飞机蒙皮表面处理新技术海军航空工程学院青岛分院徐 丽 陈跃良 郁大照摘要介绍了飞机蒙皮常用的表面处理方法，概述了铝合金微弧氧化技术生成的陶瓷层的耐磨、耐蚀、强度、疲劳性能等，微弧氧化处理的陶瓷层具有优良特性，为微弧氧化技术推广到飞机蒙皮的表面处理上奠定了基础。
关键词表面处理新技术 微弧氧化 静载特性 疲劳特性 飞机蒙皮1 引言铝在自然界中分布极广，几乎占地壳中全部金属含量的三分之一[1]。
它具有比重轻、易加工、导电导热性好、抗腐蚀能力强等特点，因此，铝及其合金在现代工业和航空工业中得到了广泛的应用。
飞机、导弹、宇宙火箭及人造卫星均使用大量的铝及其合金，导弹的用铝量达到其全部重量的10%～15%。
铝在空气中会迅速跟氧结合，生成一层氧化铝薄膜，可以防止里面的铝继续与氧结合，能起到保护作用。
但由于这层氧化膜为非晶态，结构疏松、薄而多孔、硬度低、耐磨性差、机械强度低、耐蚀性差，因此还不能满足生产生活中对铝表面性能的要求。
在不同的应用领域，对铝合金性能要求不同，因此要对铝合金进行不同的表面处理，以达到各种用途。
随着近年来飞机结构日历寿命问题的日益突出，铝合金的腐蚀、腐蚀疲劳等问题也逐渐成为人们关注的焦点。
为了提高铝合金的耐蚀性，对铝合金材料表面处理的要求越来越高。
利用微弧氧化技术生成的陶瓷层与基体金属结合牢固，厚度最高可达300 µm，绝缘电阻大于100 MΩ，硬度甚至可达到3000 HV，从而大大改善了AL、Mg等有色金属的耐磨性、耐腐蚀和耐热冲击性，在航天航空、机械、电子和装饰等工业领域有着广泛的应用前景[2]。
随着微弧氧化技术的成熟，人们对微弧氧化膜层性能的研究也越来越多，主要体现在陶瓷层的耐磨、抗腐蚀、绝缘性、热稳定性、强度、疲劳性能等特性，本文归纳了多年来众多单位的研究成果，对陶瓷层的性能进行了概括，为微弧氧化技术推广到飞机蒙皮的表面预处理上奠定了基础。
2 飞机蒙皮表面处理方法对飞机蒙皮涂层系统来说，涂漆的表面绝大部分是铝蒙皮，金属表面预处理主要是指铝板的预处理。
铝板表面预处理的目的，是得到具有一定抗腐蚀性能的氧化层，并与底漆层具有良好的结合力。
在飞机工业上常用的飞机蒙皮铝板的表面处理方法有阳极化法、化学氧化法和磷化底漆三种[3]。
2.1 阳极氧化法工件置于电解质溶液中为阳极，在外电流作用下，在其表面生成氧化膜。
铝的阳极氧化膜的形成机理，是在电解池中铝作为阳极失去电子，与氧离子相结合而生成了氧化膜。
可用简单的化学方程式表示：2AL +3O→AL2O3+能量。
但是，实际上其反应机理非常复杂。
许多学者对膜的形成机理进行了大量的研究，提出了各自的解释，但是没有得到完全一致的看法，其中电场、溶解速度、离子的迁移速度等在膜的形成过程中起到了主导作用，并且比较一致的看法是膜生长的同时伴有膜的溶解，生成了相当多的气孔[4]。
虽然阳极氧化生成的膜层较厚，但前处理和后处理要求严格，处理工序复杂且陶瓷层致密性差。
2.2 化学氧化法通过化学反应在表面生成一层薄的氧化膜，称化收稿日期：2006-10-2615学氧化法，由于不需通电流，工艺上比阳极化法要简单，成本低。
但此法生成的氧化膜很薄，一般膜层厚度约在0.5～4µm，膜层质软，耐磨性很低，经受中等触碰时膜层有适度的牢固性，受到严重的触碰和腐蚀时，膜层会迅速被破坏。
故不宜单独使用。
膜层具有较好的物理吸附能力，是涂漆的良好底层，经化学氧化后再涂漆所得的防护层，可大大提高铝零件的防护能力。
2.3 磷化底漆在铝合金表面涂磷化底漆是在铝磷化的同时形成漆膜，磷化底漆本身不能单独起到底漆的作用，是一种表面预处理方法，主要用在不能进行阳极化或化学氧化的部件，如飞机表面涂层的返修重涂涂料时采用磷化底漆。
磷化底漆使用简便，有优良的附着力，成膜性好、干燥快、脱漆性好，但对施工条件要求高。
3 微弧氧化技术及陶瓷层性能在阳极氧化基础上发展起来的微弧氧化技术，又称微等离子体氧化或阳极火花沉积，是将AL、Mg、Ti等有色金属或其合金置于电解质水溶液中，利用电化学方法在金属表面产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，生成陶瓷膜层的方法[5]。
它是一种直接在有色金属表面原位生长陶瓷层的新技术，其主要方式是通过在工件上施加电压，突破传统的阳极氧化电流、电压法拉第区域的限制，阳极电位由几十伏提高到几百伏，氧化电流由小电流发展到大电流，由直流发展到交流，致使在工件表面出现电晕、辉光、微弧放电，甚至火花斑等现象，使工件表面的金属在微等离子体的高温高压下与电解质溶液相互作用，在金属表面形成A1203陶瓷膜，达到工件表面强化的目的。
铝合金材料的微弧氧化过程的突出特点是：(1)与许多表面强化工艺相比，微弧氧化工艺设备简单，反应在常温下进行。
在加工的过程中，不产生有害气体，残液排放符合环保要求。
除了处理铝及铝合金材料之外，还可处理钛、镁、铌等金属，对黑色金属的强化处理也有很大进展；（2）大幅度提高了铝合金材料的表面硬度。
具有良好的耐磨、耐热、绝缘、抗腐蚀性能。
这从根本上克服了铝合金材料在应用中的缺点，因此该技术有广阔的应用前景[6]。
3.1 耐蚀性文献7参照硫酸、铬酸阳极氧化膜评定标准，对未经处理的和经微弧氧化处理的试样进行点滴腐蚀实验。
点滴实验所用的溶液成分为：盐酸(1.19g/cm3)25mL、重铬酸钾3g、蒸馏水75mL、溶液pH值为1～2。
评定标准为表面液滴开始变绿所需的时间，实验结果如表1。
表1 点滴腐蚀实验结果试样膜厚/µm 表面液滴开始变绿时间/minLY12铝合金圆片未经微弧氧化处理 30sLY12铝合金圆片 4.5 10 LY12铝合金圆片 15 20 LY12铝合金圆片 25 35而氧化时间为40min的普通工业级阳极氧化膜,在点滴腐蚀实验6min后表面开始变绿。
可知微弧氧化处理后，试样的耐腐蚀性得到了较大的提高，且随着膜厚的增加，膜层中致密层的厚度也不断变大，耐腐蚀性会得到进一步提高。
也有文献将制得的氧化膜经过3000h中性盐雾试验后，氧化膜表面未发现腐蚀坑，也未见任何腐蚀痕迹。
3.2 耐磨性资料表明[8]，铝合金材料经过微弧氧化表面改性处理后，涂层的表面磨损外观比较均匀，并且磨损痕迹也比较轻微，而未经过微弧氧化处理的基材样品，其磨损状况就出现了“犁沟”现象。
图1和图2为LY12铝合金表面微弧氧化膜与45Cr钢球对磨时轮廓形貌和摩擦系数随实验时间的变化。
由于两种材料弹性变形和塑性变形的高温稳定性，二者进行的是磨料磨损，初始摩擦因数比较高，达到0.7左右，随后稳步下降，逐渐达到平稳状态，此时摩擦因数在0.48 左右，体积磨损率约为8.1×10 -8mm3/Nm，耐磨性能极1617为优异。
国外对微弧氧化膜的研究表明，微弧氧化膜具有优良的摩擦磨损特性，其耐磨性可与硬质合金相媲美。
图1 陶瓷球对磨时的轮廓形貌图2 陶瓷球对磨时的摩擦系数 3.3 绝缘性绝缘性能提高的根本原因是陶瓷层厚度和致密性的增加。
通过实验，在适当工艺参数控制下，微弧氧化陶瓷层的击穿电压可达1200V ，且随膜层增厚和致密性提高而增大。
3.4 热分析实验表明，300µm 厚的耐热层在一个大气压下可承受3000℃的高温，在100大气压下的气体介质中，承受6000℃的高温达2s ，微弧氧化得到的陶瓷层与基体结合牢固，不会因急冷急热在基体与覆层之间产生裂纹[6]。
3.5 硬度与结合力铝合金微弧氧化膜硬度很大，远高于阳极氧化铝层，其致密层显微硬度可达800～1700 HV ，具有很强的负载支持能力。
从氧化膜的表层到基体，其断面显微硬度值先增大后减小[9]，硬度的数值在膜/基体界面处逐渐过渡，具有缓冲作用，使软基体与硬质膜具有很强的结合力。
3.6 强度及疲劳性能 3.6.1 抗拉强度以LY12-CZ 铝合金为实验材料，对陶瓷层的强度性能进行了初步探讨，试件尺寸为200mm×30mm ×2mm ，陶瓷层的厚度分别为0µm （表面阳极化）、15µm 、20µm 、25µm 。
对于微弧氧化处理试样和未处理试样，强度性能和延伸率相当一致。
这表明：在膜层较薄时，试样表面微弧氧化处理对铝合金材料的拉伸性能没有明显影响，不随膜厚的变化而改变。
其静载数据如表2。
这一结果可以解释如下：材料的拉伸强度反映的是整体试样的宏观力学行为，取决于试样的整体组织结构，而在本试验条件下，微弧氧化处理只改变了试样表层几个微米深度的组织结构，其所产生的影响不会超出试验数据的波动范围(约为3%～5%)。
此外，这一结果同时说明，由微弧氧化处理使材料表层快速加热和冷却，而导致试样表层产生的残余应力，其应力水平明显低于材料的弹性极限，并未破坏整体材料的应力平衡，不会对材料的宏观强度性能产生不良影响。
表2 试样静拉伸数据膜层厚度/µm最大载荷/N抗拉强度σb /MPa延伸率/%0 12210 407 23.015 12340 411.33 23.620 12256 408.53 22.625 12221 407.37 24.03.6.2 疲劳性能文献[10]对微弧氧化处理试件的疲劳特性进行了研究，结果表明：膜厚为15µm 、20µm 的试件的平均循环次数分别提高19.8%、24.4%（与阳极化比较），膜厚为25µm的试件的平均循环次数降低14.6%。
可知，随着膜层厚度的增加，疲劳特性先提高后降低，膜厚有一极限值，大于极限值疲劳特性降低。
从断口图片观察，膜层为15µm、20µm的试件疲劳断裂后断口膜层与基体结合紧密，膜厚为25µm的试件疲劳断裂后断口膜层部分脱落，说明膜层厚度有一极限值，大于极限值，试件疲劳后膜层与基体结合不紧密，容易脱落。
4 结论飞机防护涂层对抵抗环境对结构的腐蚀非常重要。
涂层的防腐效果取决于本身的抗老化性能、力学性能及涂层与金属基体的附着力。
一般涂层难以全部满足这3种性能要求。
现役飞机所采用的涂层体系防腐效果比较差，这是飞机结构产生严重腐蚀的根本原因之一。
目前我国沿海和内陆湿热地区服役的主要机种都存在不同程度的涂层老化失效，及由此引起的基体结构腐蚀问题严重地影响着飞机的安全飞行、经济维修和使用寿命。
因此研发抗环境老化品质优良、耐腐蚀的防护涂层，并将推广应用于飞机结构中，是当前军用飞机抗腐蚀研究和延长日历寿命亟待解决的关键技术。
飞机防护涂层体系由表面预处理、底漆、面漆组成。
一直以来，人们致力于防腐涂料的研发，如研发了纳米复合涂料。
微弧氧化技术是一项新型的铝合金表面改性技术，它把氧化铝的陶瓷性能与铝合金的金属性能结合起来，使材料具有更加优良的物理化学性能，为把此技术应用于军用飞机结构件的表面预处理上的可能性奠定了基础。