羅海林，劉敏

（成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 成都 610092）

0 引言

飛機(jī)涂層（以下簡稱涂層）對(duì)飛機(jī)起著保護(hù)、裝飾、標(biāo)志和特種功能的作用[1]，是涂料通過特定的涂裝工藝所形成的膜層[2]。涂料在涂裝時(shí)以及涂層在使用過程中，涂層表面常會(huì)出現(xiàn)一些故障缺陷，通常稱為涂層失效，其宏觀特征表現(xiàn)有起泡、開裂、軟化、脫落、變色、粉化等10種現(xiàn)象[3]。當(dāng)涂層失效后，其作用喪失，更為嚴(yán)重的會(huì)造成飛機(jī)質(zhì)量安全事故，如油箱涂層失效后會(huì)造成油箱滲油，進(jìn)氣道功能涂層失效脫落后會(huì)損壞飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，造成機(jī)毀人亡事故；因此，開展涂層失效分析，探究涂層失效原因，對(duì)涂層失效預(yù)防、維護(hù)以及壽命評(píng)估具有重要意義。

涂層失效分為物理失效和化學(xué)失效[3]。物理失效是指涂層在服役過程中，在環(huán)境介質(zhì)和應(yīng)力作用下導(dǎo)致涂層溶脹、介質(zhì)滲入、涂層開裂等涂層使用性能的劣化現(xiàn)象；化學(xué)失效是涂層在使用過程中，在熱、光、氧、酸和堿等化學(xué)作用下，高分子鏈發(fā)生降解或重新錯(cuò)誤交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)，引起介質(zhì)滲入、涂層開裂、粉化等物理和化學(xué)性能劣化的現(xiàn)象[3]。而涂層失效機(jī)理研究則是一個(gè)系統(tǒng)工程，它涉及到材料使用的環(huán)境、材料本身的結(jié)構(gòu)及被保護(hù)設(shè)施的運(yùn)行條件等諸多方面的因素[4]，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境更復(fù)雜，熱障涂層不僅要承受高溫氧化腐蝕，還有機(jī)械載荷[5]。鑒于此，本研究對(duì)飛機(jī)涂層常見失效特征，根據(jù)涂層服役前后情況，研究引起涂層失效的主要因素，對(duì)失效機(jī)理不做深入研究。涂層在服役前，涂層失效常表現(xiàn)為宏觀特征，引起原因多種多樣，歸納起來主要有施工不當(dāng)、材料問題和施工技術(shù)要求有誤等[6]；而在涂層服役后，涂層失效既有宏觀特征也有隱性特征，其失效誘因主要是環(huán)境和時(shí)間作用的結(jié)果。

隨著飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)的一些重要性能如雷達(dá)吸波特性，是通過涂裝功能型涂層來實(shí)現(xiàn)。涂層厚度也由幾十μm增厚到幾百μm，使得飛機(jī)涂層更具多樣化，涂層失效特征表現(xiàn)更具隱蔽性和特殊性，如涂層分層，該類失效危害性極大，特別是在飛機(jī)進(jìn)氣道，當(dāng)涂層發(fā)生失效脫落時(shí)，飛機(jī)安全性會(huì)受到威脅。為此，本文研究和探索新型功能性涂層的失效特征以及該涂層一定程度失效對(duì)涂層性能的影響，對(duì)涂層壽命評(píng)估和使用維護(hù)具有重要的交流價(jià)值。

1 宏觀失效特征

涂層宏觀失效特征主要包括：變色、剝落、咬底、滲色、起泡、開裂、粉化、空隙、發(fā)花、返粗等。

1）變色。涂層在服役時(shí)長期受環(huán)境影響，會(huì)發(fā)生顏色變化，一般輕微的涂層顏色變化是可接受的（圖1a）。一旦發(fā)生嚴(yán)重的涂層顏色改變時(shí)（圖1b），涂層就失去其原有的裝飾和標(biāo)志作用，應(yīng)考慮重新涂裝。涂層變色影響因素較多，與涂層中顏料、時(shí)間和環(huán)境因素均有關(guān)，應(yīng)綜合分析，從定性和定量兩方面對(duì)顏色變化進(jìn)行評(píng)估。最簡單的辦法就是定性法，即采用標(biāo)準(zhǔn)色板或色卡對(duì)涂層進(jìn)行目視比對(duì)，該方法直接快速；也可采用定量法，即用色差儀測定涂層的色度和明度，再通過計(jì)算獲得其色差來評(píng)估涂層顏色變化。

圖1 涂層顏色改變Fig.1 Color change of coating

2）剝落。剝落是指涂層從基底上脫落或者表面涂層從上道涂層上脫落，是涂層共性問題。出現(xiàn)此現(xiàn)象時(shí)，涂層已完全失效，是涂層抗張強(qiáng)度高于附著強(qiáng)度，涂層附著力完全喪失所致（圖2）。造成涂層剝落原因較多，在進(jìn)行涂裝時(shí)，如果基底表面處理不良，比如基底表面未氧化或活化處理，表面有灰塵、油脂類污物，使用的壓縮空氣不干凈，施工混料、錯(cuò)配、底/面涂層不兼容、兩道涂層之間固化時(shí)間過長、上道涂層粉化等，這些均為涂裝中的不利因素，結(jié)果會(huì)造成涂層與基底結(jié)合不好而剝落。涂層在服役時(shí)，由于外界環(huán)境條件惡劣，如高溫、高濕、鹽霧、酸堿、油脂等，涂層長時(shí)間受這些因素影響，逐漸老化變脆，發(fā)生剝落失效。

圖2 涂層脫落Fig.2 Falling off of coating

3）咬底。咬底是指施工下道涂層時(shí)，由于溶劑作用將上道涂層咬起，而使涂層和基材之間結(jié)合力喪失，是涂層共性問題。造成此現(xiàn)象的主要原因：一是面漆溶劑選擇不當(dāng)，面漆體系和底漆體系不兼容，如環(huán)氧類涂料在醇酸涂層上涂敷時(shí)很容易產(chǎn)生咬底；二是底層未干透而遇強(qiáng)溶劑產(chǎn)生咬底；三是進(jìn)行涂裝時(shí)，由于工藝處理不當(dāng)，如未對(duì)底漆層上的蠟清洗干凈，底漆層未干燥即涂面漆，不同涂層之間附著力不好等均有可能產(chǎn)生咬底（圖3）。

圖3 涂層咬底Fig.3 Biting bottom of coating

4）滲色。所謂滲色是指面漆層把底漆層溶解，使底漆層的顏色滲透到面漆層上來的現(xiàn)象。此情況主要發(fā)生于色漆涂層，當(dāng)?shù)灼釋宇伾疃嫫釋宇伾珳\時(shí)，如在鐵紅底漆上噴涂白色面漆，底漆的紅色浮現(xiàn)在白色面漆層上。為預(yù)防涂層滲色問題發(fā)生，在選用面漆溶劑時(shí)，溶劑對(duì)底漆的溶解性不宜過強(qiáng)；當(dāng)涂敷面漆層時(shí)，應(yīng)待底漆層干燥后再施工。另外，如果對(duì)表面涂裝質(zhì)量要求較高的涂層，可選用淺色的底漆，如使用鋅黃底漆，或者對(duì)于容易發(fā)生滲色的底漆層，可采用中間過渡涂層施工面漆層。

5）起泡。起泡是指涂層表面出現(xiàn)大小不一的圓形突起狀物，是一種常見的涂層失效特征，該類失效在所有涂層中均可能發(fā)生。涂層起泡有大有小，有干泡和濕泡之分，是發(fā)生在涂層系統(tǒng)與基材之間，或發(fā)生在涂層內(nèi)部。涂層起泡原因很多，有涂層吸水體積膨脹導(dǎo)致起泡、有涂層包含氣體導(dǎo)致起泡、有電滲透導(dǎo)致起泡以及滲透壓導(dǎo)致起泡等[7]。泡的大小與涂層和基底的附著強(qiáng)度或涂層之間的結(jié)合力有關(guān)，也與泡中的液壓或氣壓有關(guān)。引起涂層起泡的因素很多，在涂裝時(shí)主要有工件表面不清潔，如表面有潮氣、水分、揮發(fā)性液體、油脂和灰塵等存在，降低涂層的附著力，涂層愈厚，起泡的傾向愈大；上下涂層不兼容，致使涂層間結(jié)合力降低，受外界濕氣、液體等因素影響容易起泡；底漆中含有可溶性物質(zhì)，如可溶性顏料吸收水分后，水汽將通過涂層產(chǎn)生滲透起泡；涂層一次性涂敷過厚再進(jìn)行快速烘干容易起泡，因?yàn)樵诒砻婺有纬珊?，?nèi)部溶劑還未完全揮發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溶劑氣體將膜層頂起而起泡；涂層在服役時(shí)受惡劣外界環(huán)境條件影響，如高溫高濕、日曬雨淋、鹽霧浸蝕、酸堿作用以及油脂類的浸泡等，容易起泡；還有基底金屬如果銹蝕也會(huì)發(fā)生涂層起泡。

6）開裂。開裂是指涂層破裂而不再是一連續(xù)的膜層，一般有表面細(xì)裂紋、開裂和龜裂3種形態(tài)。表面細(xì)裂紋是發(fā)生在涂層表面而未滲透到基底的一種表面現(xiàn)象，很細(xì)小，有時(shí)會(huì)借助放大鏡才能觀察到，開裂是涂層破裂從表面直達(dá)基底表面，這些都是所有涂層的共性問題。施工中，當(dāng)涂料中樹脂和顏料比例不當(dāng)，對(duì)涂層進(jìn)行加溫快速干燥時(shí)，由于涂層應(yīng)力的變化容易產(chǎn)生開裂；對(duì)于高溫涂層在使用溫度附近存在相變點(diǎn)，相變伴隨體積變化，使得涂層內(nèi)應(yīng)力增加，易產(chǎn)生開裂[8]；如熱障涂層，其熱生長氧化物容易成為受力不均勻部位，引起越來越多的應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋的擴(kuò)散和網(wǎng)狀裂紋結(jié)構(gòu)的形成[9]；底漆未干透或底漆和面漆不兼容，底面涂層內(nèi)應(yīng)力不一致，易產(chǎn)生開裂；涂層固化應(yīng)力大，延展性或抗張強(qiáng)度低也會(huì)開裂；涂層使用環(huán)境惡劣，受冷熱環(huán)境影響而逐漸老化，會(huì)發(fā)生脆裂等（圖4）。

圖4 涂層開裂Fig.4 Cracking of coating

龜裂多發(fā)生在具有高顏料（填料）的涂層中，這是一類即發(fā)型現(xiàn)象，當(dāng)涂料顏基比不當(dāng)，或涂層快速高溫固化等，易發(fā)生龜裂，該類失效在新型功能涂層如雷達(dá)吸波涂層中表現(xiàn)尤為明顯，新型雷達(dá)吸波涂料顏基比高達(dá)80%，顏料為鐵基體，比重大，如果施工不當(dāng)，樹脂損失過大，或溶劑揮發(fā)過快，或一次性噴涂過量等，均會(huì)造成涂層龜裂（圖5）。

圖5 涂層龜裂Fig.5 Map cracking of coating

7）粉化。粉化是指涂層因老化而在表面產(chǎn)生細(xì)小粉末現(xiàn)象，是由于面漆層中樹脂的耐候性不佳引起的[3]，該類失效在所有涂層中均可能發(fā)生。涂層在服役中因受高溫高濕、氧化、紫外線以及酸堿等大氣污染作用，使涂層中的樹脂類膠粘劑降解，顏料殘留在表面上，像粉塵一樣而成。飛機(jī)上所用的涂層體系較多，有環(huán)氧樹脂體系、醇酸樹脂體系、丙烯酸樹脂體系、聚氨酯體系及硝基體系等。在這些體系中，環(huán)氧涂層耐候性差，容易粉化；聚氨酯類具有較好的耐候性，如TS96-71氟聚氨酯常用于飛機(jī)蒙皮涂層。除不同樹脂具有不同的耐候保護(hù)性外，涂料中的顏料對(duì)粉化也有一定的影響，如吸波涂層中的Fe-O體顏料在空氣中暴露易銹蝕，而鋁粉、云鐵等在涂層中呈片狀層疊結(jié)構(gòu)，可以減少陽光中紫外線照射而降低粉化可能性。若要增強(qiáng)涂層的抗粉化性，也可在顏料中加入紫外線吸收劑。

8）孔隙。簡而言之，孔隙是指涂層表面所形成的凹坑?？紫兑话惆ㄡ樋?、縮孔、爆孔和漏涂點(diǎn)，該現(xiàn)象主要由施工引起，屬于共性問題。針孔形成主要是涂層中的空氣逸出，顏料未充分潤濕，涂料中混入水分、油脂等雜質(zhì)所致，其直透到底層表面，面積較小，形如圓錐狀或半球型，不規(guī)則地分布在涂層表面；縮孔也稱魚眼，其形成主要由涂層本身表面張力過大，被涂面表面光滑潤濕性差，基底面有油脂、水分、灰塵等雜質(zhì)，壓縮空氣不凈等原因引起，在涂層表面形成魚眼狀的凹坑；爆孔為涂層上小氣泡內(nèi)的氣體由里而外沖破膜層而成，多發(fā)生于涂層施工后表層已發(fā)粘成膜，而底層還留有揮發(fā)性溶劑，在高溫下時(shí)，底層溶劑就會(huì)沖破表面膜層形成爆孔，有時(shí)也可能在施工時(shí)帶入空氣發(fā)生爆孔。

9）發(fā)花。發(fā)花是指涂層表面顏色與色調(diào)發(fā)生不均勻的現(xiàn)象，一般包括泛色、浮色、泛金光及絲紋等。該情況多發(fā)生于復(fù)色漆的涂裝和干燥成膜過程中，是由于不同顏料密度和顆粒大小不同，密度大的則下沉，施工時(shí)未攪拌均勻；還有顏料潤濕性不好的涂料混合后不穩(wěn)定，如顏料吸潮性大、溶解性大和吸油性大等都易產(chǎn)生涂層發(fā)花。對(duì)此可在涂料中適當(dāng)加入懸浮劑、保護(hù)膠及潤濕劑加以解決。

還有一種現(xiàn)象，涂層在干燥過程中產(chǎn)生無光、發(fā)渾或呈半透明、乳白色狀，稱之為發(fā)白或泛白，該情況影響因素較多，有氣候環(huán)境因素，有溶劑使用不當(dāng)因素，有涂料中不同樹脂成分因素等，當(dāng)出現(xiàn)涂層發(fā)白時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。

10）返粗。正常情況下涂層表面應(yīng)是平整的，當(dāng)涂層表面出現(xiàn)粗顆粒時(shí)，不但會(huì)影響涂層外觀，還會(huì)使涂層粗顆粒突起部分提前損壞，影響涂層性能。涂層返粗的原因很多，在涂料生產(chǎn)中，如果控制不嚴(yán)，顏料固體份顆粒過粗，會(huì)使涂層返粗，呈大面積狀。在涂料配制和施工過程中，因外來雜質(zhì)或大氣環(huán)境中灰塵的影響，也會(huì)在涂層局部表面產(chǎn)生粗顆粒。在施工操作方面，如果空氣壓力不足，出漆量小，或噴槍與工件表面距離太遠(yuǎn)，漆液粘度較高時(shí)，結(jié)果也會(huì)造成涂層表面返粗現(xiàn)象，該現(xiàn)象在雷達(dá)吸波涂層中表現(xiàn)尤為明顯（圖6）。

圖6 涂層返粗Fig.6 Turning rough of coating

2 隱性失效特征

該類失效特征不同于宏觀失效特征，上述宏觀失效特征可通過肉眼直接觀察，而該類特征隱蔽性強(qiáng)，肉眼難以識(shí)別，一般要借助儀器設(shè)備測定，通過對(duì)測試數(shù)據(jù)和斷口的分析來確定涂層的失效性。

2.1 分層

分層是指涂層系統(tǒng)中層與層之間結(jié)合不牢而在層間發(fā)生的斷裂或松動(dòng)（圖7）。分層一般產(chǎn)生于多涂層系統(tǒng)和厚涂層中，在涂層系統(tǒng)中，當(dāng)不同體系的涂層不兼容時(shí)會(huì)出現(xiàn)分層；如果上道涂層表面不凈即噴下道涂層可能會(huì)出現(xiàn)分層；涂裝時(shí)工藝不當(dāng)，如層間的間隔時(shí)間過長也可能出現(xiàn)分層。在厚涂層中，涂層進(jìn)行多層涂裝，每道涂層之間間隔時(shí)間不當(dāng)，層間清潔不好等，均可能造成涂層分層。分層既可以發(fā)生在兩層之間，也可以發(fā)生在多層之間，其中雷達(dá)吸波涂層最為突出，是其特性。

圖7 涂層分層Fig.7 Delamination of coating

采用拉開法的分離試驗(yàn)或用刀片挑撥開涂層可以發(fā)現(xiàn)，分層后的2個(gè)界面較平整，而且其內(nèi)聚強(qiáng)度不大。對(duì)于層與層之間結(jié)合好而無分層現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)斷裂形態(tài)應(yīng)為斷裂面沒有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，涂層內(nèi)聚強(qiáng)度大，有時(shí)還未發(fā)生內(nèi)聚破壞涂層便從基底上脫落（圖8）。涂層分層隱蔽性強(qiáng)，具有較大的潛在危害性，應(yīng)加強(qiáng)在線檢測監(jiān)控。

圖8 涂層未分層Fig.8 Coating falling off without delamination

2.2 涂層性能下降

所有涂層在服役過程中，由于環(huán)境作用，其各種性能均會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生不同程度的下降，如附著力降低、沖擊性下降、漆膜變軟等。環(huán)境因素很多，如有機(jī)涂層的老化是熱、光、化學(xué)介質(zhì)、機(jī)械摩擦、微生物等因素協(xié)調(diào)作用的結(jié)果[4]，再如流動(dòng)介質(zhì)加速溶液中離子作用，而不是水分子向涂層中的滲透，從而加速涂層失效等[10]。當(dāng)涂層受環(huán)境因素影響，其性能降低到一定程度，不再滿足使用標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，涂層便失去其應(yīng)有功能，應(yīng)考慮去除涂層，重新涂裝新涂層。此情況可視為涂層失效在經(jīng)歷一個(gè)緩慢過程，其隱蔽性強(qiáng)，是環(huán)境和時(shí)間共同作用致使涂層逐漸老化的結(jié)果，其最為嚴(yán)重的是涂層附著力降低。涂層附著力是涂層與基體間物理和化學(xué)作用的結(jié)果[11]，當(dāng)物理失效和化學(xué)失效同時(shí)發(fā)生，在初期，涂層還具有一定附著強(qiáng)度，但若不及時(shí)處置，涂層與基體最終分離脫落，將會(huì)造成更嚴(yán)重的后果。

當(dāng)然，不同涂層體系的性能一樣，在不同環(huán)境介質(zhì)中的失效速度不同，如剛性芳香結(jié)構(gòu)和高交聯(lián)密度涂層脆性大，在機(jī)械振動(dòng)下失效快[12]，當(dāng)涂層中樹脂的耐候性不佳時(shí)，涂層失光和變色快[3]。因此，開展該類失效研究，對(duì)涂層壽命評(píng)估具有重要價(jià)值，在此僅以某型機(jī)用的一種聚氨酯涂層為例進(jìn)行簡單研究，分別在水介質(zhì)和高溫條件下加速試驗(yàn)的部分性能結(jié)果見表1、表2，有關(guān)涂層全項(xiàng)性能評(píng)估還有待開展專項(xiàng)研究。

表1 在 40 ℃ 下耐水性試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Testing results of resistance to water at 40 ℃

表2 在 150 ℃ 下耐高溫性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Testing results of resistance to water at 150 ℃

3 結(jié)束語

通過涂層的宏觀特征變化進(jìn)行有關(guān)飛機(jī)涂層失效分析，但對(duì)于涂層性能的評(píng)價(jià)和使用壽命的評(píng)估還存在問題，由于失效原因的復(fù)雜多樣性，給涂層性能的評(píng)價(jià)帶來較大難度。因此，在進(jìn)行涂層性能評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)從涂層自身失效和外因作用失效兩方面綜合分析評(píng)價(jià)。在涂層使用壽命評(píng)估方面，因存在涂層隱性失效，而不同的涂層其隱性失效程度不一，無法從涂層的在線使用狀態(tài)中獲取有關(guān)性能測定值來判斷其使用的有效性，僅能通過一些實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略評(píng)估。因此，應(yīng)在今后加強(qiáng)涂層在線監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通過隱性失效特征來準(zhǔn)確評(píng)估涂層壽命。

另外，隨著新型功能涂層的應(yīng)用，涂層的使用狀態(tài)發(fā)生革命性的變化，涂層厚度從微米級(jí)達(dá)到毫米級(jí)，新型涂層失效特征出現(xiàn)新形式，失效后對(duì)飛機(jī)的危害性更大，開展該類新型涂層的失效研究，對(duì)飛機(jī)安全性預(yù)防意義重大。