Эффективность противокоррозионной защиты кремнийорганическими эмалями сварных соединений из сталей ВНС-2 и ВНС-5

Введение

В середине 1960-х гг. в ОКБ им. А.И. Микояна создали самолет нового класса – высотный скоростной истребитель-перехватчик МиГ-25П, на его базе – высотный разведчик МиГ-25Р. Расчетным режимом работы двигателей была высота >20 км и скорость, превышающая звуковой барьер в ~3 раза. На таких скоростях машина встречается с новым барьером – тепловым, связанным с кинетическим нагревом элементов конструкции самолета и двигателей (носовая часть нагревалась до температуры ~300 °С). Поэтому пришлось активно применять сталь, в частности для обшивки используют сваренные между собой листы нержавеющей стали вместо дюралюминиевых приклепанных [1].

Одной из главных задач при создании изделий авиационной техники является повышение надежности конструкции, что достигается благодаря применению материалов, превосходящих по своим механическим характеристикам используемые аналоги [2–6]. Конструкция планера сверхзвукового самолета МиГ-25 на 80 % состоит из нержавеющей стали, 11 % приходится на алюминиевые сплавы, 8 % – на титановые и лишь 1 % – на другие материалы. Центральная часть фюзеляжа – цельносварной агрегат из нержавеющих сталей марок ВНС-2, ВНС-4 и ВНС-5, разработанных в это же время в ВИАМ [7–9].

Проблема защиты от щелевой коррозии межшовного пространства сварных конструкций из стали типа ВНС-2 при точечной электросварке успешно решена за счет применения кремнийорганического антикоррозионного сварочного состава КСП-2АК [10], который обеспечивает сохранение прочности сварной точки в различных климатических условиях при температурах <250 °С. В этом случае для защиты всей поверхности сварной конструкции можно использовать покрытия на основе эпоксидных пленкообразователей. Более сложной задачей является обеспечение противокоррозионной защиты сварных соединений из сталей ВНС-2 и ВНС-5 в элементах конструкций авиационной техники, работающих в интервале температур 300–600 °С. Для противокоррозионной защиты сварных соединений при этих температурах могут использоваться только кремнийорганические эмали, которые по таким основным свойствам, как диффузионная проницаемость для воды, кислорода, ионов электролита и адгезия к защищаемой поверхности [11], существенно уступают эпоксидным покрытиям.

Цель данной работы – оценка эффективности применения и выбор наиболее эффективных кремнийорганических эмалей для противокоррозионной защиты сварных соединений из сталей ВНС-2 и ВНС-5.

Материалы и методы

Исследованы эмали:

‒ КО-814 алюминиевая (5 мас. ч. алюминиевой пудры ПАП-2 на 100 мас. ч. кремнийорганического лака КО-85);

‒ КО-88К алюминиевая (21 мас. ч. алюминиевой пудры ПАП-2 и 7 мас. ч. стабилизатора МФСН-В на 100 мас. ч. кремнийорганического лака КО-08);

‒ КО-856 (5 мас. ч. отвердителя А-39 марки А на 100 мас. ч. полуфабриката эмали);

‒ КО-818К на основе кремнийорганического лака КО-08 (6 мас. ч. стабилизатора МФСН-В на 100 мас. ч. полуфабриката эмали).

Эмали получали непосредственно перед применением.

Для изготовления сварных образцов из стали ВНС-2 использовали листы, профили и пластины толщиной 1,5; 2,5 и 3 мм соответственно. Профили и пластины изготовлены из поковок с помощью фрезерования, а затем подвергнуты противокоррозионному старению по специальной технологии.

Подготовленные таким образом заготовки пластин и листов сваривали в замок, а заготовки профилей – встык методом аргоно-дуговой электросварки с присадкой
ЭП-659. Сварной шов при сварке профилей встык зачищали заподлицо с двух сторон.

Для изготовления сварных образцов из стали ВНС-5 использовали горячекатаный лист толщиной 4 мм. Заготовки из листа отжигали, фрезеровали до толщины 2,5 мм и шлифовали до толщины 2 мм. После термообработки и правки заготовки подвергали обдувке корундом, кромки с одной стороны разделывали под сварку на 1 мм по толщине. Затем заготовки сваривали методом аргоно-дуговой электросварки с присадкой 08Х20НГ6, сварные швы зачищали щетками из нержавеющей стали и разрезали на образцы, которые подвергали пассивации.

Качество сварных соединений проверяли методом рентгенографического контроля.

На подготовленные соединения в зависимости от условий эксплуатации и технологических требований нанесены двухслойные покрытия. Образцы из стали ВНС-2 окрашены эмалью КО-814 (толщина покрытия 25 мкм), образцы из стали ВНС-5 – эмалями КО-88К, КО-856 и КО-818К (толщина покрытий 40–45 мкм).

Двухслойные покрытия на основе эмалей КО-88К и КО-818К подвергали искусственной сушке в течение 2 ч при температуре 200 °С; двухслойное покрытие на основе эмали КО-856 – естественной сушке в течение 5 сут.

Результаты и обсуждение

Стойкость к коррозионному растрескиванию сварных соединений из стали ВНС-2 оценивали по времени до появления видимой трещины при осмотре с помощью бинокулярного микроскопа с увеличением ×16.

Сварные образцы нагревали при температуре 300 °С в течение 48 ч для обезводороживания и в течение 500 ч для оценки эксплуатационного нагревания (ГОСТ 33291–2015), а также испытывали в камерах солевого тумана (ГОСТ 9.401–2018), тропического климата (СТП 1-595-20-100) и в промышленной атмосфере на стенде Московского центра климатических испытаний НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

После климатических испытаний в течение одного года на сварных соединениях до и после воздействия температуры 300 °С, включая образцы без покрытия, коррозионного растрескивания не выявлено.

При оценке влияния условий в камерах солевого тумана и тропического климата получили большой разброс данных по времени до появления трещин для образцов, подвергнутых одинаковой термической обработке. Поэтому в табл. 1 приведены минимальные значения времени до появления трещины, выявленной хотя бы у одного образца.

Таблица 1

Эффективность применения эмали КО-814 для защиты сварных соединений

из стали ВНС-2 от коррозионного растрескивания

Сварные соединения из стали ВНС-5, работающие при температурах 500 и 600 °С в течение 500 и 100 ч соответственно, предполагалось защищать от коррозии эмалью КО-88К, которая, согласно результатам применения в газотурбинных двигателях, считалась наиболее термостойкой. Однако более высокую термостойкость (700 °С в течение 100 ч) имеет покрытие на основе эмали КО-818К [12]. Кроме того, целесообразно исследовать эмаль КО-856, которая не требует искусственной сушки.

В табл. 2–4 представлены результаты сравнительных испытаний покрытий на основе эмалей КО-88К, КО-818К и КО-856. При определении адгезии и термостойкости кремнийорганических покрытий поверхность сварного шва предварительно подготавливали путем зачистки щетками из нержавеющей стали.

Таблица 2

Адгезия кремнийорганических покрытий к сварному соединению из стали ВНС-5

Таблица 3

Термостойкость кремнийорганических покрытий

на сварных соединениях из стали ВНС-5

Таблица 4

Противокоррозионные свойства кремнийорганических покрытий

на сварных соединениях из стали ВНС-5

Противокоррозионные свойства покрытий оценивали по результатам циклических испытаний. В течение каждого цикла испытаний образцы охлаждали при температуре –50 °С в течение 1 ч, нагревали при температурах 500 и 600 °С в течение 100 и 20 ч соответственно и экспонировали в камере тропического климата в течение 7 сут. После циклических испытаний образцы изучали с помощью бинокулярного микроскопа с увеличением ×16.

Анализ влияния коррозионноактивных сред, сварочных напряжений и повышенных температур на сварные соединения пластин и листов, а также профилей из стали ВНС-2 показал, что эффективность противокоррозионной защиты с помощью эмали КО-814 является высокой. Время до возникновения коррозионного растрескивания сварного шва для двух типов соединений с эмалью КО-814 после эксплуатационного нагревания при температуре 300 °С в течение 500 ч, а также испытания в камерах солевого тумана и тропического климата в ≥3 раза больше, чем для образцов без покрытия.

При этом продолжительность периода до начала коррозионного растрескивания для профилей без покрытия и с покрытием при испытаниях в камере солевого тумана составляет 11 и 121 сут соответственно. Учитывая, что у образцов без покрытия после обезводороживания при температуре 300 °С в течение 48 ч, эксплуатационного нагревания при температуре 300 °С в течение 500 ч и экспозиции в промышленной атмосфере в течение 1 года не выявлено следов коррозионного растрескивания, применение кремнийорганической эмали КО-814 естественной сушки для защиты сварных соединений из стали ВНС-2, работающих при температуре 300 °С длительно, можно считать эффективным.

Наиболее стабильные значения адгезии (табл. 2) в процессе увлажнения как к поверхности стали ВНС-5, так и к сварному шву имеет покрытие на основе эмали КО-88К. Однако способность к адгезии полностью утрачена на сварном шве после воздействия температуры 600 °С в течение 100 ч (табл. 3). Адгезия к подложке является определяющим фактором работоспособности покрытий на основе полиорганосилоксанов. После горячей сушки такие покрытия обладают высоким уровнем внутренних напряжений, а после воздействия температур 300–600 °С возникают дополнительные внутренние напряжения, которые стремятся разрушить связи на границе «покрытие–подложка», обеспечивающие высокую адгезию. Кроме того, адгезия будет снижаться при работе во влажных условиях в связи с возможными ошибками при подготовке поверхности перед окраской в случае отсутствия развитой шероховатой поверхности подложки. 

Недостаточная термостойкость покрытия на основе эмали КО-88К для сварного соединения из стали ВНС-5 зафиксирована также при циклических испытаниях (табл. 4). Надежная защита достигнута при использовании наиболее термостойкой эмали КО-818К (700 °С, 100 ч), хотя в этом случае в качестве пленкообразователя используется тот же кремнийорганический лак КО-08, что и в эмали КО-88К. Это объясняется тем, что в рецептуре эмали КО-818К применяются неорганические дисперсные наполнители, которые можно отнести как к катализаторам, так и антикатализаторам процесса термоокислительной деструкции [13]. Данное свойство неорганических дисперсных наполнителей учитывали при разработке рецептур не только эмалей КО-818К и КО-856, но и других термостойких лакокрасочных покрытий [14, 15].

Для покрытий, эксплуатируемых при повышенных температурах, особенно при температурах >300 °С, большое значение имеет такой показатель, как коэффициент излучения, который определяет количество тепловой энергии, излучаемой нагретой поверхностью. Чем выше коэффициент излучения покрытия, тем больше тепловой энергии будет излучать в окружающую среду защищенная этим покрытием поверхность. Все силикатные покрытия плиток и лакокрасочные покрытия на внешней поверхности МКС «Буран» имели коэффициент излучения ≥0,8 [16].

Среди изученных в данной работе покрытий максимальный коэффициент излучения (≥0,8) имело покрытие на основе эмали КО-818К, минимальный (~0,5) – на основе эмали КО-88К.

Заключения

Обеспечение защиты сварных соединений от коррозии всегда считали сложной задачей. Даже для защиты сварных соединений из алюминиевых сплавов в качестве первичного слоя систем покрытий применяют грунтовки с антикоррозионными пигментами, чаще всего грунтовку ВЛ-02, содержащую триоксихромат или тетраоксихромат цинка. Поэтому до проведения исследований эффективность применения кремнийорганических эмалей, не содержащих антикоррозионные пигменты, для защиты от коррозии сварных соединений различных типов из сталей ВНС-2 и ВНС-5 вызывала сомнение. Однако результаты исследований показали, что применение кремнийорганических эмалей позволяет обеспечить эффективную противокоррозионную защиту.

Кремнийорганическая эмаль КО-814 алюминиевая естественной сушки позволяет повысить в ≥3 раза стойкость к коррозионному растрескиванию сварных соединений различных типов из стали ВНС-2 после воздействия температуры 300 °С в течение 500 ч, камер солевого тумана и тропического климата.

Применение кремнийорганической эмали КО-818К обеспечивает эффективную противокоррозионную защиту сварного соединения из стали ВНС-5 после циклического воздействия отрицательных (–50 °С) и положительных (+600 °С) температур, а также экспозиции в камере тропического климата при общей продолжительности нагревания 500 и 100 ч при температурах 500 и 600 °С соответственно.

Результаты исследований позволили применить эмаль КО-818К для защиты стальных паяных сотовых панелей щитков элевона МКС «Буран», работающих при температуре 500 °С [12].

Кремнийорганическую эмаль КО-856 естественной сушки можно применять для ремонта сварных соединений из стали ВНС-5 в процессе эксплуатации.

Дополнительная зачистка сварного шва стали ВНС-5 щетками из нержавеющей стали повышает эффективность противокоррозионной защиты, особенно при использовании эмалей КО-88К и КО-856.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.