Авиационные лакокрасочные технологии

Разработка и производство авиационных лакокрасочных материалов

Начальные этапы развития авиационных ЛКМ

Проводя исследования авиационных лакокрасочных материалов следует выделить два этапа развития:

• Первый этап — довоенные и военные годы, когда основными материалами для производства планеров были древесина, фанера и ткань;
• Второй этап — послевоенные годы, когда стали стремительно развиваться реактивная авиация и ракетно-космическая техника, создаваемая с применением стали, алюминия и магниевых сплавов.

Чтобы иметь представление о первом этапе развития, стоит сослаться на справочник Научно-исследовательского Института авиационных материалов издания 1942 года, в который включено 44 наименования ЛКМ и лишь 22 наименования магниевых и алюминиевых сплавов.

Защитная окраска древесины и тканевых обшивок самолетов в то время играла значительную, если не сказать, решающую роль в обеспечении боеготовности военно-воздушных сил. В рапорте командующего фронтом от июня 1942 г. верховному главкому Сталину было указано, что намеченное наступление под угрозой срыва, так как окрашенные тканевые обшивки самолетов растрескались. Резолюция Сталина была краткой: «Разобраться и наказать». В Институт авиационных материалов приехал первый заместитель наркома авиационной промышленности П.В. Дементьев, поднялся на крышу здания и осмотрел натянутые на рамки окрашенные тканевые обшивки, которые находились в превосходном состоянии. Комиссия направилась в Челябинск на завод ЛКМ и установила, что технологами лакокрасочного завода были внесены изменения в рецептуру нитроцеллюлозной эмали, утвержденной Институтом. Во время работы официальной комиссии сотрудниками Института авиационных материалов была разработана и реализована технология ремонта поврежденных обшивок летательных аппаратов.

Разработанный в ходе выполнения этих функций нитроцеллюлозный лак НЦ-551 (аэролак первого покрытия), обеспечивающий натяжение ткани, по настоящее время применяется на заводах, ремонтирующих самолеты Ан-2 и Ан-4 с тканевыми обшивками крыльев и оперения.

Во время Великой Отечественной войны начали проводится работы по созданию камуфлирующих эмалей. В 1941 г. уже было организовано производство маскирующих эмалей белого цвета (для эксплуатации самолетов в зимний период), а в 1942 г. — черных маскирующих эмалей (для ночных полетов). Окрашенные черными эмалями советские бомбардировщики в последствии успешно выполняли поставленные задачи в небе над Берлином.

Более масштабные и ответственные задачи ставились позже перед разработчиками современной реактивной авиации. Основная проблема, требующая особого подхода — это защита от коррозии металлических сплавов, образующих всю конструкцию летательного аппарата.

Самолет может быть спроектирован и произведен в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к прочности материалов и конструкции, но длительно эксплуатироваться без специальных лакокрасочных покрытий он не в состоянии. Поверхность металлических деталей авиационной техники подвергается сложному влиянию различных факторов, таких как: широкий диапазон температурных перепадов воздушной атмосферы (от минус 70 до плюс 80 °С, а в местах крепления двигателей и для сверхзвуковой авиации — еще больше), интенсивная солнечная радиация, повышенная доля ультрафиолетового излучения и высокая концентрация озона на больших высотах, эрозионный износ, неизбежное воздействие при эксплуатации ГСМ, гидрожидкостей, антиобледенительных, моющих и дезинфицирующих средств и многое другое.

Разработки авиационных ЛКМ в послевоенный период

Сразу после победы в ВОВ и до 1955 года учеными разрабатывались специальные лакокрасочные изделия для защиты алюминиевых обшивок, термостойкие краски для кожухов камер сгорания турбореактивных двигателей и стеклопластиковых радиопрозрачных обтекателей антенн.

Для разработки покрытий специалистами Института авиационных материалов впервые в СССР были синтезированы акриловые сополимеры, на основе которых изготовлены лаки АК-113, АК-113Ф, АС-16 и АС-82 для окраски внешней поверхности первых реактивных самолетов. Для антикоррозионной защиты внутренней поверхности и внутреннего набора планера была разработана фенольная грунтовка ФЛ-086, модифицированная тунговым маслом. В начале 60-х годов создана акрилостирольная эмаль АС-1115, обладающая высокой термостойкостью, хорошей стойкостью к влиянию атмосферных воздействий и превосходными технологическими свойствами. На основе пленкообразующего этой же эмали была разработана камуфлирующая эмаль АК-5178М.

Впервые в стране была разработана термостойкая эмаль КО-813 на основе кремнеорганического лака, синтезированного в ВИАМ академиком К.А. Андриановым и его учеником А.А. Ждановым. Для защиты радиопрозрачных антенных обтекателей была создана радиопрозрачная эпоксидная эмаль ЭП-255.

Однако эксплуатация авиационной техники показала недостаточно высокие антикоррозионные свойства разработанных покрытий, и в ряде случаев недостаточно высокую термостойкость. Поэтому с начала 50-х годов стали изучаться механизмы защитного действия лакокрасочных покрытий, влияние природы и формы пигментов и наполнителей на свойства ЛКП, а также многочисленные факторы, действующие в специфических условиях работы разных типов летательных аппаратов. Исследованы были также изменения состава защитных покрытий и их эксплуатационных параметров в процессе службы, для чего организовывались многосторонние испытания в натурных климатических условиях.

Пассивирующее действие пигментной части грунтовочного покрытия в решающей степени определяется эффективностью противокоррозионной защиты ЛКП для металлических сплавов (Al, Mg, Fe и др.). Впервые в нашей стране учеными были проведены научные исследования зависимости кинетики коррозии металла (Mg) от концентрации хромат-ионов, которые образуются при ограниченном растворении хроматных пигментов. В результате опытов установлена зависимость изменения электродных потенциалов магниевых сплавов и выявлены оптимальные значения содержания хроматов в грунтовочных лакокрасочных материалах.

Досконально изучены также осмотические процессы диффузии молекул воды через пленку грунтовки, являющиеся одним из серьезных факторов снижения адгезии ЛКМ. В результате работ впервые разработаны с применением хромата стронция уникальные грунтовочные составы на основе эпоксидных, акриловых и кремнийорганических пленкобразующих с высокими защитными и адгезионными свойствами, полученными вследствие хемосорбционного взаимодействия с поверхностью медьсодержащих алюминиевых сплавов, а также различных марок стали.

Научные исследования специалисты лакокрасочной лаборатории проводили в тесном рабочем контакте с химиками-коррозионистами. В результате совместной деятельности было выяснено, что лакокрасочное покрытие на металлических поверхностях — это не только защита от внешних негативных факторов. Действие качественного ЛКП обеспечивает сложный процесс изменения состояния поверхностного слоя металла — перевод его при контакте с электролитом в устойчивое пассивное состояние. Эту функцию в системах ЛКП выполняют грунтовки. При разработке специальных грунтов исследовались полимеры с низкой проницаемостью для агрессивных ионов, ионов корродирующего металла и кислорода, с высокой адгезией, эластичностью, прочностью, твердостью, щелочестойкостью, в отдельных случаях — стойкостью к термическому влиянию на защищаемую поверхность.

Пассивирующие свойства грунтовок обеспечивались пигментами, в основном хроматами, способными при контакте с водой диссоциировать с образованием шестивалентного хрома.

Установлена сложная закономерность, регулирующая два связанных между собой химических процесса — образование пассивирующей пленки и ее разрушение, и определено оптимальное содержание хромата в рецептуре грунтовки. Полученные результаты данных научных исследований позволили ученым-химикам существенно повысить эффективность лакокрасочного покрытия.

В результате кропотливой научной работы была успешно решена такая сложная задача, как защита магниевых сплавов. Их применение было значительно расширено в результате разработки эффективных защитных хроматных ЛКМ, таких как: акриловая грунтовка АК-070 и эпоксидно-полиамидная грунтовка ЭП-076. Благодаря разработке технологии подготовки поверхности хроматным оксидированием была повышены их адгезионные свойства.

С учетом токсичности хроматов, а также экологических требований была найдена возможность замены в рецептуре грунтов части хроматного пигмента на фосфатный.

Создание в 60-х годах ХХ века конструкторским бюро Микояна — Гуревича сверхзвукового высотного истребителя-перехватчика 3-го поколения МиГ-25, до настоящего времени не имеющего аналогов в мире, потребовало разработок более термостойких эмалей для защиты стальных поверхностей и радиопрозрачных антенных обтекателей.

Проблема повышения термостойкости покрытий была успешно преодолена в период 1970–1988 гг. при создании ряда новых термостойких ЛКП, таких как: эмали КО-811, КО-88 и КО-818), обеспечивающих защиту стальных конструкций при температуре +400 °С и выше. Одновременно с этим решены ответственные задачи по повышению технологичности.

Для снижения температуры отверждения полиорганосилоксанов в качестве модификаторов были использованы синтезированные в ГНИИХТЭОС полиэлементосилазаны. Их применение позволило обеспечить более глубокую полноту отверждения благодаря взаимодействию гидроксильных групп полимера с функциональными группами модификатора, служившего сшивающим агентом. С отвердителями такого типа в настоящее время применяются кремнийорганические эмали КО-811К, КО-88К и КО-818К. Лакокрасочные покрытия на их основе работоспособны при температуре +450 °С и выше и после сушки при температуре +150–200 °С эти ЛКП становятся стойкими к воздействию нефтяных топлив, масел и пр.

Был получен новый тип полиорганосилоксанового полимера, представляющий собой блок-сополимер метилфенилполисилоксановой смолы, модифицированной кремнийорганическими эластомерами. Его создание обеспечило дальнейшее снижение температуры отверждения кремнийорганических покрытий. На основе данного полимера разработаны цветные термостойкие эмали КО-856 холодного отверждения, стойкие к нефтяному топливу, маслам и обеспечивающие превосходные антикоррозионные свойства в экстремальных условиях эксплуатации.

Для защиты от коррозии поверхностей изделий, работающих при повышенных температурах (до +600 °С), разработана однокомпонентная эмаль ВЭ-53. При разработке ее рецептуры применялись новые отечественные термостойкие пигменты, производимые по специально разработанной технологии. Покрытия эмали ВЭ-53 синего, желтого, коричневого, красного, черного цветов сохраняют цветовые характеристики после термостарения при температуре +500–600 °С. Покрытия, получаемые на основе эмали ВЭ-53, имеют очень хорошую адгезию, высокую стойкость к воздействию воды, 5%-го раствора хлорида натрия, бензина. Особенно следует отметить, что эмаль ВЭ-53 обладает повышенной бензо- и маслостойкостью после сушки при обычной комнатной температуре.

Повышение термостойкости радиопрозрачных покрытий до +250 °С впервые в мире было обеспечено в результате разработки уникальных фторопластовых эмалей ФП-5105 и КЧ-5185, обладающих высокими влагозащитными свойствами, атмосферо- и эрозионной стойкостью.

Современное производство авиационных материалов

При всех своих достоинствах акриловые лакокрасочные покрытия не удовлетворяют требованиям техники нового поколения. С появлением таких самолетов, как Ил-86, Ил-96, Ту-204, Ил-114, эксплуатируемых с применением жидкостей для гидросистем НГЖ-4 и НГЖ-5у, агрессивных к использовавшимся полимерам, а также из-за значительного ужесточения требований к декоративным свойствам и эксплуатационной стойкости покрытий возникла задача разработки и внедрения инновационных полиуретановых покрытий. В результате научных трудов создана эмаль УР-1161, которая может выпускаться различной цветовой гаммы. Дальнейшее развитие получили работы по созданию отечественных полимеров. Так, совместно с производственным объединением «Оргстекло» г. Дзержинск был разработан сополимер на основе гидроксилсодержащего акрилата, а уже на его основе — новая акрилуретановая эмаль АК-1206.

Для защитно-декоративной окраски вертолетов и других изделий авиационной техники, в которых используются синтетические масла, разработаны системы лакокрасочных покрытий с эпоксидно-полиамидной эмалью ЭП-140. Однако, учитывая ее достаточно слабую стойкость к повышенной радиации, особенно в условиях морского климата, и быструю потерю блеска с интенсивным мелением, была создана фторопластоэпоксидная эмаль ВЭ-46, обладающая высокой атмосферостойкостью, термостойкостью (до +200 °С) и превосходной стойкостью к синтетическим и минеральным маслам, авиационному топливу и бензину. На основе этого же пленкообразующего в дальнейшем были разработаны камуфлирующие эмали ВЭ-46К.

Разработка стойких к воздействию ГСМ грунтов ЭП-0215 и ЭП-0214 позволила заменить герметик У-30МЭС-5 в кессон-баках, использовавшийся в качестве топливостойкого покрытия. Грунтовка ЭП-0215 сегодня применяется для защиты от коррозии алюминиевых сплавов практически всех типов самолетов.

Космические и военные технологии производства ЛКМ

Для космической отрасли учеными были разработаны новейшие терморегулирующие покрытия. При отсутствии активной системы терморегулирования температура космических объектов определяется тепловым балансом между поглощенной солнечной радиацией на освещенной стороне и тепловым инфракрасным излучением со всей поверхности объекта. Равновесие полностью определяется коэффициентом поглощения солнечного излучения αs и излучательной способностью εн, а они в свою очередь определяются свойствами ЛКП. Сложность задачи и ее новизна потребовали привлечения широкого круга специалистов и усилий ряда институтов. В результате разработаны уникальные методики и установки, позволяющие в лабораторных условиях реально оценить тепловые и радиационные нагрузки.

Полученный экспериментальный материал послужил основой для создания ряда терморегулирующих лакокрасочных покрытий четырех классов: «солнечные отражатели» (цвет – белый; термостойкость до 200°С) – эмали АК-573 (α ≤s0,22, εн≥0,85); КО-5191«А» (α s 0,2, εн≥0,88); КО-5258 (α ≤≤ s0,3, εн≥0,88); опытная эмаль ВЭ-47 (α s 0,17, εн≥0,88); «истинные отражатели» (цвет – серебристый) – эмали ВЭ-30 (α ≤s0,2, εн≤0,2); ВЭ-50 (α ≤s0,16, εн≤0,16); ВЭ-50Э (α s 0,25, εн≤0,25); «истинные поглотители» (цвет – темно-серый или черный; термостойкость 650–700 °С) – эмали КО-819 (α ≥s0,85, εн≥0,85); КО-819«А» (α ≥s0,85, εн≥0,88); ВЭ-38 (α s 0,9, εн≥0,88); «солнечные поглотители» – опытные составы (α ≥s0,80, εн≤0,30).

Вышеуказанные терморегулирующие ЛКП были успешно применены практически на всех космических летательных аппаратах, выпускавшихся с 1965 г., а также на МКС «Буран».

Для надежной защиты лопаток компрессоров и других поверхностей разработаны тонкослойные эрозионностойкие покрытия эмали ЭП-586 и ЭП-5236.

Сложный процесс эрозионного износа требует решения разноплановых задач: сочетания длительной работы при температуре +150 °С, высокой атмосферо- и эррозионной стойкости ЛКП. Эта задача была решена при разработке полиуретановой эмали марки ВЭ-62 для защиты лопастей винтов самолетов и вертолетов. Эмаль ВЭ-62 обладает высокими адгезией и физико-механическими свойствами, превосходит применяющуюся в настоящее время эмаль ЭП-140 по атмосферостойкости в 6 раз, по эрозионной стойкости — в 5 раз. Эта эмаль применена для защиты лопастей винтов винтовентиляторных двигателей ОАО «Аэросила».

Для антикоррозионной защиты внутренней полости нахлеста сварного соединения были разработаны современные сварочные составы ПСП-2 с термостойкостью +150 °С и КСП-2АК с термостойкостью до +300 °С.

Данные составы по сравнению с применяющимися для защиты сварных нахлесточных соединений грунтовками ФЛ-086 и ЭП-057 вдвое превосходят их по термостойкости, по защитным свойствам — более чем в 10 раз. Помимо этого, эти составы экологически безопасны, позволяют проводить сварку в течение 24 часов, а также гальванообработку сварных деталей.

Для защиты металлических листов в процессе химического фрезерования разработаны химстойкие эмали КЧ-767 и КЧ-7101, которые применяются в авиационной и ракетной отраслях промышленности.

В целях обеспечения безотказной эксплуатации военных самолетов с вертикальным взлетом и посадкой Як-36 и Як-38 на палубы тяжелых авианесущих крейсеров «Киев», «Минск» и «Новороссийск» в химической лаборатории была разработана атмосферостойкая термоэрозионностойкая кремнийорганическая эмаль КО-5189 холодной сушки. Данная эмаль, нанесенная на теплозащитные плиты из кремнеорганического асбопластика АК-9Ф, выдерживает прямое газодинамическое воздействие двигателя с температурой +750 °С в течение суммарно 100 часов (одно воздействие ~30 с); до настоящего времени не имеет аналогов в мире и используется для защиты палубы тяжелого авианесущего крейсера «Адмирал Кузнецов».

Огромный объем работ по лакокрасочным покрытиям был выполнен в процессе создания МКС «Буран». В целях обеспечения надежной антикоррозионной защиты и стабильной теплозащиты космического корабля многоразового использования «Буран» важную роль играют антикоррозионные и адгезионные грунтовочные покрытия, сочетающиеся с клеем «Эластосил 137-175М», примененным для приклеивания теплозащитных плиток.

Разработанный защитно-адгезионный подслой на основе грунтовки ЭП-0214 в сочетании с клеем «Эластосил» показал высокие характеристики при сдвиге — при 100% когезионном разрушении по клею без разрушения грунтовочного слоя.

Научное исследование защитных свойств грунта ЭП-0214 позволило разработать технологию защиты от коррозии планера МКС «Буран».

Комплексная система адгезионно-защитных покрытий на основе грунтовки ЭП-0214 была также применена в качестве защитного покрытия ракеты-носителя «Энергия». Для обеспечения теплового баланса МКС «Буран» были использованы пассивные системы терморегулирования (терморегулирующие ЛКП), как наиболее дешевые в отличие от активных систем терморегулирования. Специально для внутренней поверхности створок отсека полезного груза и панелей пассивного терморегулирования космического корабля «Буран» были разработаны терморегулирующие покрытия (ТРП) класса «Солнечные отражатели» — эмаль КО-5191А и бензоспиртостойкая эмаль КО-5258 (для комплекта оборудования космонавтов: шлем, ранец). На элементах конструкции шасси и панели под экранно-вакуумную термоизоляцию были применены терморегулирующие покрытия класса «истинные отражатели» — эмали ВЭ-30 серебристая и ВЭ-50Э. Так как в условиях космоса наиболее сильное воздействие на органические материалы оказывают такие губительные факторы, как УФ-излучение, комплексное облучение протонами, электронами, γ излучение, глубокий вакуум (усиливающий газовыделение материалов), перепады температур при выходе и входе в атмосферу, то стабильность ТРП в рабочих условиях является одним из основных показателей. Первый полет корабля наглядно показал — все примененные ТРП достойно выдержали испытания.

Для нанесения специальных знаков по разметке и маркировке неметаллических поверхностей (в частности, кремнийорганических герметиков) была разработана кремнийорганическая эмаль КО-5229. Она может выпускаться различных цветов. Отличительная особенность состоит в том, что ЛКП на основе этой эмали без подслоя обладают хорошей адгезией к кремнийорганическим герметикам при температурах эксплуатации до +400 °С.

При проектировании и создании МКС «Буран» возникла необходимость дополнительной защиты плиток теплозащитного покрытия и наиболее теплонагруженных элементов конструкции из углерод-углерода от воздействия воды и влаги — для предотвращения значительного увеличения массы конструкции и изменения других свойств защищаемых материалов.

Главным условием применения «жертвенного» лакового покрытия была его «сублимация» при действии температур выше +300 °С с сохранением основных оптических коэффициентов (степень черноты) поверхностей деталей из углерод-углеродного материала и плиток с силикатным покрытием. Для решения этой задачи был разработан лак ФП-5182, который защищал плитки от воздействия воды и влаги и полностью сублимировался в процессе эксплуатации изделия вместе с загрязнениями, тем самым, предотвращая взаимодействие загрязнений неизвестного состава с силикатным покрытием плитки — элементы конструкции из материала типа углерод-углерод.

Применение авиационных ЛКМ сегодня

В последние годы для окраски панелей приборов, деталей кабины разработаны матовое износостойкое покрытие ВЭ-65. По оптическим, декоративным характеристикам, твердости и стойкости к задиру данный вид ЛКМ превышает серийно применяемые покрытия типа: эмаль ХС-5245, а также износостойкая эмаль ВЭ-70 с квазикристаллами.

Для изделий из ПКМ особенно важна их надежная защита от влаги во избежание возможного снижения радиотехнических характеристик изделия. Для этой цели был разработан лак ВЛ-18, водопоглощение которого в 3–5 раз ниже, чем у лака ЭП-730. Система защитного лакокрасочного покрытия на основе лака ВЛ-18 не только обладает высокими влагозащитными свойствами, но и обеспечивает хорошую адгезию и необходимые физико-механические свойства. Оно может эксплуатироваться в общеклиматических условиях при температуре от -60 до +120 °С. Лак ВЛ-18 применяется в системе лакокрасочных покрытий для двигателя ПС-90А2.

Для окраски внешней поверхности изделий авиационной техники специалистами-технологами разработаны фторполиуретановая эмаль ВЭ-69 и камуфлирующая эмаль ВЭ-69К, которые превосходят по атмосферостойкости и стойкости к воздействию агрессивных факторов эмали УР-1161, АК-1206, Aerodur C21/100 UVR, AK-5178M, АК-5178Т и HFA 132.

На основании синтезированного ФГУП «НИИ Полимеров» водорастворимого акрилового сополимера была разработана эмаль ВЭ-67 различных цветов для окраски внутреннего интерьера пассажирских самолетов; покрытие на ее основе соответствует нормам АП-25 по горючести, дымообразованию и тепловыделению. Для ЛЮМ контроля с использованием пенетранта ЛЖ-6А на основе поливинилпирролидона разработана белая водосмываемая эмаль ПР-15.

Для постоянного удовлетворения потребностей авиационной и других отраслей промышленности одновременно с разработкой рецептур отрабатывается технология изготовления новых лакокрасочных материалов. Опытно-промышленное изготовление данных ЛКМ осваивается на технологическом участке, оснащенном современным диспергирующим оборудованием. За последние годы на участке изготовлены десятки тонн эпоксидных, фторопластовых и кремнеорганических материалов.

Для проведения исследований и сдачи продукции на соответствие техническим условиям используется современное исследовательское и испытательное оборудование в соответствии с требованиями ГОСТ и ISO, в том числе при проведении испытаний для потенциальных иностранных заказчиков.

---

По материалам журнала «Все материалы. Энциклопедический справочник», № 5, 2012 г.
Авторы: Э. К. Кондрашев (доктор технических наук), Л. В. Семенова (кандидат технических наук), В. А. Кузнецова (кандидат технических наук), Н. Е. Малова, Т. А. Лебедева