Введение

К качеству поверхности деталей современной авиационной техники предъявляют особые требования, в частности для защиты самолета от электростатического заряда и электрических разрядов, которые могут возникать во время полета [1–3]. Электростатический заряд может привести к накоплению зарядов на поверхности самолета, которые могут притягивать к себе пыль и другие частицы из воздуха. Кроме того, электрические разряды могут вызывать коррозию материалов и покрытий авиационной техники, что приводит к снижению работоспособности, уменьшению долговечности, возникновению разрушений, отказов, аварий и катастроф [4–7]. Интенсивное развитие коррозии в зонах соединения металлических и неметаллических деталей и сборочных единиц вызывает значительное сокращение межремонтных и календарных сроков эксплуатации авиационной техники, существенно увеличивает затраты на ремонт [8, 9]. Электрический заряд накапливается за счет переноса электронов между фюзеляжем и воздушными массами, особенно с примесями пылевидных частиц или песка, и может приводить к созданию помех радиоэлектронного оборудования, средств навигации и отказу электроники летательных аппаратов. В связи с этим системы защиты самолета от электричества важны для обеспечения безопасности полетов [10–12].

Применение специальных материалов и приемов при изготовлении конструкций летательных аппаратов (особенно элементов фюзеляжа) позволяет существенно снизить накопление электростатического заряда на поверхности, возникающего в момент движения при трении о воздух или при прохождении в электростатическом поле, например в грозовом облаке.

Существуют специальные требования по металлизации следующих элементов конструкции и агрегатов современных летательных аппаратов: металлические части площадью более 0,2 м² или длиной более 0,5 м, составные части, подвижные и складывающиеся конструкции, трубопроводы, электрооборудование. Наиболее часто металлизацию корпуса летального аппарата, изготовленного из композиционных материалов, проводят крепежными (заклепками, болтами), установочными деталями (хомутами, колодками) или гибкими (перемычками, лентами металлизации) соединениями. Материалы контактирующих поверхностей элементов, соединенных с целью металлизации, должны составлять допустимые по электрохимическому потенциалу контактные пары [13].

Для наиболее эффективной защиты самолета от электричества необходимо учитывать все факторы и условия эксплуатации воздушного судна, а также природу применяемых материалов. Защита самолета должна основываться на комплексном подходе, включающем установку антистатических полос, молниеотводов и системы разрядки статического электричества [14].

Одним из способов разрядки статического электричества с фюзеляжа летательных аппаратов является применение крепежных элементов, отводящих заряд на системы разрядки статического электричества. Для эффективной и продолжительной работы необходимо, чтобы крепежный элемент обладал высокими значениями электропроводности и сохранял их в течение длительного периода эксплуатации. Для обеспечения электропроводности и защиты от коррозии деталей и поверхностей конструкции планера используют 10 % от общего количества алюминиевого крепежа без защитного покрытия, что приводит к возникновению коррозии и частым ремонтам. Алюминиевые сплавы, применяемые для изготовления крепежных элементов, характеризуются высокими значениями электропроводности, однако за время эксплуатации она снижается из-за образования плотных оксидных пленок или продуктов коррозии. Коррозия в этом процессе имеет основное значение и значительно ускоряется при контакте алюминия с неметаллическими материалами, в частности с углепластиками [15]. Одним из методов обеспечения защиты крепежных элементов, изготовленных из алюминиевых сплавов, может служить нанесение комбинированных многослойных гальванических покрытий. В связи с этим разработка технологии нанесения электропроводного защитного покрытия для крепежей из алюминиевых сплавов, эксплуатируемых в контакте с углепластиками, является актуальной задачей.

Цель данной работы заключалась в разработке способа повышения коррозионной стойкости крепежных элементов из алюминиевых сплавов путем нанесения систем многослойных гальванических покрытий, обладающих повышенной коррозионной стойкостью.

Материалы и методы

Электрическое сопротивление измеряли с помощью цифрового мультиметра. С учетом полученных значений рассчитывали электропроводность.

Электрохимические исследования проводили в трехэлектродной электрохимической ячейке объемом 350 см³. Рабочая площадь образца в ячейке составляла 1 см². В качестве вспомогательного электрода использовали платиновую сетку; в качестве электрода сравнения – хлорсеребряный электрод в насыщенном растворе KCl, потенциал которого в этой среде относительно нормального водородного электрода (НВЭ) составляет 197 мВ; в качестве электролита  – 3%-ный водный раствор NaCl.

Защитную способность покрытий оценивали в соответствии с ГОСТ 9.308–85 путем экспозиции образцов в течение 200 ч в камере солевого тумана с непрерывным распылением 5%-ного раствора хлористого натрия (метод 1) и в камере тепла и влаги при температуре 40±2 °С и относительной влажности 93±3 % (метод 6).

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Для определения влияния электростатического заряда и электрических разрядов на детали и поверхности летательных аппаратов измеряли электрическое сопротивление. Электропроводность G рассчитывали по формуле

G = 1/R,

где R – электрическое сопротивление, мкОм·м.

Электропроводность всех исследованных гальванических покрытий превышает электропроводность образца из алюминиевого сплава 1163-АТ без покрытия (табл. 1).

Проведены ускоренные коррозионные испытания для определения совместимости контактов разнородных в электрохимическом отношении материалов – образцов алюминиевого сплава 1163-АТ с гальваническими покрытиями (кадмиевое Кд20.хр, многослойное системы «никель–медь–никель» Н20.М20.Н20, гальванотермическое системы «цинк–олово–цинк» Ц4.О4.Ц2т) и углепластика ВКУ-39/ВТкУ-2.200. Внешний вид образцов из сплава 1163-АТ с нанесенными электропроводными гальваническими покрытиями после выдержки в камере солевого тумана и камере тепла и влаги в течение 200 ч представлен на рис. 1.

Таблица 1

Электропроводность поверхности алюминиевого сплава 1163-АТ

 с гальваническими покрытиями

Рис. 1. Внешний вид конструктивно-подобных образцов из алюминия с различными гальваническими покрытиями после коррозионных испытаний в камере солевого тумана и камере тепла и влаги в течение 200 ч: а – кадмиевое покрытие; б – многослойное покрытие системы «никель–медь–никель»; в – гальванотермическое покрытие системы «цинк–олово–цинк»

Подложки из сплава 1163-АТ с кадмиевым и гальванотермическим покрытием, контактирующие с углепластиком ВКУ-39/ВТкУ-2.200, подвержены коррозионному поражению. На образцах с многослойным покрытием системы «никель–медь–никель» (Н20.М20.Н20) за время экспозиции в камере солевого тумана никелевый слой частично растворился, защитив при этом более элетроположительный медный подслой по анодному механизму, коррозионные поражения подложки из сплава 1163-АТ не выявлены.

Для изучения влияния контактной коррозии образцов из алюминиевого сплава 1163-АТ с гальваническими покрытиями в контакте с углепластиком ВКУ-39/ВТкУ-2.200 использовали графический метод анализа анодных (АПК) и катодных (КПК) поляризационных кривых. Кривые регистрировали после выдержки образцов в растворе в течение 4 ч с замером величины потенциала разомкнутой цепи Е_р.ц, принимая за стационарный потенциал Е_ст конечное значение Е_р.ц при условии, что его изменение за последние 0,5 ч не превышает 30 мВ. Начальное значение потенциалов устанавливали для АПК на 100 мВ положительнее значения Е_ст, для КПК – на 100 мВ отрицательнее. Скорость развертки потенциала составила 0,16 мВ/с. Регистрацию кривых останавливали при достижении плотности тока 2·10^–3 А/см² либо потенциала 500 и 1000 мВ для АПК и КВК соответственно. С целью удаления продуктов коррозии перед измерением образцы без покрытия подвергали шлифовке, образцы с покрытием выдерживали при потенциале от –500 до –700 мВ относительно значения Е_ст в течение 2 мин.

На рис. 2, а представлены экспериментальные данные по измерению поляризационных кривых для образцов из сплава 1163-АТ с различными покрытиями (АПК) и углепластика (КПК). Значения потенциала Е_к.к и плотности тока i_к.к контактной коррозии рассмотренных контактных пар представлены в табл. 2. Величины скорости контактной коррозии рассчитаны на основе уравнений (1)–(4) и предполагаемого соотношения площадей 1:1.

Рис. 2. Поляризационные кривые: а – образцы из сплава 1163-АТ с различными покрытиями (анодные) и углепластика (катодные); б – расчет потенциала Е_к.к и плотности тока i_к.к контактной коррозии на примере системы «алюминий–углепластик». Синей пунктирной линией показано определение величин Е_к.к и i_к.к (НВЭ – нормальный водородный электрод)

Таблица 2

Коррозионные характеристики контактных пар

Все изученные системы подвержены контактной коррозии, разница между потенциалами коррозии (E_кор) АПК и КПК превышала 400 мВ. В наименьшей степени контактной коррозии подвержен образец с многослойным покрытием Н20.М20.Н20.

Детальное рассмотрение АПК в линейных координатах (рис. 3) свидетельствует о наличии на анодной части кривой либо области пассивности, при которой плотность тока не превышает 1 мА/см², либо пиков анодного окисления, заканчивающегося вторичной пассивацией поверхности. При достижении определенного потенциала плотность тока резко увеличивалась, что соответствует процессу полного анодного растворения покрытия/сплава. Значения потенциала перепассивации Е_пер, полученные путем экстраполяции линейного участка увеличения плотности тока на нулевое значение, во всех случаях оказались более положительными, чем значение Е_к.к, что объясняет относительно невысокие скорости контактной коррозии. Для образца сплава 1163-АТ с покрытием Кд20.хр значения Е_к.к и Е_пер оказались близки. Это свидетельствует о том, что контакт с углепластиком ВКУ-39/ВТкУ-2.200 будет приводить к его ускоренному окислению по механизму контактной коррозии. При этом скорость коррозии будет зависеть от соотношения контактных площадей. Увеличение площади катода по отношению к аноду в 3–5 раз приводит к практически пропорциональному росту величины i_к.к.

Следует отметить, что механизм окисления многослойных покрытий достаточно сложный, в результате чего характер контактной коррозии со временем может меняться. На рис. 3, в представлена АПК образцов с многослойным покрытием Ц4.О4.Ц2т в линейных координатах. На графике присутствуют серии пиков анодного окисления при потенциалах приблизительно –620, –430, –250 и –100 мВ относительно НВЭ. Природа данных пиков неясна: они могут соответствовать высшей степени окисления либо окислению фаз цинк–олово с различным обогащением цинком. Тем не менее вышеуказанные процессы заканчиваются вторичной пассивацией покрытия. В области потенциалов, положительнее 400 мВ относительно НВЭ, на кривой АПК наблюдается резкое увеличение плотности тока, соответствующее перепассивации поверхности. В данной области потенциалов происходят окисление олова по реакциям (5) и (6) и, как следствие, полное растворение покрытия. Полученное значение потенциала перепассивации Е_пер практически совпадает с потенциалом коррозии углепластика. Можно сделать вывод, что полное разрушение покрытия вследствие контактной коррозии маловероятно, однако будет происходить постепенное обезлегирование поверхности по цинку.

При измерении потенциала разомкнутой цепи образца с многослойным покрытием Н20.М20.Н20 в течение 1–2 ч кривые в нескольких точках выходили на плато в области потенциалов Е_ст = 130±10 мВ. Однако при регистрации АПК по методике, описанной ранее, отсутствовал катодный участок кривой. Это может свидетельствовать о том, что за время регистрации (4 ч) система так и не перешла к истинному равновесию, либо о том, что в хлорсодержащих электролитах покрытие Н20.М20.Н20 находится в активном состоянии. В результате решено начинать регистрацию АПК с более отрицательных потенциалов. Полученное значение потенциала нулевого тока E_кор оказалось почти на 100 мВ более отрицательным по сравнению со значением Е_ст. В отличие от покрытия Ц4.О4.Ц2т для покрытия Н20.М20.Н20 ярко выраженные пики анодного окисления не характерны, но наблюдается достаточно широкая область пассивности (рис. 3, г), которая заканчивается перепассивацией при потенциалах >360 мВ относительно НВЭ. По-видимому, лимитирующей стадией является окисление меди по реакции (7).

Рис. 3. Анодные поляризационные кривые образцов сплава 1163-АТ без покрытия (а)
и с покрытиями Кд20.хр (б), Ц4.О4.Ц2т (в), Н20.М20.Н20 (г). Синей пунктирной линией показано определение потенциала перепассивации Е_пер

Полученные данные могут свидетельствовать о наличии контактной пары никель–медь вследствие пористости верхнего слоя, что приводит к окислению никеля по механизму электрохимической коррозии. В таком случае электрохимические данные, полученные в области потенциала Е_к.к, представляют собой суперпозицию катодных и анодных процессов, характерных для меди и никеля соответственно, в результате чего реальная величина скорости окисления верхнего никелевого слоя может быть больше рассчитанной графическим методом. Полученная величина Е_пер и потенциал пары Cu(II)/Cu, сравнимые со значением Е_кор для углепластика ВКУ-39/ВТкУ-2.200, свидетельствуют о том, что полное разрушение покрытия вследствие контактной коррозии маловероятно.

Заключения

Электропроводность всех исследованных гальванических покрытий превышает электропроводность образца из алюминиевого сплава 1163-АТ без покрытия, что можно объяснить образованием плотной пленки оксидов на поверхности алюминиевого сплава. Наибольшими значениями электропроводности обладают покрытия системы «цинк–олово–цинк» и «никель–медь–никель».

Исследования коррозионной стойкости образцов из сплава 1163-АТ с электропроводными гальваническими покрытиями показали, что за время ускоренных коррозионных испытаний подложка в контакте с углепластиком ВКУ-39/ВТкУ-2.200 подверглась коррозионному поражению на образцах с кадмиевым покрытием и гальванотермическим покрытием системы «цинк–олово–цинк». На образцах с многослойным покрытием системы «никель–медь–никель» никелевый слой частично растворился, однако коррозионные поражения подложки не выявлены.

В наименьшей степени контактной коррозии подвержены образцы с многослойным покрытием системы «никель–медь–никель». Величина потенциала перепассивации свидетельствует о том, что разрушение данного покрытия вследствие контактной коррозии маловероятно.