Введение

Алюминиевые сплавы являются основным материалом для изготовления изделий авиационной техники. Однако в последнее время наблюдается тенденция к увеличению доли полимерных композиционных материалов в авиастроении. Более широкое применение углепластиков в конструкции изделий авиационной техники позволит увеличить весовую эффективность и, как следствие, экономическую эффективность их эксплуатации. Так, в конструкции лайнеров А320, А340 и В777 доля композиционных материалов составляет 10–15 % от массы самолетов, лайнеров А350 и Вoeing 787 Dreamliner: 52 и 50 % соответственно. В конструкции планера отечественного изделия МС-21 планируется применять уже 35 % углепластиков от доли всех материалов [1].

Однако использование углепластиков в авиастроении ограничено их способностью вызывать контактную коррозию алюминиевых сплавов [2], которая в авиации считается одним из самых опасных видов коррозии, поскольку протекает с высокой скоростью [3]. Кроме того, необходимо учитывать и особенность развития коррозии на алюминиевых сплавах – наличие питтинговой, межкристаллитной и расслаивающей коррозий [4]. Появление расслаивающей коррозии зачастую начинается с питтинговой коррозии [5]. Так, в работе [6] показано, что контакт алюминиевого сплава с нержавеющей сталью привел к ускоренному росту питтингов, в результате чего вызвал появление расслаивающей коррозии.

Возможность появления коррозионных поражений существенно увеличивает стоимость обслуживания воздушных судов и напрямую связана с безопасностью их эксплуатации [7, 8]. Стоимость обслуживания «стареющих» воздушных судов повышается не только в результате роста вероятности коррозионных поражений при увеличении срока их эксплуатации. До сих пор не решен ряд вопросов, связанных с коррозией алюминиевых сплавов, в частности прогнозирование развития коррозионных поражений и изучение их влияния на прочностные свойства [9, 10]. На практике деталь из алюминиевых сплавов заменяют при глубине коррозии более 10 % от толщины детали [11].

Предотвращение появления коррозионных поражений, особенно в местах контакта алюминиевых сплавов с материалами, вызывающими контактную коррозию, является одной из наиболее важных задач при проектировании воздушных судов. Это обеспечивается применением высокоэффективной системы противокоррозионной защиты (ПКЗ), правильность выбора которой должна подтверждаться результатами коррозионных испытаний.

Обычно разработчики средств и технологий защиты оценивают защитную способность отдельных элементов системы ПКЗ [12–14]. Работы, посвященные исследованию комплексных систем защиты, практически отсутствуют. Кроме того, несмотря на наличие большого количества методик испытаний для оценки свойств средств и технологий защиты, до сих пор не существует однозначно принятой методики, позволяющей выбрать наиболее оптимальную и высокоэффективную систему ПКЗ. Данная работа посвящена этому вопросу.

Материалы и методы

Для электрохимических измерений использовали следующие материалы: алюминиевый сплав 1163-АТ, титановый сплав ВТ6, нержавеющую сталь 12Х18Н10Т и углепластик ВКУ-25. Поверхность алюминиевого сплава подготавливали согласно ГОСТ 9.913–90 (время травления увеличивали для полного удаления плакировочного слоя), поверхность нержавеющей стали – согласно ГОСТ 9.308–85. Подготовку поверхности листов титанового сплава ВТ6 осуществляли травлением в растворе азотной и плавиковой кислот. Образцы из углепластика ВКУ-25 обрабатывали сухим корундом белым марки 25А (ГОСТ 28818–90) зернистостью F70 или F20 (ГОСТ Р 52381–2005) до полного устранения глянца.

Для определения скорости контактной коррозии (плотности тока контактной пары) анодные (АПК) и катодные поляризационные кривые (КПК) анализировали графическим методом. Поляризационные кривые получали с помощью потенциостата. Применяли трехэлектродную ячейку, позволяющую задавать рабочую площадь образца 1 см². Вспомогательным электродом служила платиновая сетка, электродом сравнения – каломельный электрод (к.э.) в насыщенном растворе KCl.

Измерения проводили в наиболее распространенном растворе для проведения электрохимических исследований в нейтральных условиях – в 3%-ном водном растворе NaCl. Использовали бидистиллированную воду и реактив ч.д.а. Первоначально измеряли потенциал коррозии E_ст образцов в течение 1 ч. Съемку АПК и КПК начинали со значений потенциала на 100 мВ положительнее и отрицательнее потенциала E_ст соответственно. Скорость развертки потенциала составляла 0,16 мВ/с. Снятие АПК проводили до достижения плотности тока 10^–2 А/см² либо потенциала +300 мВ, снятие КПК – до достижения плотности тока 10^–2 А/см² либо потенциала –1200 мВ.

Для изготовления конструктивно-подобного образца (КПО) использовали пластины из алюминиевого сплава 1163-Т (с удаленной плакировкой), пластины из углепластика ВКУ-25, плакированного стеклопластиком, и болтовое соединение из титанового сплава ВТ6 (Ан.Окс.имп). Эскиз КПО представлен на рис. 1.

Рис. 1. Эскиз конструктивно-подобного образца с применением четырехболтового соединения для испытаний системы противокоррозионной защиты: 1 – алюминиевый сплав; 2 – углепластик; 3 – крепеж

Поверхность алюминиевого сплава подвергали стандартному сернокислому анодированию и последующему наполнению в растворе бихромата калия (Ан.Окс.нхр) согласно ГОСТ 9.305–84 и в экологически безопасном растворе ингибиторов (Ан.Окс.нэр) согласно работе [15]. После анодирования алюминиевые пластины окрашивали грунтовкой ЭП-0215М или PPG PR205, далее высверливали отверстия.

Пластины из углепластика окрашивали выравнивающей грунтовкой ЭП-0104 либо грунтовкой PPG PR205. Перед нанесением грунтовки поверхность деталей из углепластика тщательно зачищали шкуркой зернистостью ≤20 до полного удаления глянца, а затем обезжиривали с помощью марлевых салфеток, смоченных растворителем нефрас-С2-80/120 с добавлением антистатической присадки АСП-3.

Крепеж устанавливали на пасту ВП-1, грунтовки ЭП-0215 и PPG PR205. Постановку крепежа на грунтовку проводили методом погружения. Антикоррозионную пасту ВП-1 на сопрягаемые поверхности крепежных деталей наносили колонковой кистью. Крепеж устанавливали с помощью динамометрического ключа с усилием 10 Н/м.

Кромки пластины алюминиевого сплава в составе КПО обрабатывали жгутовым герметиком У-30МЭС-5НТ марки «а», ВИТЭФ-1НТ или PR1782B2. Затем КПО окрашивали эмалями ВЭ-69 и CA-9008. Часть КПО изготавливали без применения средств защиты – использовали только анодированные алюминиевые сплавы, плакированный стеклопластиком углепластик и оксидированный крепеж из титанового сплава ВТ6 (Ан.Окс.имп). Фотографии изготовленных КПО с применением и без системы ПКЗ представлены на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид конструктивно-подобных образцов с применением (а) и без полной
системы противокоррозионной защиты (б)

Натурные испытания проводили согласно ГОСТ 9.906–83 на трех климатических площадках на территории РФ: г. Москва (умеренный климат промышленной атмосферы), г. Геленджик (умеренно теплый климат приморской атмосферы) и г. Якутск (очень холодный климат); а также на трех климатических площадках КНР: г. Лхаса (высокогорный климат с низкими температурами), г. Пекин (теплый климат промышленной атмосферы) и г. Ваньнин (теплый приморский влажный климат). Ускоренные коррозионные испытания проводили в камере солевого тумана при температуре 35 °С с распылением 5%-ного раствора NaCl.

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

Результаты и обсуждение

В первую очередь определяли степень опасности контактов алюминиевого сплава с разнородными материалами (углепластиком, титановым сплавом и нержавеющей сталью). На рис. 3 приведено графическое изображение метода определения плотности тока и потенциала контактных пар с использованием АПК и КПК на примере контакта алюминиевого сплава 1163-Т и углепластика ВКУ-25 в 3%-ном растворе NaCl. Для углепластика снимали КПК, поскольку в данной паре он является катодом, для сплава 1163-Т – соответственно АПК. По точке пересечения кривых на рис. 3 определено значение плотности тока контактной пары. Полученные значения разности потенциалов коррозии анодного (сплав 1163-Т) и катодного материалов, а также плотности тока выбранных контактных пар представлены в табл. 1.

Несмотря на то что значения разности потенциалов коррозии контактных пар достаточно близки, величины плотностей тока контактной коррозии значительно различаются.

Рис. 3. Определение плотности тока и потенциала контактной коррозии на примере алюминиевого сплава 1163-Т и углепластика ВКУ-25 в 3%-ном растворе NaCl графическим методом

Таблица 1

Параметры контактной коррозии алюминиевого сплава 1163-Т в 3%-ном растворе NaCl

В табл. 1 также приведены отношения плотностей тока контактной пары «материал–алюминиевый сплав» i_{к.к(М–Аl)} и контактной пары «алюминиевый сплав–титановый сплав» i_{к.к(Ti–Аl)}. Как видно из данных отношений, наиболее опасен контакт алюминиевого сплава с нержавеющей сталью вследствие наличия никеля, обладающего одним из наиболее низких значений перенапряжения водорода. Контакт алюминиевого сплава с углепластиком менее опасен, чем контакт со сталью, но на порядок опаснее, чем контакт с титановым сплавом. С учетом данного факта, а также увеличивающейся доли углепластиков в конструкции воздушных судов контакт алюминиевых сплавов с углепластиком требует особого внимания с точки зрения эффективности применяемой системы ПКЗ.

Принципы испытаний систем противокоррозионной защиты

Конструкция образцов для испытаний

Для исследования эффективности систем ПКЗ необходимо проводить испытания на образцах, представляющих собой имитацию элемента конструкции воздушных судов с нанесенной системой ПКЗ. Для этого используют КПО – образцы соединений пластин разнородных металлов (в данном случае алюминиевого сплава и углепластика), характерных для конструкции разрабатываемого изделия авиационной техники.

Конструкция КПО должна разрабатываться с привлечением специалистов, проектирующих воздушные суда. При этом необходимо придерживаться принципа экономии материала. Поскольку разработано достаточно большое количество средств и технологий защиты, выбор оптимальной системы ПКЗ потребует проведения испытаний множества типов КПО, что при материалоемкой конструкции приведет к значительным расходам. На рис. 1 и 4 представлены эскизы КПО с применением четырех- и двухболтового соединений для испытаний средств защиты. Для КПО с четырехболтовым соединением характерно еще одно опасное место – зазор между двумя пластинами углепластика.

Рис. 4. Эскиз конструктивно-подобного образца с применением двухболтового соединения для испытаний систем противокоррозионной защиты: 1 – алюминиевый сплав; 2 – углепластик

Применение большего количества крепежных элементов в конструкции КПО для испытаний систем ПКЗ нецелесообразно, поскольку ни прочность соединения, ни ее изменение при появлении коррозионных поражений в данных испытаниях не рассматриваются – при появлении первого коррозионного поражения можно говорить о завершении испытаний и, соответственно, фиксировать срок испытаний, определяющий защитную способность.

Методы испытаний для исследования эффективности

системы противокоррозионной защиты

Методы испытаний для исследования эффективностисистем ПКЗ должны обеспечивать коррозионное воздействие на КПО, имитирующее климатическое воздействие атмосферы. С этой точки зрения наиболее оптимальными являются натурные испытания. Однако они имеют существенный недостаток, заключающийся в продолжительности процесса. Согласно работе [16], современные системы ПКЗ должны обеспечивать защиту изделия авиационной техники в течение срока эксплуатации, превышающего 30 лет. Проведение натурных испытаний для выявления наиболее эффективной системы ПКЗ такой продолжительности нецелесообразно.

В последнее время внедряется метод натурно-ускоренных испытаний [17], заключающийся в ускорении процесса за счет как минимум ежесуточного обрызгивания экспонируемых образцов раствором хлорида натрия. Данный метод при сохранении механизма процессов атмосферной коррозии позволяет увеличить скорость коррозии алюминиевых сплавов до 4 раз. Однако продолжительность такого метода все же достаточно велика, к тому же до сих пор неизвестно, как ускорение процессов влияет на защитную способность систем ПКЗ.

Основным методом ускоренных испытаний, имитирующих коррозионное воздействие атмосферы, является испытание в камере солевого тумана. Метод разработан достаточно давно – в середине прошлого века, однако до сих пор остается золотым стандартом при испытаниях на атмосферную коррозию. Однако получаемые с помощью камеры солевого тумана данные слабо соответствуют результатам натурных испытаний. Для устранения данного недостатка предпринимаются попытки разработать циклические испытания на основе метода испытаний в камере солевого тумана [18]. Анализ применимости методик циклических испытаний представлен в работе [19]. Показано, что каждая методика циклических испытаний зачастую предназначена для конкретного вида материала или покрытия. В частности, циклические испытания, представленные в ГОСТ 9.401–2018 и разработанные для лакокрасочных покрытий, не применимы для испытаний систем ПКЗ, включающих не только лакокрасочные, но и защитные покрытия, герметики, различные противокоррозионные составы. 

По результатам данного анализа можно заключить, что для проверки эффективности системы ПКЗ следует использовать испытания в камере солевого тумана. Возможно также применение натурных испытаний, позволяющих определить ресурс (срок защиты) системы ПКЗ.

Оценка коррозионного состояния конструктивно-подобного образца

с противокоррозионной защитой после испытаний

Вопрос оценки изменения свойств КПО после проведения климатических испытаний требует анализа, поскольку определять потери массы образца или время появления коррозионного поражения (момент появления коррозионного поражения на КПО с системой ПКЗ визуально трудно установить, особенно при проведении длительных испытаний) нецелесообразно. Исходя из характерных видов коррозионных поражений, возникающих на алюминиевых сплавах в атмосферных условиях, – питтинговых, межкристаллитных и расслаивающих, можно определить основные показатели коррозии для оценки изменения свойств КПО: максимальную глубину и плотность распространения питтингов, максимальную глубину межкристаллитной коррозии, степень поражения расслаивающей коррозии, изменение уровня усталостных и статических прочностных свойств.

Для решения задачи, представленной в данной статье, в качестве показателей необходимо использовать максимальную глубину питтинговой коррозии и изменение уровня прочностных свойств. Межкристаллитная и расслаивающая коррозии зависят от скорости развития питтинговой коррозии и определяются склонностью сплава (полуфабриката) к данным видам коррозии. Эта задача решается при испытаниях образцов алюминиевого сплава (полуфабриката) в соответствии с ГОСТ, и для КПО такой подход нецелесообразен.

Показатель коррозии по изменению уровня прочностных свойств для КПО можно определить как при статическом K_P, так и при усталостном K_N нагружении согласно уравнениям (1) и (2) по аналогии с показателем коррозии K_σ [20]:

где Р₀ – исходная разрушающая нагрузка;P – разрушающая нагрузка после испытаний;N₀ – исходная усталостная долговечность; N – усталостная долговечность после испытаний при аналогичной усталостной нагрузке.

Для анализа изменения статических прочностных свойств КПО проанализированы коррозионные поражения и изменения прочностных свойств образцов алюминиевого сплава 1163-Т, испытанных при натурной экспозиции в шести климатических зонах в течение 18 мес как отдельно, так и в составе КПО (табл. 2).

Таблица 2

Средние значения удельного изменения массы ∆m/S, глубины питтинговой коррозии h_max и изменения разрушающей нагрузки ∆Р образцов алюминиевого сплава 1163-Т,

испытанных отдельно и в составе конструктивно-подобного образца (КПО),

после натурной экспозиции

Снижение уровня прочностных свойств и разрушающей нагрузки наблюдается только для образцов алюминиевых сплавов после 18 мес экспозиции в приморских регионах: г. Ваньнин и г. Геленджик. При этом заметим, что уменьшение уровня разрушающей нагрузки и, соответственно, степени коррозионных поражений для образцов алюминиевого сплава, испытанных отдельно, больше, чем для образцов в составе КПО, несмотря на наличие в последнем случае контакта разнородных материалов. Причиной данного факта является наличие защитных оксидных покрытий на алюминиевом и титановом сплавах, а также плакировки углепластика стеклопластиком. В случае полной защиты КПО, т. е. применения средств защиты (лакокрасочных материалов, герметиков и т. д.), снижение уровня прочностных свойств будет еще меньше.

С другой стороны, разброс данных при статических испытаниях гораздо меньше, чем при усталостных, поэтому можно предположить, что полученные небольшие значения ∆Р будут достаточны для оценки степени коррозионных поражений. Однако с увеличением степени коррозионных поражений разброс данных должен увеличиваться. На рис. 5 представлена зависимость относительной величины разброса данных при статических испытаниях V_Rот продолжительности испытаний образцов алюминиевого сплава 1163-Т в камере солевого тумана. Величину V_R рассчитывали как отношение диапазона значений и среднего значения Р, выраженное в процентах.

Рис. 5. Зависимость относительной величины разброса данных по величине разрушающей нагрузки для образцов сплава 1163-Т от продолжительности выдержки в камере солевого тумана

Разброс данных увеличивается, что требует наличия значимых различий в величинах K_P. Поскольку значимые изменения K_P наблюдаются лишь для слабых систем ПКЗ и в очень агрессивных условиях испытаний, то подход, основанный на изменении механических свойств при статической нагрузке, следует признать нецелесообразным.

Рассмотрим влияние коррозионных поражений на усталостную долговечность алюминиевых сплавов. На рис. 6 изображена кривая усталостной долговечности образцов из алюминиевого сплава в зависимости от глубины коррозионного поражения, полученная в работе [21]. Коэффициент детерминации достигает высокого значения (0,88), а форма кривой имеет экспоненциальный характер.

Рис. 6. Зависимость усталостной долговечности от глубины питтинга на образцах из сплава 7075 [21]

На рис. 7 представлена зависимость усталостной долговечности от глубины питтинга в спрямляющих координатах, полученная в работе [22]. Для сравнения на графике также отражено значение усталостной долговечности исходного образца (без коррозионных поражений). Если провести аппроксимирующую кривую, то можно заметить, что при коррозионном поражении «нулевой» глубины значение усталостной долговечности снижается практически на порядок по сравнению с исходным. Полученные данные подтверждают, что даже небольшое коррозионное поражение приводит к значительному уменьшению уровня усталостной долговечности образцов.

Рис. 7. Зависимость усталостной долговечности от глубины питтинга на образцах из сплава 7075 в спрямляющих координатах [21]

На натурную экспозицию на климатических площадках, указанных в табл. 2, на срок 12 и 18 мес были выставлены КПО с четырехболтовым соединением и различными системами ПКЗ, включающие не только защитные покрытия, но и средства защиты (лакокрасочные материалы, герметики) После окончания экспозиции по результатам визуального осмотра коррозионные поражения не обнаружены. Усталостные испытания показали, что подавляющее количество КПО имеют величину усталостной долговечности в пределах (2–7)∙10⁴ циклов.

Однако ряд КПО имел достаточно низкие значения усталостной долговечности – порядка 1000 циклов. Алюминиевые части данных КПО подвергнуты фрактографическому анализу и конфокальной спектрометрии. Типичный результат фрактографического анализа для КПО с различными вариантами защиты представлен на рис. 8. Причинами значительного снижения уровня усталостной долговечности исследованных КПО являются многочисленные небольшие дефекты (глубиной до 20 мкм) круглой формы, расположенные по боковым сторонам отверстия, от которых начинается зарождение усталостной трещины. Наблюдается достаточно правильная полусферическая форма данных дефектов, не характерная для коррозионных поражений на алюминиевых сплавах при атмосферной коррозии, – питтинги обладают неправильной формой, их рост идет по преимущественным направлениям к расположению интерметаллидов или сегрегаций легирующих компонентов [3].

Для установления природы появления дефекты исследованы методом рентгеновского микроанализа. При коррозионной природе должны наблюдаться элементы, входящие в состав продуктов атмосферной коррозии алюминия, – в основном хлориды. По результатам анализа в местах дефектов отмечено наличие алюминия, кислорода и углерода. Отсутствие хлора свидетельствует о некоррозионном происхождении данных дефектов.

Рис. 8. Типичный результат фрактографического анализа конструктивно-подобного образца после натурной экспозиции и усталостного нагружения

Микроскопическим методом проанализированы поверхности алюминиевых частей КПО с различными вариантами защиты после разборки и удаления лакокрасочных покрытий. Показано, что на поверхности КПО коррозионные поражения отсутствуют. Кроме того, дефекты по боковым сторонам отверстия обнаружены не только на КПО с различными вариантами защиты после испытаний в приморском климате (г. Ваньнин и г. Геленджик), но и на станциях, расположенных в малоагрессивном по отношению к алюминию климате. В случае коррозионной природы глубина дефектов на алюминиевых частях КПО с различными вариантами защиты после испытаний в условиях приморского климата значительно превышала бы глубину дефектов, возникших после испытания в г. Лхаса.

Можно заключить, что после проведения натурных, натурно-ускоренных и ускоренных испытаний коррозионные поражения на КПО с различными вариантами защиты отсутствуют. Дефекты образовались, по-видимому, на стадии изготовления КПО с различными вариантами защиты.

В связи с этим после проведения усталостных испытаний необходимо проводить фрактографический анализ изломов образцов как для установления природы зарождения усталостной трещины, так и для определения глубины коррозионного поражения, вызвавшего ее рост. Для алюминиевых сплавов данная величина, как указано в работе [23], обычно меньше максимальной глубины коррозионного поражения.

Заключения

Разработан алгоритм оценки влияния коррозионных поражений:

– визуальный осмотр КПО на предмет нарушения целостности покрытия и наличия коррозионных поражений. Фиксирование деградации защитных покрытий и наличия продуктов коррозии;

– усталостные испытания КПО (малоцикловая усталость) с фиксацией количества циклов до разрушения;

– удаление лакокрасочных покрытий за счет нанесения специальных составов, которые не вызывают коррозии на материалах составных частей КПО;

– определение максимальной глубины коррозии методом конфокальной спектроскопии на разрушенных частях КПО (при наличии коррозионных поражений);

– фрактографический анализ разрушенной части КПО, который имеет минимальное значение долговечности среди партии испытанных КПО, с определением глубины коррозионного поражения, вызвавшего зарождение усталостной трещины и разрушение образца.