Эрозионностойкие лакокрасочные покрытия авиационного назначения
В первой части обзора обобщены результаты исследований эрозионной стойкости покрытий на основе эпоксидных, полиуретановых и полиимидных пленкообразователей с теплостойкостью до 350 °С. Установлено, что эрозионная стойкость покрытий зависит не только от прочности и относительного удлинения, но также и от их динамических параметров и свойств наполнителей.
Во второй части обобщены результаты разработки эластомерных эрозионностойких покрытий на основе хлорсульфированного полиэтилена и фторкаучука с теплостойкостью до 250 °С, а также систем покрытий с эрозионностойкими эмалями на основе этих эластомеров, предназначенных для защиты от эрозии радиопрозрачных антенных обтекателей из стеклопластиков.
Введение
В первой части статьи [1] показана актуальность проблемы повышения эрозионной стойкости покрытий [2–5], приведены основные уравнения, характеризующие влияние параметров двухфазного потока на скорость эрозии [6–8], рассмотрены типы установок для испытания материалов и покрытий на стойкость к газоабразивному изнашиванию [9–13].
Показаны зависимость эрозионной стойкости от прочности, относительного удлинения и вязкоупругих свойств покрытия, а также влияние формы и твердости дисперсных наполнителей, входящих в состав покрытий, на их эрозионную стойкость.
Приведены данные по эрозионной стойкости, теплостойкости, технологическим и физико-механическим свойствам эпоксиполиамидного, эпоксикаучукового, полиуретанового и полиимидного покрытий.
Во второй части статьи будут рассмотрены проблемы, связанные с разработкой эластомерных покрытий и систем покрытий на основе хлорсульфированного полиэтилена и фторкаучука для защиты радиопрозрачных антенных обтекателей с теплостойкостью до 250 °С.
Внешний вид части поверхности стеклопластиковых конусов после газодинамических испытаний:
а – при температуре 450 °С в течение 2,5 ч на фенольнофурфурольном стеклотекстолите ФН (правая часть покрыта шпатлевкой на основе смолы ВИАМ-Б3 с молотой слюдой, левая – шпатлевкой КО-0066); б – при температуре 800 °С в течение 1 мин на кремнийорганическом стеклотекстолите СК-9МР (смола К-9) (правая часть покрыта шпатлевкой КО-0066, левая – шпатлевкой КО-0067М)
Задачи, которые решены при разработке покрытий для защиты радиопрозрачных антенных обтекателей из стеклопластиков от газоэрозионного изнашивания в интервале температур 400–1200 °С, рассмотрены ранее в статье [14], где показана эффективность применения кремнийорганических шпатлевок при воздействии высокотемпературного газового потока (см. рисунок).
Материалы и методы
В настоящее время в изделиях авиационной техники большое значение имеют детали из полимерных композиционных материалов (ПКМ), которые в ряде случаев требуют защиты от эрозионного разрушения в процессе эксплуатации.
Опыт эксплуатации самолетов (Ту-154, Ил-76 и др.) показал, что эрозионная стойкость покрытий на основе перхлорвиниловых, эпоксидных и акриловых связующих, применявшихся для окраски носовых антенных обтекателей, явно недостаточна (в ряде случаев – всего несколько десятков взлетов и посадок).
Ранее используемое эрозионностойкое покрытие на основе хлоропрена имело только один цвет – черный, а для самолетов (например, Ту-154 и Ил-76) требовались эмали белого и серого цветов. Из опыта эксплуатации зарубежных самолетов известно, что эластомерные покрытия обтекателей обладают наиболее высокой эрозионной стойкостью.
Разрушения эластомерных покрытий можно оценить по уравнению из работы [15], которое учитывает ударную упругость. Среди полимерных материалов наибольшей ударной упругостью отличаются именно эластомеры. Однако на основе хлоропрена и полиуретанового каучука в настоящее время не удалось получить покрытия белого цвета, стабильно сохраняющего его при ультрафиолетовом облучении.
Впервые разработаны рецептуры эрозионностойкой радиопрозрачной эмали белого и серого цветов ХП-5184, грунта ХП-0206 и шпатлевки ХП-0064 на основе хлорсульфированного полиэтилена [15]. В качестве вулканизующего агента для хлорсульфированного полиэтилена в рецептурах эмали и шпатлевки использовали метилсилазан общей формулы {(CH3)2Si–NH[CH3–Si(NH)1,5]m}n, где m=1–3; n˃5.
Испытания эмали ХП-5184 проводили в сравнении с другими композициями [16, 17] на основе хлорсульфированного полиэтилена (табл. 1).
Таблица 1
Рецептуры композиций на основе хлорсульфированного полиэтилена
Компоненты | Состав пленкообразующей композиции, % (по массе) | |
1 | 2 | |
Хлорсульфированный полиэтилен с молекулярной массой 25000 (2% серы и 28% хлора) | 100 | 100 |
Оксид магния | 5 | 5 |
Диоксид титана | 50 | 50 |
Эпоксидная смола Э-41 | 5 | 5 |
Канифоль | 5 | 5 |
Каптакс | 1 | 1 |
Гуанидин | 1 | 1 |
Оксид сурьмы | – | 10 |
Как показали сравнительные результаты испытаний эмали ХП-5184, композиций 1 и 2 и покрытия с эмалями ХВ-16 и АС-131 (табл. 2), при использовании метилсилазана светостойкость эмали ХП-5184 существенно увеличивается по сравнению со светостойкостью композиций 1 и 2.
Таблица 2
Свойства эмалей на основе хлорсульфированного полиэтилена
Свойства | Значения свойств | |||
композиции 1 | композиции 2 | эмали ХП-5184 | покрытия с эмалью ХВ-16 и АС-131 | |
Эрозионная стойкость на установке «Тайфун» при толщине 180–220 мкм, циклы | 18 | 18 | 15 | 1,2–2 |
Ударная упругость, число ударов (с энергией 5 кгс·м) до разрушения покрытия | 10 | 10 | 10 | 1 |
Светостойкость покрытия белого цвета (испытания под кварцевой лампой в течение 100 ч) | Изменение цвета до коричневого | Практически без изменения цвета | Без изменения цвета | |
Диэлектрическая проницаемость при частоте 106 Гц | 4,5–5 | 4,5–5 | 4,0–4,5 | 3,2–3,5 |
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц | 0,05–0,07 | 0,05–0,07 | 0,045–0,065 | 0,02–0,03 |
Твердость по маятниковому прибору типа М-3, усл. ед. | 0,15–0,17 | 0,15–0,17 | 0,36–0,4 | 0,4–0,45 |
Стабильность композиции при хранении (жизнеспособность) | Менее 10 сут | Более 6 мес | ||
Для повышения радиопрозрачности в рецептуру шпатлевки ХП-0064 вместо диоксида титана вводили в том же количестве пустотелые микросферы из оксида алюминия [15]. В табл. 3 и 4 представлены основные свойства эмали ХП-5184 и шпатлевки ХП-0064.
Таблица 3
Основные технические характеристики эмали ХП-5184
Свойства | Значения свойств |
Цвет пленки эмали | Белый, серый |
Внешний вид пленки эмали | Однородная |
Условная вязкость полуфабриката эмали по вискозиметру типа ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм при 20±0,5 °С, с | 90–150 |
Массовая доля нелетучих веществ полуфабриката эмали, % | 30±3 |
Время высыхания до степени 3, ч (не более), при температуре, °С: |
|
20±2 | 24 |
70±2 | 3 |
Твердость пленки по маятниковому прибору типа М-3, усл. ед. (не менее) | 0,22 |
Прочность пленки при ударе, см (не менее) | 50 |
Стойкость покрытия к статическому действию воды при температуре 20±2 °С, ч (не менее) | 3 |
Тангенс угла диэлектрических потерь покрытия при частоте 1–5 МГц (не более) | 0,065 |
Диэлектрическая проницаемость покрытия при частоте 1–5 МГц (не более) | 5,2 |
Эрозионная стойкость, цикл (не менее) | 10 |
Таблица 4
Основные технические характеристики шпатлевки ХП-0064
Свойства | Значения свойств по ТУ6-10-1937–84 |
Цвет пленки шпатлевки | Белый |
Внешний вид пленки шпатлевки | Однородная |
Условная вязкость полуфабриката шпатлевки по вискозиметру типа ВЗ-246 (ВЗ-4) с диаметром сопла 4 мм при температуре 20±0,5 °С, с | 30–120 |
Массовая доля нелетучих веществ полуфабриката шпатлевки, % | 26±3 |
Время высыхания до степени 3 при температуре 80±2 °С, ч (не более) | 3 |
Жизнеспособность после смешения компонентов, ч (не менее) | 6 |
Эластичность пленки при изгибе, мм (не более) | 3 |
Твердость покрытия по маятниковому прибору М-3, усл. ед. (не менее) | 0,13 |
Способность шпатлевки к нанесению на поверхность | Должна хорошо наноситься на окрашиваемую поверхность краскораспылителем при рабочей вязкости |
Недостаточная адгезия к стеклопластикам эмалей ХП-5184 и шпатлевки ХП-0064 потребовала разработки специальной грунтовки ХП-0206. Основная проблема при этом заключалась в том, что в стандартные смеси можно ввести только 5% (по массе) эпоксидной смолы. Введения 30% (по массе) эпоксидной смолы удалось добиться только благодаря использованию в качестве растворителя циклогексанона в смеси с толуолом.
Основные свойства грунтовки ХП-0206 представлены в табл. 5.
Для повышения влагозащитных свойств и радиопрозрачности систем покрытий с эмалью ХП-5184 разработана эпоксидная шпатлевка ЭП-0065 (табл. 6), в состав которой, так же как и в состав шпатлевки ХП-0064, входят пустотелые микросферы из оксида алюминия.
Эмаль ХП-5184 в системах с грунтовкой ХП-0206 и шпатлевками ХП-0064 и ЭП-0065 применяли для защиты антенных обтекателей самолетов Ту-154 и Ил-76.
Особенностью систем покрытий с эмалью ХП-5184 является применение грунтовки ХП-0206 и шпатлевок (ХП-0064, ЭП-0065), которые (помимо основного своего назначения как выравнивающего слоя) обладают эрозионной стойкостью, поэтому их наносят сплошным слоем на всю поверхность детали.
Таблица 5
Основные технические характеристики грунтовки ХП-0206
Свойства | Значения свойств |
Цвет пленки грунтовки | Зеленый |
Внешний вид пленки грунтовки | Однородная |
Условная вязкость полуфабриката грунтовки по вискозиметру типа ВЗ-246 (ВЗ-4) с диаметром сопла 4 мм при температуре 20±0,5 °С, с | 100–160 |
Массовая доля нелетучих веществ полуфабриката грунтовки, % | 26±3 |
Время высыхания до степени 3, ч (не более), при температуре, °С: |
|
20±2 | 24 |
70±2 | 3 |
Жизнеспособность после смешения компонентов, ч (не менее) | 6 |
Эластичность пленки при изгибе, мм (не более) | 1 |
Адгезия, балл (не более) | 1 |
Адгезия эмали ХП-5184 к грунтовке, балл (не более) | 1 |
Таблица 6
Основные технические характеристики шпатлевки ЭП-0065
Свойства | Значения свойств |
Цвет шпатлевочного слоя | Красный, оттенок не нормируется |
Внешний вид шпатлевочного слоя | После высыхания шпатлевка должна образовывать однородную, без пузырей и посторонних включений поверхность |
Массовая доля нелетучих веществ полуфабриката шпатлевки, % | 85–90 |
Время высыхания до степени 3 при температуре 80±2 °С, ч (не более) | 3 |
Срок годности шпатлевки после смешения компонентов, ч | 6 |
Твердость шпатлевочного слоя по маятниковому прибору типа ТМЛ (маятник А), усл. ед. (не менее) | 0,12 |
Эластичность шпатлевочного слоя при изгибе, мм (не более) | 15,0 |
Способность шпатлевки к нанесению на поверхность | Должна хорошо наноситься на окрашиваемую поверхность краскораспылителем при рабочей вязкости |
Высокой термостойкостью (до 175 °С) обладает эмаль ERC-5, которая при толщине 300 мкм в системе с грунтовкой PR-143 выдерживает 30 циклов воздействия абразивом на установке «Тайфун» и имеет ε=3,5 и tgδ=0,06 при частоте 106 Гц.
Однако эмаль ERC-5 является негрибостойкой, а после воздействия температуры ≥135 °С у покрытия начинается изменение цвета – и тем более заметное, чем выше температура.
Указанных недостатков лишена эмаль КЧ-5185 (табл. 7) с термостойкостью 250 °С, впервые созданная на основе фторкаучука и γ-аминопропилтриэтоксисилана в качестве вулканизующего агента, а также разработанные фторопластовая эмаль ФП-5105 (табл. 8) и эпоксидно-полиамидная грунтовка ЭП-0104 (табл. 9), которые обязательно применяют в системах с эмалью КЧ-5185 [16, 18].
Эрозионная стойкость эмали КЧ-5185 при толщине покрытия 120 мкм составляет 15 циклов. Характерной особенностью материалов на основе эластомеров является зависимость интенсивности эрозионного износа от толщины покрытия, что особенно заметно проявляется при толщине ˂100 мкм. Поэтому эрозионностойкие эмали на основе эластомеров наносятся толщиной не менее 120 мкм. Как показали исследования, проведенные в 2018 г. (магистерская работа Н.Д. Найденова «Исследование эрозионной стойкости систем покрытий на основе фторсополимерных и эпоксикаучуковых композиций»), эрозионная стойкость фторкаучуковых покрытий может быть повышена не менее чем в 1,5 раза за счет замены части дисперсного наполнителя на армирующий.
Таблица 7
Основные технические характеристики эмали КЧ-5185
Свойства | Значения свойств |
Цвет пленки эмали | Серый, белый |
Внешний вид пленки эмали | Однородная, матовая |
Условная вязкость полуфабриката эмали по вискозиметру ВЗ-4 с диаметром сопла 4 мм при температуре 20±0,5 °С, с | 20–80 |
Массовая доля нелетучих веществ полуфабриката эмали, % | 15–24 |
Время высыхания до степени 3, ч (не более), при температуре, °С: |
|
20±2 | 24 |
120±2 | 2 |
Жизнеспособность после смешения компонентов, ч (не менее) | 24 |
Твердость покрытия по маятниковому прибору М-3, усл. ед. (не менее) | 0,2 |
Прочность пленки при ударе, см (не менее) | 50 |
Стойкость покрытия к статическому действию воды при температуре 20±2 °С, ч (не менее) | 3 |
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц (не более) | 0,2 |
Диэлектрическая проницаемость при частоте 106 Гц (не более) | 9 |
Таблица 8
Основные технические характеристики эмали ФП-5105
Свойства | Значения свойств |
Цвет пленки эмали | Белый, темно-серый, оттенок не нормируется |
Внешний вид пленки эмали | После высыхания пленка должна быть ровной, однородной, полуматовой, без посторонних включений |
Условная вязкость полуфабриката эмали по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм, при температуре 20 °С, с | 20–50 |
Массовая доля нелетучих веществ полуфабриката эмали, % | 17–20 |
Время высыхания до степени 3 при температуре 120±2 °С, ч | 3 |
Эластичность пленки при изгибе, мм (не более) | 1 |
Твердость пленки эмали по прибору типа М-3, усл. ед. (не менее) | 0,6 |
Стойкость пленки к действию воды при температуре 20 °С, ч (не менее) | 5 |
Диэлектрическая проницаемость при частоте 106 Гц | 3–5 |
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц (не более) | 0,03 |
Теплостойкость при температуре 300 °С, ч (не менее) | 4 |
Указанные лакокрасочные покрытия используют в системах покрытий, которые состоят из нескольких слоев различного назначения. Так, эмаль КЧ-5185, как правило, применяют в системе, состоящей из выравнивающего шпатлевочного слоя, адгезионного грунта, влагозащитного слоя и самой эмали КЧ-5185 как эрозионностойкого слоя.
При нанесении влагозащитного слоя эмали ФП-5105 не только на адгезионный грунт, но и на слой эмали КЧ-5185, эрозионная стойкость такой системы покрытий возрастает на 30%, хотя при этом толщина системы покрытий увеличивается до 200 мкм.
При окраске деталей конструкционного назначения для снятия электростатического заряда в систему на основе эмалей КЧ-5185 и ХП-5184 может быть введена электропроводящая грунтовка ЭП-0181. При этом конструкционно решен вопрос об обеспечении электрического контакта грунтовки с металлическими частями изделия. При необходимости проведения ремонта применяют специальную смывку [19].
При выполнении магистерской работы также показано, что эрозионная стойкость системы покрытий с эмалью КЧ-5185 толщиной 150–155 мкм в 3 раза превышает эрозионную стойкость системы покрытий с эмалью ЭП-5236 той же толщины.
Таблица 9
Основные показатели, контролируемые при производстве и применении грунтовки ЭП-0104
Свойства | Значения свойств |
Цвет пленки грунтовки | Белый, зеленый, оттенок не нормируется |
Внешний вид пленки грунтовки | Высохшая пленка грунтовки должна быть матовой, однородной, без посторонних включений |
Условная вязкость полуфабриката грунтовки по вискозиметру ВЗ-4 с диаметром сопла 4 мм при температуре 20 °С, с | 11–13 |
Массовая доля нелетучих веществ полуфабриката грунтовки, % | 35–40 |
Время высыхания пленки до степени 3 при температуре 70 °С, ч | 1 |
Эластичность пленки при изгибе, мм (не более) | 1 |
Термостойкость при температуре 200 °С, ч | 3 (не допускаются отслаивание и вспузыривание пленки; допускается изменение цвета в сторону потемнения или пожелтения) |
Адгезия эмалей ФП-566 (ТУ6-10-617–75) или ФП-5105 (ТУ6-10-954–70) к грунтовке после увлажнения образцов в воде при температуре 20±2 °С в течение 24 ч – по методу решетчатых надрезов, балл (не более) | 1 |
Анализируя достигнутый уровень эрозионной стойкости эластомерных лакокрасочных покрытий авиационного назначения, следует отметить, что максимальную эрозионную стойкость (30 циклов при толщине 300 мкм) имеет импортное полиуретановое покрытие ERC-5.
Применительно к антенным обтекателям толщина эрозионностойкого покрытия зависит от его диэлектрических свойств – чем меньше диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь, тем большей толщины можно нанести эрозионностойкое покрытие. Поэтому покрытие ERC-5 наносят толщиной до 300 мкм, а эмаль КЧ-5185 – толщиной 120–155 мкм.
В том случае, когда требование по радиопрозрачности отсутствует, эрозионностойкие покрытия для защиты винтовентиляторных и компрессорных лопаток из ПКМ можно нанести толщиной ˃500 мкм [20–22], так как при этом достигается максимальная защита от эрозионных разрушений.
Разработку более эрозионностойких лакокрасочных покрытий необходимо осуществлять с учетом современных тенденций создания авиационной техники нового поколения [23–25].
Заключения
Разработанные во ФГУП «ВИАМ» эрозионностойкие эпоксидные и эластомерные покрытия способны обеспечить устойчивую эксплуатацию авиационной техники различного назначения.
Разработанные во ФГУП «ВИАМ» эрозионностойкие радиопрозрачные фторкаучуковые системы покрытий по уровню термостойкости значительно превосходят зарубежную эмаль ERC-5.
Определены направления дальнейшего повышения эрозионной стойкости фторкаучуковых покрытий.
- Кондрашов Э.К., Найденов Н.Д. Эрозионностойкие лакокрасочные покрытия авиационного назначения. Часть 1. Эрозионностойкие лакокрасочные покрытия на основе эпоксидных и полиуретановых пленкообразователей (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2020. №2 (86). Ст. 09. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 20.02.2020). DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-2-81-90.
- Чеботаревский В.В., Кондрашов Э.К. Технология лакокрасочных покрытий в машиностроении. М.: Машиностроение, 1978. 296 с.
- Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
- Бузник В.М., Каблов Е.Н., Кошурина А.А. Материалы для сложных технических устройств арктического применения // Научно-технические проблемы освоения Арктики. М.: Наука, 2015. С. 275–285.
- Каблов Е.Н. Контроль качества материалов – гарантия безопасности и эксплуатации авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. 2001. №1. С. 3–8.
- Эрозия / пер. с англ. под ред. Ю.В. Полежаева. М.: Мир, 1982. 464 с.
- Кащеев В.Н. Абразивное разрушение твердых тел. М.: Наука, 1970. 248 с.
- Клейс И.Р. Теория трения, износа и проблемы стандартизации. Брянск: Приок. кн. изд-во, 1978. 387 с.
- Ратнер А.В., Зелинский В.Г. Эрозия материалов теплоэнергетического оборудования. М.; Л.: Энергия, 1966. 271 с.
- Урванцев Л.А. Эрозия и защита металлов. М.: Машиностроение, 1966. 235 с.
- Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика. М.: Высшая школа, 1970. 424 с.
- Козырев С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. М.: Машиностроение, 1964. 139 с.
- Перельман Р.Г. Эрозионная прочность деталей двигателей и энергоустановок летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1980. 246 с.
- Кондрашов Э.К. Термостойкие кремнийорганические шпатлевки // Труды ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2017. №10 (58). Ст. 07. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 12.01.2020). DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-10-7-7.
- Кондрашов Э.К. Эрозионностойкая радиопрозрачная эмаль ВЭ-14 // Авиационная промышленность. 1976. №1. С. 67–68.
- Гольдберг М.М. Материалы для лакокрасочных покрытий. М.: Химия, 1972. 344 с.
- Лакокрасочные материалы: справочник / под ред. И.Н. Сапгира. М.: Изд-во хим. лит., 1961. 506 с.
- Лакокрасочные материалы. Технические требования и контроль качества: справ. пособие: в 2 т. М.: Химия, 1977. Т. 2. 286 с.
- Семенова Л.В., Новикова Т.А., Нефедов Н.И. Изучение смывающей способности смывок для удаления систем лакокрасочных покрытий // Авиационные материалы и технологии. 2017. №1 (46). С. 32–37. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-1-32-37.
- Elastomer coated layer for erosion and/or fire protection: pat. US5908528; field 16.04.98; publ. 06.01.99.
- Elastomer coated layer for erosion and/or fire protection: pat. US5912195; field 16.04.98; publ. 15.06.99.
- Кузнецова В.А., Шаповалов Г.Г. Тенденции развития в области эрозионностойких покрытий (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2018. №11 (71). Ст. 09. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 12.01.2020). DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-11-74-85.
- Железина Г.Ф., Соловьева Н.А., Макрушин К.В., Рысин Л.С. Полимерные композиционные материалы для изготовления пылезащитного устройства перспективного вертолетного двигателя // Авиационные материалы и технологии. 2018. №1 (50). С. 58–63. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-1-58-63.
- Павлюк Б.Ф. Основные направления в области разработки полимерных функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. С. 388–392. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-388-392.
- Гращенков Д.В. Стратегия развития неметаллических материалов, металлических композиционных материалов и теплозащиты // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. С. 264–271. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-264-271.