Стойкость лакокрасочных покрытий при воздействии газообразной и газокапельной эрозии

Введение

Создание эрозионностойких лакокрасочных покрытий (ЛПК) является актуальной задачей современного материаловедения. Такие покрытия находят широкое применение для защиты лопастей воздушных винтов самолетов и несущих винтов вертолетов, лобовых кромок крыла, лопаток компрессора газотурбинного двигателя и других агрегатов летательных аппаратов [1–5].

Эрозионное разрушение конструкционных материалов и защитных покрытий, применяемых в конструкциях летательных аппаратов, происходит в результате последовательных соударений твердых или жидких частиц, содержащихся в атмосферных образованиях. Таким образом, эрозия – это процесс поверхностного разрушения материала или покрытия под воздействием внешней среды (воздушный поток, содержащий твердые частицы или капли дождя). Характер взаимодействия и объем разрушения определяются физико-механическими свойствами, размером, формой и скоростью частиц, а также зависят от формы поверхности. Следует отметить, что влияние скорости соударения является определяющим фактором. На характер и величину эрозионного разрушения влияет угол соударения частиц с поверхностью. Установлено, что такое влияние зависит от физико-механических свойств материалов. Так, для пластичных материалов максимальный унос массы достигается при небольших углах соударения (15–30 градусов), для хрупких – при углах, близких к 90 градусам.

Газоабразивное разрушение характеризуется образованием и развитием трещин, появлением областей больших касательных напряжений. Газокапельное разрушение происходит под действием импульсной нагрузки при ударе капли и развивается как сложный динамический процесс, при котором в момент удара капли возникают волны напряжений [6–12].

Эрозионная стойкость полимерных ЛКП определяется способностью выдерживать воздействие твердых или жидких частиц без существенного снижения уровня физико-механических и защитных свойств. Эрозионная стойкость ЛКП зависит от величины адгезии покрытия к защищаемой поверхности и его толщины.

На эрозионный износ ЛКП влияют природа и надмолекулярная структура полимерного пленкообразующего, а также физико-механические свойства полученного на его основе покрытия.

Выбор эрозионностойкого полимерного покрытия регламентируется следующими требованиями:

– характеристика эрозионного воздействия;

– температурный диапазон эксплуатации покрытий;

– допустимый (по конструктивным особенностям) уровень толщины покрытия.

Для исследования эрозионной стойкости материалов и покрытий используются различные приборы, стенды и установки, с помощью которых оценивается устойчивость к газоабразивному и газокапельному износу. Для определения стойкости ЛКП к газоабразивной эрозии используют установки центробежного типа или скоростные установки аэродинамического типа. Стойкость покрытий к газоабразивной эрозии обычно оценивают по изменению массы или формы образцов [13–24].

В настоящее время разработан ряд методик для исследования характеристик эрозионного износа авиационных материалов при воздействии двухфазного потока на установках аэродинамического (ASTM G76-04, РТМ 1.2.046–84) и центробежного типа (РТМ 1.2.168–2001), а также с помощью центробежного ускорителя (ГОСТ 23.201–84).

Сущность методов заключается в изнашивании неподвижных образцов двухфазным воздушным потоком, содержащим твердые частицы, при фиксированных параметрах режимов испытаний: угле соударения, концентрации и скорости абразивных частиц.

Для оценки устойчивости покрытий к газокапельному износу чаще всего используют центробежные установки. Принцип их работы основан на том, что образец, вращающийся в рабочей зоне камеры, пересекает поток капель.

Однако результаты исследований эрозионной стойкости материалов, полученные на различных эрозионных установках согласно существующим методикам испытаний, значительно отличаются, что затрудняет интерпретацию данных. Это связано с конструктивными особенностями установок, используемых для определения эрозионной стойкости, а также применением абразивных частиц, отличающихся по геометрической форме, размеру и концентрации в воздушном потоке [25–35].

В данной статье представлены результаты испытаний различных систем ЛКП, разработанных для защиты алюминиевых сплавов и полимерных композиционных материалов на установках по определению стойкости к газоабразивной и газокапельной эрозии.

Исследования выполнены в рамках реализации комплексного научного направления 17. «Комплексная антикоррозионная защита, упрочняющие, износостойкие защитные и теплозащитные покрытия», комплексной научной проблемы 17.7. «Лакокрасочные материалы и покрытия на полимерной основе» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [36].

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

Материалы и методы

Исследованы системы ЛКП, используемые для защиты алюминиевых сплавов и полимерных композиционных материалов.

Для оценки свойств систем ЛКП выбраны стандартные методы определения адгезии (ГОСТ 15140–78), прочности при растяжении (ГОСТ 29309–92), ударе (ГОСТ 4765–73) и изгибе (ГОСТ 31794–2012). Адгезионную прочность покрытий при нормальном отрыве на стеклопластике определяли в соответствии с ГОСТ 32299–2013 (ISO 4624:2002).

Свободные пленки шпатлевок толщиной ~200 мкм получали в соответствии с ГОСТ 14243–78. В табл. 1 приведены свойства изученных систем ЛКП.

Таблица 1

Свойства систем лакокрасочных покрытий (ЛКП)

Системы покрытий ЭП-0214 + ЭП-5236, ВГ-28 + ЭП-5236 и ВЛ-02 + ЭП-141 обладают высокими значениями адгезии к алюминиевому сплаву Д16-Т Ан.Окс.нхр, твердости, прочности при изгибе, ударе и растяжении. Система покрытий АК-070 + АС-1115 имеет более низкие уровни адгезии, твердости и прочности при растяжении.

Стойкость ЛКП к газоабразивной эрозии на подложке из алюминиевого сплава определяли на установке аэродинамического типа при скорости соударения 200 м/с, углах соударения 15 и 90 градусов. Стойкость покрытий оценивали по изменению массы образцов. Унос массы образца рассчитывали по формуле

g_э = g_исх – g_t,

где g_исх и g_t – масса образца до и после испытания, г.

Для определения стойкости ЛКП к газокапельной эрозии использовали каплеударный стенд в соответствии с ГОСТ 23.219–84. Сущность метода заключается в изнашивании вращающихся образцов в результате соударения с потоком жидких частиц, создаваемых генератором частиц на роторной установке при фиксированных параметрах режимов испытаний. Испытания проводили при скорости соударения капли 240 м/с, угол соударения составил 90 градусов, удельный расход потока капель 0,72 кг/(м²·с), диаметр капли 1 мм.

Стойкость к газокапельной эрозии оценивали по глубине (l_э) и интенсивности эрозии (I_э). Глубина эрозии:

l_э = h_исх – h_t,

где h_исх и h_t – толщина образца до и после испытания.

Интенсивность эрозии, см/(кг/см²):

I_э = l_э/(t_э·Q_s),

где t_э – продолжительность испытания, с; Q_s– удельный расход потока капель, кг/(м²·с).

Результаты и обсуждение

Основное внимание в данной работе уделено изучению стойкости систем ЛКП на основе дисперсно-армированного эрозионностойкого покрытия ЭП-5236, используемого для защиты алюминиевого сплава Д16-Т Ан.Окс.нхр и стеклопластика ВПС-20 при воздействии газоабразивной и газокапельной эрозии.

В качестве объектов исследований для защиты алюминиевых сплавов выбраны системы покрытий АК-070 + АС-1115, ВЛ-02 + ЭП-141, ЭП-0214 + ЭП-5236 и ВГ-28 + ЭП-5236, для защиты стеклопластика ВПС-20 – системы на основе эмали ЭП-5236 с применением шпатлевочных материалов ЭП-0065, ВШ-17М и ЭП-0061.

Результаты определения стойкости ЛКП на сплаве Д16-Т Ан.Окс.нхр к газоабразивной эрозии при углах соударения 90 и 15 градусов приведены на рис. 1.

Рис. 1. Эрозионная стойкость систем покрытий ЭП-0214 + ЭП-5236 (1), ВГ-28 + ЭП-5236 (2), ВЛ-02 + ЭП-141 (3) и АК-070 + АС-1115 (4) к газоабразивной эрозии при угле соударения 90 (а) и 15 градусов (б)

Системы лакокрасочных покрытий ВЛ-02 + ЭП-141 и АК-070 + АС-1115 при газоабразивной эрозии изнашиваются с большей скоростью, чем системы покрытий на основе дисперсно-армированного покрытия ЭП-5236. Причем скорость эрозии систем покрытий ВЛ-02 + ЭП-141 и АК-070 + АС-1115 при угле соударения 90 градусов значительно выше, чем при 15 градусах. При газоабразивной эрозии наиболее интенсивно разрушается система покрытий АК-070 + АС-1115.

Следует отметить, что системы покрытий ЭП-0214 + ЭП-5236 и ВГ-28 + ЭП-5236 более устойчивы к газоабразивной эрозии и в меньшей степени зависят от угла соударения.

В табл. 2 приведены результаты определения устойчивости систем ЛКП на алюминиевом сплаве Д16-Т Ан.Окс.нхр к газокапельной эрозии.

Таблица 2

Стойкость системлакокрасочных покрытий (ЛКП)

на алюминиевом сплаве Д16-Т Ан.Окс.нхр к газокапельной эрозии

Практически при одинаковой толщине покрытия интенсивность эрозионного износа системы ЛКП на основе эмали ЭП-5236 в 2 раза меньше, чем у системы на основе эмали ЭП-141 и алюминиевого сплава Д16-Т Ан.Окс.нхр без покрытия.

Стойкость систем ЛКП на стеклопластике ВПС-20 к газоабразивной эрозии определяли на установке центробежного типа при углах соударения 90 и 15 градусов. Для выравнивания поверхности стеклопластика ВПС-20 использованы шпатлевочные составы с различными физико-механическими характеристиками (табл. 3).

Таблица 3

Физико-механические свойства шпатлевок

Адгезионная прочность шпатлевок к поверхности стеклопластика ВПС-20 находится на высоком уровне и превышает прочность при растяжении. Максимальной прочностью при растяжении характеризуется шпатлевка ЭП-0065, минимальной – шпатлевка ВШ-17М. При этом наиболее эластичной является шпатлевка ВШ-17М, а наиболее жесткой – шпатлевка ЭП-0061.

С применением изученных шпатлевок и эмали ЭП-5236 получены образцы стеклопластика ВПС-20 для испытаний. В табл. 4 приведены результаты определения стойкости покрытий на основе эмали ЭП-5236 на стеклопластике ВПС-20 к газоабразивной эрозии в сравнении со стеклопластиком без ЛКП.

При угле соударения 90 градусов стеклопластик ВПС-20 без ЛКП изнашивается гораздо интенсивнее, чем аналогичные образцы с покрытием на основе эмали ЭП-5236. Интенсивность и глубина эрозии, а также унос массы стеклопластика ВПС-20 без ЛКП через 15 с испытаний составляет 6,34 см/(кг/см²), 740 мкм и 383 мг соответственно. Интенсивность эрозии ЛКП на основе эмали ЭП-5236 на стеклопластике ВПС-20 составляет 0,21–0,35 см/(кг/см²), глубина эрозии находится в диапазоне 25–41 мкм, унос массы достигает 111–128 мг в зависимости от применяемой в системе покрытий шпатлевки. Система ЛКП, состоящая из шпатлевки ЭП-0065 и эмали ЭП-5236, незначительно уступает по стойкости к газоабразивной эрозии системе покрытий со шпатлевкой ВШ-17М. При этом прочность при растяжении шпатлевки ВШ-17М существенно меньше значений данного показателя для шпатлевки ЭП-0065. Это может быть связано с тем, что волна напряжений, возникающая в момент удара абразивных частиц, передается на слой шпатлевки. В более эластичной шпатлевке ВШ-17М за счет вязкоупругой составляющей происходит релаксация возникающих напряжений.

Таблица 4

Стойкость систем лакокрасочных покрытий (ЛКП) на стеклопластике ВПС-20

к газоабразивной эрозии при угле соударения 90 и 15 градусов

При угле соударения 15 градусов система ЛКП на основе эмали ЭП-5236 со шпатлевкой ВШ-17М изнашивается интенсивнее, чем система покрытий со шпатлевкой ЭП-0065.

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что система покрытий на основе эмали ЭП-5236 с применением шпатлевки ЭП-0065 обеспечивает высокую стойкость к газоабразивной эрозии при углах соударения 90 и 15 градусов.

В табл. 5 и на рис. 2 приведены результаты определения стойкости стеклопластика ВПС-20 к газокапельной эрозии. С увеличением продолжительности испытаний глубина эрозии и площадь эрозионного разрушения стеклопластика ВПС-20 возрастают.

Таблица 5

Стойкость стеклопластика ВПС-20 к газокапельной эрозии

Рис. 2. Зависимость глубины эрозии (а) и площади эрозионного разрушения (б) стеклопластика ВПС-20 от продолжительности испытания

В табл. 6 и на рис. 3 приведены результаты испытаний систем ЛКП на основе эмали ЭП-5236, содержащих различные шпатлевки, на стеклопластике ВПС-20 на стойкость к газокапельной эрозии.

Таблица 6

Стойкость систем лакокрасочных покрытий (ЛКП) на основе эмали ЭП-5236

на стеклопластике ВПС-20 к газокапельной эрозии

Рис. 3. Глубина эрозии (а) и площадь эрозионного разрушения (б) систем лакокрасочных покрытий (ЛКП) на основе эмали ЭП-5236 с различными шпатлевками на стеклопластике ВПС-20

Применение систем ЛКП на основе эмали ЭП-5236 существенно повышает стойкость стеклопластика ВПС-20 к газокапельной эрозии. Через 72 с испытаний глубина эрозии стеклопластика ВПС-20 без ЛКП достигает 303 мкм, площадь эрозионного разрушения составляет 168 мм². При испытании стеклопластика ВПС-20 с покрытием на основе эмали ЭП-5236 со шпатлевкой ЭП-0065 через 780 с получены значения 191 мкм и 10 мм² соответственно.

Сопоставляя полученные результаты, можно сделать вывод, что на стойкость системы ЛПК на основе эмали ЭП-5236 существенно влияют свойства используемой шпатлевки. Максимальное значение стойкости покрытия к газокапельной эрозии получено с применением шпатлевки ЭП-0065, которая обладает более высокой адгезионной (26,1 МПа) и механической (15,40 МПа) прочностью. Шпатлевка ЭП-0061 по адгезионной (21,3 МПа) и механической (10,08 МПа) прочности уступает шпатлевке ЭП-0065. При этом стойкость системы ЛПК на основе эмали ЭП-5236 с применением шпатлевки ЭП-0061 к газокапельной эрозии ниже, чем у покрытия с шпатлевкой ЭП-0065. Наименее эффективной при испытании систем покрытий на основе эмали ЭП-5236 на стойкость к газокапельной эрозии оказалась шпатлевка ВШ-17М, обладающая более низкой адгезионной (15,2 МПа) и недостаточно высокой механической (7,05 МПа) прочностью.

Визуальный осмотр разрушенной зоны после газокапельной эрозии показал, что при воздействии скоростного потока капель на поверхность образца происходит разрушение шпатлевочного слоя, а затем отслаивание и унос покрытия.

Заключения

Системы покрытий на основе эмали ЭП-5236 на алюминиевом сплаве Д16-Т Ан.Окс.нхр более устойчивы к газоабразивной эрозии и в меньшей степени зависят от угла соударения по сравнению с другими изученными ЛКП. При этом наиболее интенсивно разрушается система покрытий на основе эмали АС-1115. При исследовании стойкости к газокапельной эрозии установлено, что при практически одинаковой толщине покрытия интенсивность эрозионного износа системы ЛКП на основе эмали ЭП-5236 в 2 раза ниже, чем у системы ЛКП на основе эмали ЭП-141 и алюминиевого сплава Д16-Т Ан.Окс.нхр без покрытия.

С увеличением продолжительности испытаний на стойкость к газоабразивной эрозии глубина эрозии и площадь эрозионного разрушения стеклопластика ВПС-20 возрастают. Применение систем ЛКП на основе эмали ЭП-5236 существенно повышает стойкость стеклопластика ВПС-20 к газоабразивной эрозии. Использование шпатлевки ЭП-0065 обеспечивает высокую стойкость к газоабразивной эрозии при углах соударения 90 и 15 градусов.

Использование систем ЛКП на основе эмали ЭП-5236 существенно повышает стойкость к газокапельной эрозии стеклопластика ВПС-20. Применение шпатлевки ЭП-0065, обладающей высокой адгезионной и механической прочностью при растяжении, обеспечивает максимальную стойкость к газокапельной эрозии покрытия на основе эмали ЭП-5236.