镁合金部件冷喷涂纯铝防腐蚀涂层在舰载机上的应用研究

摘 要：镁合金容易腐蚀的特性影响了其在舰载机上的广泛应用，在镁合金部件表面冷喷涂纯铝涂层，结合强度高、硬度高，解决了镁合金容易腐蚀的问题，并且避免了常用表面处理方法的局限性，具有较好的经济效益和军事效益。

关键词：镁合金；腐蚀；冷喷涂；舰载机

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，被誉为“21世纪绿色工程材料”，其密度小重量轻，仅为铝合金重量的35%，比强度、比刚度、阻尼容限高，在航空航天领域有着较好的应用价值。我国已进入航空母舰时代，舰载机作为航空母舰上最主要的作战武器，备受关注。镁合金有着许多可用于舰载机的特性，但是镁合金耐腐蚀性差，一些应用在镁合金表面的防腐措施也存在一定的局限性，造成镁合金在舰载机上的应用并不多。而镁合金部件冷喷涂纯铝防腐蚀涂层是一种较好的措施，开展这方面的研究对我国现阶段舰载机的发展具有重要意义。

1 镁合金在舰载机上应用的意义

镁合金在军用飞机上的应用有着比较好的基础，已经应用机的各种壁板、整流罩、框架、翼尖、尾面、副翼及油箱等，以及发动机的零部件、螺旋桨、齿轮箱、支架结构、各种发动机箱体等，成功的例子很多。表1为美军各型号飞机使用镁合金的情况[1]，图1为美军B-36重型轰炸机镁材料使用部位[2]。

可以说，镁合金在军用飞机上的应用有着很好的基础，而舰载机的特殊性也对镁合金有着很大的需求。减轻自身重量是舰载机的重要发展方向之一，而纯镁的密度为1.74g/cm3，约为铝合金的2/3、锌合金的1/3、钢铁的1/4、钛合金的2/5。在舰载机上使用镁合金减轻的重量，可以缩短飞机起降距离、提高的机动性能；可以更多地携带燃油，加大作战半径；可以增加携带弹药的数量，提升战斗力。战斗机质量若减轻15%，可缩短飞机滑跑距离15%，增加航程20%，提高有效载荷30%；喷气发动机结构减重1公斤，飞机结构可减重4公斤，升限高度可提高10米[3]。舰载飞机在着舰阻拦、起飞弹射时，都有较大的振动，而镁合金减震性能优良，可以使舰载机承受更大的振动载荷。航空母舰相比于陆地空间小、电子设备多，电磁环境复杂，镁合金良好的导电与导热性能更有利于电磁屏蔽，提高舰载机抗电磁干扰能力。

2 易腐蚀是影响镁合金在舰载机上应用的主要问题

镁合金自然腐蚀电位极低，极易被腐蚀，而其中的杂质Fe、Ni、Cu等元素更是降低了镁合金的耐腐蚀性。镁合金在潮湿气候环境下抗腐蚀性能更差，使其在航空产品上的应用受到诸多限制，在舰载机上应用的更少。很多国家的军用标准和规范更是对镁合金的使用做出限制，表2是适航条款和标准规范中镁合金使用要求对比分析[4]。

航空母舰在大海上执行作战任务，舰载飞机长期处于高温、高湿和高盐雾的海洋环境下，更易腐蚀，腐蚀后表面防护涂层老化、剥落，导致镁合金部件基体材料腐蚀，造成舰载机飞行性能下降，安全使用寿命降低，影响舰载机的飞行安全和战斗出勤率，使得镁合金在舰载飞机上的应用限制更多，更慎重。世界上主要的航空母舰强国都非常重视镁合金的研究与应用，镁合金防腐涂层是主要的研究方向之一，但不同的镁合金防腐蚀涂层技术效果不尽相同，防腐涂层的防腐蚀效果与图层的结合强度、涂层硬度有关，冷喷涂技术的出现，解决了原有表面涂层方法的局限性。

3 现有镁合金防腐蚀涂层技术的局限性

镁合金防腐蚀涂层可以较好地解决镁合金的腐蚀问题，对于镁合金部件，不仅新制造的部件需要防护涂层，还需要对大修期间检测到的腐蚀损伤面积进行修补复原。镁合金部件表面涂层处理的技术比较成熟，应用也比较广泛，图2是常用表面涂层处理程序。

经美国航天制造工业与美国国防部对现有可用于镁合金防护的技术进行评估，包括对环境影响及安全性的评估，这些技术都不同程度地存在局限性。

硬阳极氧化工艺。如运用DOW17法和HAE法生成氧化膜，以及铬酸盐转化膜工艺（MIL-M-3171）对镁合金进行防护，防腐蚀效果能够满足要求。但是，上述工艺中都含有六价铬及氟化物、磷酸。六价铬离子致癌，有害蒸汽危害操作人健康和污染环境，废水中六价铬的含量法律规定在1微克/m3以下，废水处理成本大幅提高，使得这些工艺逐渐被淘汰。

离子气相沉积（IVD）技术。在真空室中利用辉光离子放电，使纯铝以离子状态加速沉积于工件上，可以获得均匀的、致密的、牢固结合的铝涂层，但由于真空室限制部件尺寸和难于局部面积修补，以及涂层有针孔等问题，不能适应舰载机镁合金部件的修复要求。

商业电镀铝涂层工艺。这种技术可以使纯铝涂覆到底层板材料上，底层板材料被浸于非水状并被一种惰性气体完全封闭的溶液中，工艺要求在完全密封系统中操作，镀层与镁合金间结合不良，而且镀铝层不能满足修补厚度恢复到原来尺寸的要求。

热喷涂。包括大气等离子喷涂（APS）及高速燃气喷涂（HVOF），这两种热喷涂效果都存在一定的问题，不能令人满意，主要是因为涂层中存在较大的残余应力、氧化物含量高以及涂层气孔率高，降低了耐腐蚀性能。

4 采用冷喷涂纯铝涂层技术解决镁合金腐蚀问题

冷喷涂技术近年迅速发展，可以在各种材料上喷涂各种铝金属、合金、金属陶瓷和陶瓷材料（如α-Al2O3、TiO2、Mno2等）的涂层。在美国，由国防部（DOD）牵头，陆军研究室（ARL）与海军航空站（NavyAirdeport）联合研发直升机镁合金部件冷喷纯铝的涂层。陆军研究室负责冷喷纯铝工艺，海军航空站负责大修时对镁合金部件的冷喷涂修复工作。陆军研究室采用冷喷涂技术，在镁合金ZE41A基件上，喷涂了市售商业纯铝（CP-Al）及两种铝合金Al-12Si和Al506，经对冷喷涂商业纯铝涂层工艺进行适当优化，获得了致密均匀，与基体镁合金结合牢固的防护涂层。

涂层性能。对镁合金表面冷喷涂纯铝涂层的结合强度、硬度、耐腐蚀性进行试验，以考核涂层性能。

（1）涂层与镁合金结合强度

采用ASTM（美国材料实验协会）标准C633-79（热喷涂层粘结强度标准试验方法）进行拉伸试验，结果如表3所示。

从结果可见，用N2作工作气体，预加热到400℃，涂层与基体结合强度可达71.6MPa。

（2）涂层硬度

用微硬度计测量布氏硬度，结果如图3所示：

可以看出，纯铝冷加工的布氏硬度为45，退火后降低到25，冷喷涂纯铝涂层硬度达到57。由于冷喷涂过程中纯铝粉末颗粒的强烈塑性，喷涂时产生应变硬化，所以涂层硬度更高。

（3）冷喷商业纯铝涂层耐腐蚀性能

美国陆军与海军航空司令部要求按美国材料与试验协会的ASTMB117盐雾试验标准，用ZE41A材料的镁合金板冷喷涂商业纯铝涂层厚度0.30mm样品，进行盐雾试验，要求经受336小时涂层不损坏。试验中，涂层经受1000小时盐雾试验仍基本完好，镁合金基体无任何损伤。冷喷涂铝涂层具有低氧化率、低孔隙率的特点，因此具有较好的耐腐蚀性能。国内某机构采用中性盐雾试验对冷喷涂铝涂层的耐腐蚀性能进行了考察，结果证明冷喷涂铝涂层具有非常好的耐腐蚀效果，试样表面在500h左右开始出现铝涂层的腐蚀，而盐雾试验进行1000h后仍未发生基体腐蚀。试验结果见表4和图4[5]。

镁合金冷喷涂纯铝涂层的经济性分析。美军B-36轰炸机通过使用镁合金实现减轻质量855kg，使航程扩大了190英里[6]，带来了不菲的经济和军事效益。

据2001年公开的调查统计结果，美军从1991年到2000年，某一种型号直升机的主传动装置，因腐蚀需要提前更换和修复的费用约为41亿美元。2003年，美国海军通过使用冷喷涂纯铝涂层，改善了镁合金部件的耐腐蚀性，维修费用明显减少，据其中一个制造公司的跟踪统计，某一个型号直升飞机的21件镁合金传动装置采用冷喷涂纯铝涂层后，比采用其他防腐措施的21件传动装置节省维修费用为61万美元，其中，采用冷喷涂纯铝增加服役寿命减少的维修费用为40万美元。美国材料评估局（MRB）的相关项目也得出类似结论，海军与陆军直升机镁合金部件采用冷喷涂商业纯铝涂层，年度可节省经费数百万美元。

5 结束语

在舰载飞机上使用镁合金，可以带来不菲的经济和军事效益，在镁合金部件表面冷喷涂纯铝涂层，具有较高的结合强度和硬度，可以较好地解决镁合金材料易腐蚀的问题。我国舰载战斗机、直升机、预警机等都处于起步阶段，尽早开展镁合金应用的研究，具有非常重大的意义。

参考文献

[1]赵怿，董刚，赵博.镁合金在航空领域应用的研究进展[J].有色金属工程，2015，5（2）：23-27.

[2]钟皓，刘培英，周铁涛.镁及镁合金在航空航天中的应用及前景[J].航空工程与维修，2002（4）：41-42.

[3]王军武，刘旭贺，王飞超，等.航空航天用高性能超轻镁锂合金[J].军民两用技术与产品，2013（6）：21-24.

[4]唐正府，刘兴科，任光明.航空发动机适航标准中镁合金材料使用要求[J].航空标准化与质量，2014（6）：26-28.

[5]宇波，汤智慧，孙志华，等.超高强度钢冷喷涂铝涂层性能研究[EB/OL].中国腐蚀与防护网，2013-06.

[6]席俊杰，刘杰.高性能稀土镁合金的研究及其应用[J].热加工工艺，2014，43（10）：6-10.

作者简介：杨立山（1969，09-），男，汉族，本科，海军驻沈阳导弹专业军事代表室，高级工程师，航空舰船设备科研生产质量监督和检验验收。