军为例,F-14“雄猫”舰载战斗机机身就采用高抗腐蚀涂层。美军还使用聚硫化物密封剂用于减少机身表面和链条密封处的水浸入,比如含六价铬的铬酸盐底漆等。包括F/A-18舰载战斗机、C-130运输机、C-5运输机、F-16战斗机、H-60直升机等军机的大量底漆均含六价铬。

当然,飞机擦的“粉”可不简单。具体来说,那就是一层层涂料。涂料,就是涂敷到物体表面上,干燥之后能结成坚韧完整的保护薄膜的物质。飞机部件在制造成型之后,大多要涂上多层涂料,比如底漆、面漆、防腐剂。此外,还要给飞机敷上一层“面膜”,也就是外层涂装。

航空母舰等舰船使用材料种类繁多,工作环境复杂。舰船抗腐蚀主要依靠舰船涂料,除能提升防腐蚀能力外,还能有效助力舰船隐身。其中,航空母舰的飞行甲板涂料,不但要承受舰载机尾钩的冲击、阻拦索的研磨、飞机和车辆的碾压,还要遭受潮湿盐雾的海洋大气环境侵蚀、甲板清洁剂与油污的腐蚀。因此,对于大型水面舰艇而言,抗腐蚀工作更是不能有丝毫马虎。

对于普通柔性的中低强度铝合金蒙皮,通常做法是在表面覆盖一层非常薄的纯铝作为保护膜。这个时候战机就可以“素面朝天”,或者涂上客户喜欢的颜色。假如不涂色,战机的外观就是银色的高反光镜面,很多民航飞机的外表就是这样。

未来更重“强身健体”

对于强度较高的铝合金材料,大多采取“泡澡”方式处理,即进行阳极氧化处理。经过这道“美容”程序,材料表面会形成致密阳极氧化层。这层膜硬度高、耐磨性好、耐腐蚀能力强,可以使表层材料不太害怕风雨的侵蚀。阳极氧化层形成之后,材料会从热的良导体变成绝缘体,耐热性能大大提高,1500℃的高温都不在话下。同时,这层膜具有很强的吸附能力,可以在上面喷涂各种不同的保护漆,比如底漆或者面漆,会进一步延长材料在腐蚀环境下的寿命。这就是传统的飞机“美容术”。

随着相关技术的发展进步,提高武器装备的抗腐蚀性也不再像“美容术”那么简单。采用表面防护以及再制造等技术可以有效防止或延缓腐蚀,包括高速电弧喷涂防腐技术、纳米电刷镀防腐技术、等离子喷涂防腐技术、非晶态合金化学镀层防腐技术、纳米防腐涂料及涂装技术等新技术层出不穷。就拿最近几年出场的隐身战机来说,都用上了隐身涂料这一最新“护肤品”。美国F-35“闪电”战斗机使用的涂层更加结实耐用,再也不需要经常“补妆”。

这一层层的“粉”既“贵”又“重”,以民用的波音747飞机为例,装饰整机至少需要250千克涂料,对一架飞机进行彩色喷漆的费用最多可达20万美元。

近年来,美国一直在防腐蚀涂料领域加以探索。美国海军航空系统司令部正在研制的富铝底漆,可用于对飞机的铝和钢零件进行防护。这种富铝底漆能进一步提高整体防腐蚀性能,目前已经在H-60直升机和C-130运输机上进行了初步试验,未来极有可能对战机的防腐蚀工作带来变革性影响。此外,美国国防部高级研究计划局还针对舰载机高温尾流喷射带来的甲板变形问题,专门研发出耐高温的抗冲击防腐蚀涂料。

“整容”,只为战场求生

有人在涂层涂料上下功夫,也有人紧盯着材料性能不放,试图在“强身健体”上做文章。俄罗斯的AK系列镍铬加钛合金钢,堪称世界上屈服强度最高的材料,同时也有不错的抗腐蚀能力,可用于舰船和潜艇制造。美国近期正在研究碳/碳复合材料,正是看上了其出色的耐高温、耐热冲击和耐腐蚀性能。此外,石墨烯防腐涂料也逐渐出现在人们的视野中,目前已经应用于舰船、海上风电塔筒等设备的防腐蚀,未来极有可能在武器装备领域得到大规模应用。

随着高新科学技术的发展与投入运用,战斗机的“护肤”技术也在大步跟进。为提升战场生存率,战机甚至经受了从“护肤”到“整容”的巨变。

未来,还有很多“黑科技”将助力人们提升抗腐蚀技术水平。超疏水表面具有防水性质,可以阻断水分与金属材质的接触,进而解决水面舰艇的氧化腐蚀难题。美国海军还在研发一种新的涂料添加剂,旨在使军用车辆的涂层具有自愈合功能,即便遭遇划伤也能自动修复,从而有效防止车辆锈蚀。

20世纪80年代,美军开始列装F-117“夜鹰”战机。“夜鹰”打开了战机隐身技术的大门,也把新的“护肤”方式呈现在世人面前。海湾战争中,“夜鹰”飞到了防守严密的伊拉克首都巴格达核心区域进行投弹,而伊拉克的雷达居然毫无反应。之所以能实现“隐身”,是因为“夜鹰”成功进行了“整容”。

制图:赵文环

隐身飞机和普通飞机相比,机翼和机身做了特别的“剪裁”,大部分表面或者边缘都是倾斜而且相互平行的。这一设计,可以将前方的敌人雷达波反射到远离原方向的无害位置,而且飞机的雷达反射截面可缩减到未“剪裁”时的1%左右,使雷达发现距离极大缩短。

不仅如此,隐身飞机还运用了新型“护肤品”——隐身涂料。涂料在飞机隐身中起到的作用仅次于飞机的外形结构。常见的飞机隐身涂料包括雷达吸波涂料、红外吸波涂料、可见光吸波涂料、激光吸波涂料、声呐吸波涂料和多功能吸波涂料。

正常使用雷达隐身涂层,能使反射信号显着降低。美军的F-22“猛禽”战斗机使用的隐身材料多达6层。在与F-15“鹰”战斗机进行的空中模拟对抗中,即便“猛禽”飞到了目视距离,“鹰”的雷达仍然难以锁定它。这就是“整容”的威力。

但是,“猛禽”为此付出的代价也不小——其表面隐身涂层经常“掉粉”开裂。美军机务维护人员每天一半工作量都在给战机“补妆”,非常麻烦。为此机务人员调侃“猛禽”是“娇滴滴的机库皇后”。近年来,F-35“闪电”战斗机使用的涂层变得牢固而结实,不再需要经常给机身“补妆”。这也为各国“养护”战机提供了新的思路和借鉴。