Введение

В некоторых изделиях авиационной техники имеются агрегаты, в которых требуется к обшивке из алюминиевого сплава приклеить пористые материалы, такие как пенопласты и теплоизоляционные материалы. Поскольку пористые материалы являются водопроницаемыми, обшивка из алюминиевого сплава будет контактировать с парами влаги, адсорбируемой на поверхности металлической обшивки, которая может вызвать начало коррозии. В связи с этим требуется защита от коррозии обшивки, находящейся под слоем пористого материала. Для этих целей используются антикоррозионные эпоксидные грунтовки, содержащие в своем составе ингибиторы коррозии – например, модифицированная эпоксидная грунтовка ЭП-0214, которую предварительно наносят на поверхность из алюминиевого сплава до проведения технологических операций по склеиванию.

Данная работа посвящена исследованию влияния грунтовочного покрытия ЭП-0214 на свойства клеевых соединений, выполненных клеем-герметиком Эласил 137-175М по загрунтованной поверхности предварительно анодированного алюминиевого сплава.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.1. «Многофункциональные клеящие системы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1, 2].

Материалы и методы

В данной работе для склеивания использован клей-герметик Эласил 137-175М, представляющий собой одноупаковочную композицию на основе низкомолекулярного кремнийорганического каучука, который поставляется в готовом для применения виде, упакованным в тубы в соответствии с ТУ 6-02-1319–85. Вулканизация клея-герметика проходит после удаления его из тубы при взаимодействии (контакте) с влагой воздуха, или влагой, адсорбированной на склеиваемой поверхности, поэтому гарантийный срок хранения его в тубах составляет 6 мес при условии герметичной упаковки. Завулканизованная пленка клея-герметика имеет белый цвет и обладает плотностью не более 1,5 г/м³. Определены следующие свойства клея-герметика Эласил 137-175М при температуре 20±5 °С:

Наиболее широко применяемым способом подготовки поверхности алюминиевых сплавов под склеивание в авиастроении является нанесение анодно-оксидных хромокислотных или сернокислотных покрытий. Период времени между операцией подготовки поверхности до склеивания не должен превышать 2 ч. Однако не всегда это возможно, особенно в случае склеивания крупногабаритных конструкций, когда до склеивания на анодированные поверхности наносят адгезионные грунтовки. Для повышения климатической стойкости высоконагруженных клеевых конструкций применяется адгезионный грунт ЭП-0234, который наносят на склеиваемые металлические поверхности в течение 2 ч после проведения операции анодирования. Адгезионный грунт содержит в своем составе ингибиторы коррозии. Срок хранения загрунтованных деталей до склеивания увеличивается с 2 ч до 60 сут [3–5]. Клеевые соединения имеют более высокую водостойкость и тропикостойкость благодаря улучшению монолитности клеевого слоя на границе раздела «клей–субстрат». Однако грунт ЭП-0234 требует отверждения при повышенной температуре, поэтому на практике он используется только в сочетании с высокопрочными пленочными клеями.

Весьма перспективно применение грунтовок, не требующих искусственной сушки покрытия перед нанесением клеевых композиций. Для применения в клеевых соединениях наиболее перспективной является модифицированная эпоксидная грунтовка ЭП-0214. Она используется для защиты поверхности алюминиевых сплавов непосредственно после анодирования. Грунтовка ЭП-0214 наносится на анодированные поверхности алюминиевых сплавов, затем покрытие подвергается термической обработке при температуре 120 °С в течение 2 ч. Такие загрунтованные детали могут быть использованы в работах по получению крупногабаритных агрегатов и конструкций. Непосредственно перед склеиванием поверхности промывают и наносят второй слой грунтовки ЭП-0214 холодной сушки. Такая подготовка поверхности используется при наклеивании пористых материалов, имеющих невысокую прочность, например, клеем-герметиком Эласил-137-175М [6].

В данной работе для защиты поверхности алюминиевого сплава в качестве ингибирующей грунтовки исследована модифицированная эпоксидная грунтовка ЭП-0214 (ТУ 1-595-15-770–2004), которая представляет собой двухкомпонентную систему, состоящую из полуфабриката грунтовки и отвердителя (кремнийорганического амина).

Определены следующие свойства двухслойного покрытия на основе грунтовки ЭП-0214:

Грунтовку ЭП-0214 наносили на образцы из сплава Д16-АТ Ан.Окс.нхр методом пневматического распыления в 2 слоя. Первый слой грунтовки ЭП-0214 наносили на поверхность алюминиевого сплава не позднее, чем через 2 ч после проведения операции анодирования, и отверждали при температуре 120 °С в течение 2 ч, второй слой – непосредственно перед склеиванием. Суммарная толщина покрытия составляла 30–40 мкм [7–12].

Испытания образцов клеевых соединений при сдвиге, выполненных с применением клея-герметика Эласил 137-175М и алюминиевого сплава Д16-АТ, проводили в соответствии с ГОСТ 14759–91. Часть образцов склеивали по поверхности, анодированной в хромовой кислоте (Ан.Окс.хр) или в сернокислотном электролите с наполнением анодной пленки в растворе дихромата калия (Ан.Окс.нхр). Часть образцов, подлежащих испытанию, окрашивали грунтовкой ЭП-0214. Первый слой грунтовки наносили непосредственно после проведения операции анодирования, второй слой – перед склеиванием образцов не позднее 24 ч после нанесения грунтовки. Отверждение клея-герметика проводили при комнатной температуре в течение 5 сут под давлением 0,01–0,02 МПа [13–17].

Длительную прочность при сдвиге определяли в соответствии с ОСТ1 90092–79 «Клеи. Метод определения длительной прочности на сдвиг при растяжении». В соответствии с этим методом образцы испытывали под действием постоянной статической сдвиговой нагрузки при заданной температуре и определяли величину напряжения, которую выдерживает клей в клеевом соединении, длительно не разрушаясь.

Выносливость при сдвиге определяли в соответствии с ОСТ1 900-112–79 «Клеи. Метод определения предела выносливости при сдвиге». Образцы клеевых соединений доводили до разрушения при воздействии заданной нагрузки, меняющейся во времени по закону, близкому к синусоидальному, с частотой циклов 25–30 Гц и коэффициентом асимметрии цикла R=0,1.

Водостойкость и стойкость к термическому старению определяли в соответствии с ОСТ1 09236–76 путем выдержки образцов клеевых соединений для испытаний при сдвиге в ненагруженном состоянии в заданном режиме и оценивали изменение прочности клеевых соединений. Применяли следующий циклический режим испытаний в камере, имитирующей тропический климат:

– выдержка при температуре 50±5 °С и относительной влажности φ=100% в течение 8 ч;

– выдержка при температуре 18±7 °С и относительной влажности φ=100% в течение 12 ч;

– выдержка при температуре 18±7 °С и относительной влажности φ=55±12% в течение 8 ч.

Результаты и обсуждение

Для определения влияния покрытия на основе грунтовки ЭП-0214, нанесенной на поверхность алюминиевого сплава Д16-АТ, на эксплуатационные свойства клеевых соединений, выполненных с применением клея-герметика Эласил 137-175М, проведены параллельные испытания клеевых соединений анодированного алюминиевого сплава Д16-АТ с покрытием грунтовкой ЭП-0214 и без покрытия. В табл. 1 приведены результаты испытаний клеевых соединений алюминиевого сплава Д16-АТ Ан.Окс.нхр с покрытием грунтовкой ЭП-0214 и без покрытия (рис. 1).

Таблица 1

Свойства клеевых соединений при сдвиге

Рис. 1. Предел прочности при сдвиге клеевых соединений при температуре испытания 20 (■) и 180 °С (■)

Из полученных результатов испытаний следует, что применение грунтовки ЭП-0214 в качестве клеевой грунтовки не снижает прочности клеевых соединений как при температуре 20 °С, так и при 180 °С.

В табл. 2 приведены результаты испытаний клеевых испытаний, определяющих влияние покрытия грунтовки ЭП-0214 на работоспособность клеевых соединений при длительном воздействии постоянно действующей нагрузки.

Таблица 2

Длительная прочность клеевых соединений

Из результатов испытаний, представленных в табл. 2, следует, что нанесение грунтовки ЭП-0214 на поверхность алюминиевого сплава Д16-АТ Ан.Окс.нхр не приводит к снижению длительной прочности клеевых соединений, полученных с применением клея-герметика Эласил 137-175, более того, прочность клеевых соединений повышается на ~5%.

Аналогичные результаты получены при испытании клеевых соединений на определение предела выносливости при сдвиге (табл. 3). Применение грунтовки приводит к незначительному повышению предела выносливости при сдвиге клеевых соединений, выполненных клеем-герметиком Эласил 137-175М.

Таблица 3

Вибропрочность клеевых соединений, склеенных клеем-герметиком Эласил 137-175М

Видно, что применение грунтовки ЭП-0214 в клеевых соединениях, выполненных клеем-герметиком Эласил 137-175М, при температуре испытаний 20 °С не приводит к снижению вибропрочности клеевых соединений. Следует отметить даже незначительное повышение вибропрочности клеевых соединений при сдвиге.

Исследована стойкость клеевых соединений к воздействию повышенных температур (термическому старению). Результаты испытаний клеевых соединений приведены в табл. 4.

Таблица 4

Стойкость клеевых соединений к воздействию повышенных температур

Из полученных результатов следует, что клеевые соединения, выполненные клеем-герметиком Эласил 137-175М по поверхностям, загрунтованным грунтовкой ЭП-0214, выдерживают воздействие температуры 200 °С в течение 50 ч с сохранением высокого уровня прочности клеевых соединений. Следует отметить, что после термостарения прочность клеевых соединений при комнатной температуре несколько снижается, а при температуре испытаний 200 °С – повышается на ~15%. Покрытие эпоксидной грунтовкой ЭП-0214 предназначено для работы при температуре до 200 °С (в закрытых клеевых соединениях), поэтому ее не рекомендуют использовать в клеевых соединениях, выполненных с применением клея-герметика Эласил 137-175М при температурах ˃200 °С, несмотря на то, что клей-герметик рекомендован на рабочие температуры до 300 °С.

Исследовано влияние грунтовочного покрытия ЭП-0214 на прочность клеевых соединений при сдвиге, изготовленных с применением клея-герметика Эласил 137-175М, после выдержки в воде в течение 30 сут. Результаты испытаний приведены в табл. 5 и на рис. 2.

Таблица 5

Стойкость клеевых соединений к действию воды в течение 30 сут

Рис. 2. Предел прочности при сдвиге клеевых соединений без ЛКП (■) и с грунтовкой
ЭП-0214 (■) в исходном состоянии (а) и после выдержки в воде в течение 30 сут (б)

Клеевые соединения, выполненные с применением клея-герметика Эласил 137-175М в сочетании с покрытием грунтовкой ЭП-0214, обладают высокой водостойкостью. Воздействие воды на образцы клеевых соединений в течение 30 сут не приводит к снижению их прочности при сдвиге – наблюдается незначительное возрастание прочности при сдвиге, что можно объяснить дальнейшим отверждением клея при воздействии влаги.

При экспозиции клеевых соединений на открытых климатических площадках и в неотапливаемых складских помещениях получены результаты, подтверждающие положительное влияние покрытия на основе грунтовки ЭП-0214 на прочностные характеристики клеевых соединений. Во всех случаях наблюдалось увеличение прочности клеевых соединений:

– при 20 °С – с 3,3 до 4,5 и 5,2 МПа;

– при 200 °С – с 0,5 до 1,6–2,1 МПа.

В табл. 6 приведены результаты определения устойчивости клеевых соединений образцов из сплава Д16-АТ, выполненных с применением клея-герметика Эласил 137-175М, нанесенного на загрунтованную поверхность, и без грунтовочного покрытия к воздействию тропического климата в течение 1 мес.

Таблица 6

Стойкость клеевых соединений к воздействию условий искусственных тропиков

Из приведенных данных следует, что экспозиция образцов клеевых соединений, выполненных клеем-герметиком Эласил 137-175М, к воздействию условий искусственных тропиков в течение 3 мес не снижает их прочностных характеристик. Применение грунтовки ЭП-0214 приводит к повышению прочностных характеристик клеевых соединений при температуре испытания 20 °С – на 39%, а при температуре 180 °С – на 12%. После воздействия условий искусственных тропиков в течение 1 мес прочность клеевых соединений при температуре испытания 20 °С снижается на 15%, но остается на уровне прочности клеевых соединений, выполненных клеем-герметиком Эласил 137-175М без грунтовки. Испытания клеевых соединений при температуре 180 °С показали, что прочность клеевых соединений остается без изменений.

Заключения

На основании полученных результатов исследований установлено, что применение грунтовки ЭП-0214 для защиты анодированной поверхности алюминиевого сплава Д16-АТ Ан.Окс.нхр перед нанесением клея-герметика Эласил 137-175М:

– приводит к повышению прочности при сдвиге на ~5% (аналогичные результаты получены при испытании клеевых соединений на предел выносливости при сдвиге);

– после испытания при температуре 200 °С в течение 50 ч не приводит к снижению прочности клеевых соединений при сдвиге;

– при температуре испытания 20 °С не приводит к снижению вибропрочности клеевых соединений, а наблюдается незначительное повышение вибропрочности клеевых соединений;

– не снижает водостойкости и тропикостойкости вышеуказанных клеевых соединений при сдвиге; наличие грунтовочного покрытия в клеевом соединении способствует незначительному возрастанию прочности при сдвиге, что можно объяснить дальнейшим отверждением клея при воздействии влаги.

Анализируя полученные результаты, подтверждающие положительное влияние покрытия ЭП-0214 на прочность клеевых соединений, выполненных с применением клея-герметика Эласил 137-175М, можно предположить, что данный эффект может быть связан с присутствием в составе грунтовки эластомерного модификатора, способствующего релаксации напряжений, возникающих на границе раздела «грунтовочное покрытие–клей», а также с присутствием в составе грунтовки кремнийорганического амина АГМ-9. Входящие в состав молекулы отвердителя АГМ-9 алкоксигруппы при атоме кремния, гидролизующиеся влагой воздуха, способствуют хемосорбционному взаимодействию покрытия с анодированной поверхностью алюминиевого сплава [18–22].

В результате выполнения работы установлено, что применение антикоррозионной грунтовки ЭП-0214 для защиты поверхности алюминиевых сплавов и увеличение временно́го интервала между операциями анодирования и склеивания позволяет защитить поверхности без снижения прочности клеевых соединений при использовании клея-герметика Эласил 137-175М.