Исследование защитных свойств лакокрасочных покрытий при испытании на коррозионную усталость

Введение

Повышение ресурса работы изделий авиационной техники является приоритет- ным направлением, связанным с разработкой защитных лакокрасочных покрытий (ЛКП), эксплуатируемых в различных климатических зонах. Материалы, используемые в конструкции планера современных самолетов, отличаются высокой надежностью при работе в условиях воздействия знакопеременных механических нагрузок [1–4].

Особенностями конструкций летательных аппаратов являются небольшая тол- щина металлических панелей и деталей, а также наличие значительных механических напряжений в процессе эксплуатации.

Для деталей авиационной техники характерны случаи одновременного воздей- ствия коррозионной среды и механических напряжений, которые могут возникать при воздействии постоянных и переменных нагрузок. В результате такого комплексного воздействия в ряде случаев может развиваться коррозия под напряжением, которая приводит к снижению прочности конструкций. Различают коррозию при постоянной растягивающей (приводит к коррозионному растрескиванию) и знакопеременной цик- лической (вызывает коррозионную усталость металла) нагрузке.

Особую опасность коррозия под напряжением представляет для высоконагру- женных деталей самолетов (лопатки компрессора, лопасти воздушных винтов и др.). В процессе эксплуатации в условиях значительных знакопеременных нагрузок часто- той до 50 Гц эти детали подвергаются коррозии, эрозионному воздействию песка и пы- ли при взлете и посадке, атмосферных осадков в виде дождя и снега, солнечной радиа- ции и других факторов.

При защите конструкций от коррозии, в том числе коррозии под напряжением, необходимо исключить контакт поверхности металла с коррозионной средой. Наиболее эффективными по технологичности и надежности являются ЛКП в сочетании с неорга- ническими неметаллическими покрытиями [5–9]. В процессе эксплуатации ЛКП, используемые для защиты высоконагруженных элементов, подвергаются таким же механическим нагрузкам, как и окрашенное изделие. Механические нагрузки, кото- рые испытывают высоконагруженные элементы, могут снижать защитные свойства ЛКП за счет ослабления адгезии, уменьшения механической прочности и эластично- сти, что связано с процессами старения [10–24].

Надежность, долговечность и декоративный вид покрытия определяются целым рядом факторов: свойствами лакокрасочного материала, схемой построения системы защитного покрытия, условиями и режимом формирования каждого слоя. Все эти фак- торы совместно и каждый в отдельности оказывают влияние на качество получаемого покрытия [25–32].

Данная работа посвящена изучению защитных свойств при испытании на коррози- онную усталость, а также адгезионной прочности систем ЛКП при нормальном отрыве в исходном состоянии и после циклических испытаний на коррозионную усталость.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 17. «Комплексная антикоррозионная защита, упрочняющие, износостойкие защитные и теплозащитные покрытия», комплексной научной проблемы 17.7. «Лакокрасочные мате- риалы и покрытия на полимерной основе» («Стратегические направления развития мате- риалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [32].

Испытания систем ЛКП на основе дисперсно-армированной эрозионностойкой эмали ЭП-5236 с антикоррозионными грунтовками (ЭП-076, ЭП-0215, ЭП-0214 и ВГ-28) проводили в сравнении с системой покрытий АК-070 + ЭП-140, которая широко применяется для защиты от коррозии алюминиевых сплавов [20–26].

Защитные свойства покрытий в условиях коррозионно-усталостного воздей- ствия изучали на образцах из сплавов Д1-Т Ан.Окс.нхр и 1163 Ан.Окс.нхр прямоуголь- ного (3×22 мм) и круглого (Ø10 мм) сечения соответственно. Сравнительные испыта- ния на коррозионную усталость проводили в условиях чистого изгиба образца при симметричном цикле нагружения. В качестве коррозионной среды использовали 3%-ный раствор NaCl в воде, который каплями подавали на образец. Плоские образцы прямоугольного сечения испытывали при частоте нагружения 25 Гц и амплитуде напряжений цикла 117,6 и 137,2 МПа, образцы круглого сечения – при 50 Гц и 196 МПа соответственно. При этом определяли долговечность образцов с покрытием до разрушения.

Лакокрасочные материалы наносили на образцы методом пневматического рас- пыления, отверждение покрытий осуществляли по режимам, приведенным в норматив- ной документации.

Качество покрытий оценивали с помощью стандартных методик: прочность при ударе – по ГОСТ 4765–2024 на приборе У-1А, эластичность при изгибе – по ГОСТ 31974–2012, относительную твердость – по ГОСТ 5233–2021. Адгезионную прочность систем покрытий при нормальном отрыве определяли в соответствии с ГОСТ 32299– 2025 в исходном состоянии и после длительных циклических испытаний на изгиб при амплитуде изгибающих напряжений σ_max = 78,4 МПа с наработкой 10⁶ циклов. Свобод- ные пленки ЛКП изготовлены в соответствии с ГОСТ 14243–78.

Результаты и обсуждение

Изучено влияние ЛКП на сопротивление усталости алюминиевого сплава Д1-Т Ан.Окс.нхр при циклическом изгибе. В табл. 1 приведены механические свойства грун- товок при испытании на растяжение.

Согласно данным табл. 1, грунтовочные покрытия отличаются как по механиче- ской прочности σ_p, так и по эластичности, которая характеризуется относительным удлинением при разрыве ε_p. Наиболее эластичной из всех исследованных покрытий яв- ляется грунтовка ЭП-0214 (σ_p = 28,7 МПа, ε_p = 12,8 %, эластичность при изгибе 1 мм), а наиболее прочным – грунтовка ЭП-0215 (σ_p = 37,5 МПа, ε_p = 1,6 %, эластичность при изгибе 3 мм). Покрытие ЭП-076 по механическим характеристикам (σ_p и ε_p) сопостави- мо с покрытием ЭП-0215 и обладает высокой прочностью и твердостью.

Грунтовочное покрытие ВГ-28 характеризуется высоким уровнем прочности при разрыве и эластичности.

На рис. 1 и 2 приведены результаты испытаний на коррозионную усталость плоских образцов из сплава Д1-Т Ан.Окс.нхр, окрашенных грунтовками ЭП-0214, ВГ-28, ЭП-0215, ЭП-076, и эластичность данных грунтовок (относительное удлинение при разрыве свободных пленок).

Долговечность образцов, окрашенных грунтовками, при испытании на коррози- онную усталость существенно зависит от эластичности. Эластичная грунтовка способ- ствует релаксации напряжений, возникающих в грунтовочном покрытии и на границе раздела «подложка–покрытие» в условиях чистого изгиба при симметричном цикле нагружения. Релаксация напряжений в покрытии при механическом нагружении образ- ца происходит за счет проявления вязкоупругих свойств грунтовок, модифицирован- ных эластомером (ЭП-0214 и ВГ-28).

Испытания образцов, окрашенных грунтовками ЭП-0215 и ЭП-076 с небольшой эластичностью (ε_p = 1,3–1,6 %) и высокой прочностью (σ_p = 36,4–37,5 МПа), показали, что жесткие покрытия обеспечивают существенно меньшую долговечность. Это связа- но с тем, что в таких покрытиях при циклических испытаниях на изгиб возникают мик- ротрещины, переходящие в макротрещины. В зоне образования трещин происходят разрушение и отслаивание покрытия с проникновением коррозионной среды (NaCl). В результате образуются очаги коррозии, способствующие разрушению образца.

Исследована долговечность образцов, окрашенных системами покрытий на ос- нове эластичных грунтовок и эрозионностойкой эмали ЭП-5236, в сравнении с серий- ной системой ЛКП. Свойства исследованных систем ЛКП представлены в табл. 2.

На рис. 3 и 4 приведены результаты испытаний систем ЛКП на коррозионную усталость образцов прямоугольного и круглого сечения.

Долговечность образцов алюминиевых сплавов при циклических испытаниях на изгиб существенно зависит от применяемой системы ЛКП. Результаты, полученные при испытаниях на изгиб как плоских, так и цилиндрических образцов, показали, что покрытие на основе эмали ЭП-5236 в системе с эластичными грунтовками ЭП-0214 и ВГ-28 в ~(1,9–2,0) раза более стойкие к коррозионному воздействию, чем система покрытий АК-070 + ЭП-140. Невысокая стойкость при испытании на коррозионную усталость об- разцов с покрытием АК-070 + ЭП-140 обусловлена значительным снижением адгезии грунтовочного покрытия АК-070 в области развития усталостной трещины. Это связано с тем, что механические напряжения, возникающие в покрытии и на границе раздела «под- ложка–покрытие», приводят к образованию микротрещин в самом покрытии, а также к снижению адгезии, вызывающему отслаивание покрытия в зоне разрушения образца.

Следует отметить, что очагами разрушения на всех исследованных плоских образ- цах являлись трещины в анодной пленке, расположенные параллельно друг другу с разной плотностью. Отслаивание покрытия наблюдали на образцах как прямоугольного, так и круглого сечения. На плоских образцах, окрашенных системами покрытий на основе эма- ли ЭП-5236, в зоне излома также обнаружено незначительное отслаивание, однако пло- щадь разрушения значительно меньше, чем на образцах с ЛКП на основе эмали ЭП-140.

На следующем этапе определены изменения адгезионной прочности плоских образцов после длительных циклических испытаний на изгиб. Амплитуда изгибающих напряжений составила σ_max = 78,4 МПа при длительности испытаний 10⁶ циклов. Адге- зионную прочность определяли на плоских образцах в зоне максимальных напряжений.

Циклический изгиб приводит к снижению адгезионной прочности систем по- крытий ВГ-28 + ЭП-5236, ЭП-0214 + ЭП-5236 и АК-070 + ЭП-140 на ~15,5; ~8,7 и ~31,4 %.

Анализируя полученные результаты можно предположить, что на стабильность адгезионной прочности при испытании на циклический изгиб оказывают существенное влияние механические характеристики грунтовочных покрытий. Применение эластич- ных грунтовок с эрозионностойкой эмалью ЭП-5236 способствует повышению устойчи- вости ЛКП к динамическим нагрузкам, что достигается за счет релаксации напряже- ний, возникающих при механическом воздействии [33].

Заключения

Исследовано влияние ЛКП на сопротивление усталости алюминиевых сплавов при циклическом изгибе. Показано, что при одинаковых условиях испытаний на корро- зионную усталость долговечность образцов из алюминиевых сплавов, окрашенных грунтовками ЭП-0214, ВГ-28, ЭП-0215 и ЭП-076, зависит от механических характери- стик покрытий.

За счет вязкоупругих свойств эластичные грунтовки (ЭП-0214 и ВГ-28) способ- ствуют релаксации напряжений, возникающих в покрытии и на границе раздела «под- ложка–покрытие».

Образцы, окрашенные грунтовками ЭП-0215 и ЭП-076 с невысокой эластич- ностью, имели меньшую долговечность. Это связано с тем, что в таких жестких покры- тиях при циклических испытаниях на изгиб возникают микротрещины, переходящие в макротрещины. В зоне образования трещин происходят разрушение и отслаивание покрытия, проникает коррозионная среда (NaCl), возникают очаги коррозии, способ- ствующие разрушению образца.

При испытании на коррозионную усталость исследованы защитные свойства си- стем ЛКП на основе эрозионностойкой эмали ЭП-5236 с эластичными грунтовками ЭП-0214 и ВГ-28 в сравнении с серийной системой АК-070 + ЭП-140. Установлено, что долговечность образцов алюминиевых сплавов при циклических испытаниях на изгиб существенно зависит от применяемой системы ЛКП. Показано, что системы покрытий на основе эмали ЭП-5236 с эластичными грунтовками ЭП-0214 и ВГ-28 в ~(1,9–2,0) ра- за более коррозионностойкие, чем система АК-070 + ЭП-140.

Определена адгезионная прочность при нормальном отрыве систем ЛКП в ис- ходном состоянии и после циклических испытаний на изгиб. Установлено, что цикли- ческий изгиб приводит к снижению адгезионной прочности ЛКП. Механические харак- теристики грунтовок влияют на стабильность адгезионной прочности при испытании на циклический изгиб. Повысить устойчивость ЛКП на основе эрозионностойкой эмали ЭП-5236 к динамическим нагрузкам можно за счет применения эластичных грунтовок.