徐 良

（中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028）

現(xiàn)今大部分鋁合金航空結構使用高強度的鈦合金緊固件進行安裝連接。鈦合金材料本身耐蝕性很好，基本不需要進行防護措施，但由于鈦合金鈍態(tài)電位較高，易和連接件鋁合金結構產(chǎn)生電偶腐蝕，造成飛機結構破壞，因此通過防護的措施阻止電偶腐蝕就尤為重要。

電鍍鎘以及濕裝配是防止鈦合金緊固件與連接件之間產(chǎn)生電偶腐蝕的傳統(tǒng)方法。但由于電鍍鎘工藝易引起鈦合金氫脆，并且電鍍鎘的鈦合金緊固件在使用過程中會產(chǎn)生應力脆裂的現(xiàn)象，另外濕裝配會增加安裝成本和帶來相應的產(chǎn)品適應性問題，故而在某種程度上限制了鈦合金緊固件在飛機結構中的應用[1]。

鋁涂層目前逐漸成為代替鍍鎘工藝的方法。鋁涂層也稱鋁顏料，是由純金屬鋁制備的一種片狀產(chǎn)品[2]，它不僅能夠阻隔緊固件基體與腐蝕介質(zhì)相接觸，而且在犧牲本身的同時對周圍的構件起到了陽極保護作用[3]。

各種鋁涂層的成型原理各不相同，目前應用于鈦合金緊固件較多的有電沉積鍍鋁、真空沉積鋁以及樹脂基涂層等。

1 鋁涂層性能規(guī)范

目前，國內(nèi)外涂鋁鈦合金緊固件制造商以及飛機制造商和空軍一般會選用美國宇航標準委員會頒布的NAS 4006 ALUMINUM COATING、波音公司的BMS 10-85 Aluminum Pigmented Coating for Fasteners以及美國Hi-Shear公司的Hi-Shear 294 Aluminum Pigmented Coating for Fastener Systems這3份標準作為航空鈦合金緊固件鋁涂層評判的標準。

NAS 4006是美國宇航標準委員會頒布的航空鈦合金緊固件鋁涂層規(guī)范，適用于一切緊固件及緊固件系統(tǒng)的鋁涂層的性能評價，NAS 4006一般被美國軍方選用。

BMS 10-85是波音公司在采購涂鋁緊固件時制定的企業(yè)標準，適用于鈦合金、不銹鋼以及低合金鋼緊固件或緊固件系統(tǒng)鋁涂層的評價。

Hi-Shear 294是美國Hi-Shear公司自己研制的鈦合金緊固件鋁涂層的產(chǎn)品規(guī)范。Hi-Shear公司鈦合金緊固件涂鋁的技術上非常先進，其開發(fā)酚醛基鋁涂層完全符合嚴酷的美國宇航標準NAS 4006 的規(guī)定，已經(jīng)廣泛用于美國空軍及波音飛機鈦合金緊固件上。Hi-Shear 294只適用于它自己研制的一種酚醛基鋁涂層的評價。

以上3份標準都對鈦合金緊固件或緊固件系統(tǒng)的鋁涂層性能要求和評價項目進行了規(guī)定，總的來看，主要包括物理性能、冶金性能以及電化學性能，具體評價項目見表1。雖然各個標準的具體性能要求及用來驗證其性能的檢測試驗項目大體相似，但具體的試驗方法和評價上還是有區(qū)別的，我們將針對每個標準的試驗項目進行對比分析，并對各標準之間的區(qū)別進行討論。

表1 鈦合金緊固件鋁涂層項目評價表

我國目前還沒有用于航空鈦合金緊固件鋁涂層的規(guī)范，而先進國產(chǎn)飛機對涂鋁鈦合金緊固件的需求非常大，各個航空緊固件制造廠也在大量的生產(chǎn)涂鋁鈦合金緊固件，我國航空緊固件行業(yè)極其需要自己的鋁涂層規(guī)范。

2 鋁涂層性能要求

2.1 物理性能

2.1.1 涂層厚度

3份標準中規(guī)定，鈦合金緊固件的鋁涂層在所有可視表面厚度要求為5～12μm。NAS 4006及Hi-Shear 294中明確規(guī)定用NASM 1312-12金屬涂層厚度規(guī)定的方法進行測試，而BMS 10-85則要求相對寬松，只要精度可以達到±2.5μm的任何方法都可以使用。

考慮到一些有機鋁涂層采用噴涂方式成型的情況，因緊固件都存在銳邊，其涂層厚度往往會薄一些，而像一些如十字槽、齒輪槽及特殊頭型或螺紋牙底等位置可能會出現(xiàn)涂層過厚的情況，故只可對緊固件可視表面的涂層進行厚度規(guī)定。NAS 4006中定義可視表面為可被5.08 mm直徑小球接觸到的表面，BMS 10-85定義可視表面為可被19.05 mm直徑小球接觸到的表面，Hi-Shear 294中未定義可視表面而只規(guī)定緊固件的銳邊可以達不到最小涂層厚度要求，但需要被涂層完全覆蓋。

相比之下，NAS 4006及BMS 10-85嚴格定義了可視表面，相對Hi-Shear 294更加嚴謹一些，以一定直徑小球接觸緊固件是定義可視表面比較好的方法，但實際操作卻比較困難。如何簡便易行的測量出緊固件可視表面的涂層厚度是一個值得深入研究的問題。

2.1.2 外觀

NAS 4006對于鋁涂層外觀的要求是涂層應光滑、均一并且沒有針孔、松孔、起泡、結塊、凹坑或其他有害缺陷。

Hi-Shear 294對于鋁涂層的外觀要求與NAS 4006大致相同，但因為前者只針對其公司生產(chǎn)的Hi-Kote涂層即酚醛基鋁涂層進行規(guī)范，所以Hi-Shear 294還要求涂層的顏色為金黃或者黃色。

BMS 10-85對于鋁涂層的外觀要求也與NAS 4006大致相同，但還附加規(guī)定了緊固件的螺紋和鎖緊槽區(qū)域可以有符合一定限制的夾具夾持痕跡或小裸露疵點。

3項標準對于涂層外觀的基本要求是大致相同的，Hi-Shear 294之所以規(guī)定了涂層的顏色是因為它只針對酚醛基鋁涂層而不包括其他鋁涂層，比如通過離子氣相沉積（IVD）方式得到的白色鋁涂層。除了對顏色的規(guī)定，我們認為BMS 10-85因考慮到了夾具夾持痕跡等問題而更加全面，這也給緊固件鋁涂層外觀評價提供了實際操作的依據(jù)。

2.1.3 結合力

NAS 4006中規(guī)定可以通過刮掉鋁涂層至露出緊固件基體，在4倍放大下觀察基體裸露邊緣是否有明顯涂層剝落現(xiàn)象；或者可以將緊固件夾在臺鉗上并凸出一部分，而后前后彎曲它直到出現(xiàn)開裂，觀察開裂的邊緣是否能夠被揭起或在4倍放大鏡下看涂層和基體金屬是否分離。

BMS 10-85和Hi-Shear 294 則區(qū)分了沉頭和凸頭緊固件的評價方法。對于沉頭緊固件，標準規(guī)定將緊固件放置在落錘試驗機的靜負載壓盤上，砸至頭部與桿徑齊平，用大約4倍的放大鏡檢查緊固件頂部看是否有涂層剝落現(xiàn)象發(fā)生，落錘試驗前后對比見圖1。而對于凸頭緊固件，標準則規(guī)定應用3M公司半年內(nèi)生產(chǎn)的No.250膠帶或等同的產(chǎn)品，粘牢緊固件桿部或頭部，垂直撕開膠帶后在4倍放大鏡下觀察看是否有涂層分離。

我們認為BMS 10-85和Hi-Shear 294標準中對于沉頭緊固件鋁涂層結合力的測試規(guī)定即應用落錘試驗的方法可重復性較好，但落錘試驗的缺點就是不能應用于凸頭緊固件；通過刮掉涂層、在臺鉗上彎曲或使用3M膠帶等方法人為因素過多，可重復性差，一種針對凸頭緊固件鋁涂層結合力的測試方法亟待研究。

圖1 落錘試驗前后對比圖

2.1.4 耐熱性

對于鈦合金緊固件鋁涂層的耐熱性測試， Hi-Shear 294與NAS 4006規(guī)定將涂鋁緊固件加熱至190℃±14℃，保溫4h，在空氣中冷卻后進行結合力性能測試。

BMS 10-85與前兩項標準基本相同，只是試驗溫度規(guī)定為190℃+14℃而非190℃±14℃。2.1.5 耐液壓油

3項標準中規(guī)定了緊固件鋁涂層必須具有在特定液壓油中長期浸泡而不損失結合力的性能。浸泡時間在各項標準中均為30天，浸泡后結合力不能損失且涂層不能降低超過兩個鉛筆硬度（鉛筆硬度指的是用某一硬度的鉛筆（如7H）去刮劃涂層，如果剛好不能劃破而8H的鉛筆又能夠?qū)⑼繉觿澠?，則該涂層的鉛筆硬度就是7H。），但液壓油的種類、浸泡的溫度以及鉛筆硬度試驗的操作細節(jié)有所區(qū)別。

NAS 4006及Hi-Shear 294規(guī)定將涂鋁緊固件浸入磷酸酯液壓油（Aerosafe 2300 或相當產(chǎn)品）中，溫度65.6℃±2.7℃放置30天，而BMS 10-85則要求將涂鋁緊固件浸入要求使用BMS 3-11 HYDRAULIC FLUID，F(xiàn)IRE RESISTANT規(guī)定的液壓油中，溫度21.1℃±2.8℃放置30天。

NAS 4006中未對鉛筆硬度試驗做出詳細規(guī)定；BMS 10-85規(guī)定每次測試前都應將鉛筆削成方頭；Hi-Shear 294則要求以45°的角度用鉛筆對涂層刮劃來進行測試。我們認為3份標準中鉛筆硬度試驗的人為影響因素過多，一種適用于緊固件的涂層鉛筆硬度測試方法將是一個研究方向。

2.1.6 耐脫漆劑

NAS 4006及Hi-Shear 294規(guī)定將涂鋁緊固件在23.9℃±2.8℃浸入符合MIL-R-81294 Remover，Paint，Epoxy System標準的脫漆劑中浸泡24h，取出后結合力不能損失且涂層不能降低超過兩個鉛筆硬度。

BMS 10-85中對此項性能的規(guī)定與前兩份標準基本一致，只是浸泡溫度為21.1℃±2.8℃，并且選用的脫漆劑限定為了德國漢高公司的Turco 5351型脫漆劑。因為Turco 5351也符合MIL-R-81294 ，因此也可用于前兩份標準。

這里所說的脫漆劑實際上是飛機清洗劑，其主要用于飛機機身外表面或機艙內(nèi)部某些部位的清洗，為了防止在飛機清洗的過程中鈦合金緊固件的鋁涂層脫落，故而各個鋁涂層評價標準都設置了此項試驗。根據(jù)我們對國內(nèi)一些廠家鈦合金緊固件鋁涂層的評價，本項試驗的通過率很低，而且各廠家的鋁涂層耐脫漆劑性能可以說是參差不齊，比如有的放入脫漆劑中1～2h涂層就完全脫落，有的則是浸泡24h后有輕微起泡，見圖2，但這些都是不能通過本項性能測試的?？梢哉f，耐脫漆劑試驗是所有鋁涂層性能評價項目中比較嚴酷的一項。

圖2 鈦合金涂鋁緊固件耐脫漆劑試驗后形貌

2.1.7 安裝力

BMS 10-85要求對涂鋁的緊固件進行安裝力試驗，它通過將按照波音標準潤滑后的高干涉配合緊固件壓入指定厚度和孔干涉量的2024-T351板中，壓力機的壓入力及壓入速率標準中也作出了詳細規(guī)定，測量緊固件在頭下圓角的引入線壓入板孔之前的最大壓入力值，所得到的結果在平均值及最大值都不應超過標準規(guī)定值。本項試驗主要是考察鋁涂層的潤滑性。

NAS 4006及Hi-Shear 294未規(guī)定此項試驗。

2.2 冶金性能（脆裂）

傳統(tǒng)電鍍鎘的鈦合金緊固件在使用過程中會產(chǎn)生應力脆裂的現(xiàn)象，因此考察鋁涂層是否也會引起鈦合金緊固件的脆裂就顯得格外重要。

脆裂性能是通過將涂鋁后的鈦合金緊固件過盈配合裝入7075-T6鋁合金板子中，通過螺母的鎖緊使緊固件的的預緊力達到其抗拉強度的80%，之后將組裝后的鋁板放置在148.9℃±5.5℃的環(huán)境中暴露72h，最后剖開進行200倍金相觀察看緊固件是否有裂紋或其他異常金相組織。

NAS 4006及BMS 10-85在緊固件光桿與鋁板孔之間的過盈量上的規(guī)定是25～76μm，而Hi-Shear 294規(guī)定是51～114μm。

總體說來，3項標準對于涂鋁緊固件的脆裂性能要求及測試方法沒有什么本質(zhì)區(qū)別。前面我們提到過，設置此項試驗的原因主要是由于電鍍鎘會使鈦合金緊固件產(chǎn)生應力脆裂，根據(jù)我們對國內(nèi)外廠家鈦合金緊固件鋁涂層的評價測試，我們發(fā)現(xiàn)鋁涂層基本不會引起鈦合金緊固件的脆裂。另外，在使用這3項標準進行脆裂性能評價時，我們還需要注意一點，那就是涂鋁緊固件在進行脆裂測試前就要保證其本身沒有裂紋或異常金相組織，否則脆裂試驗就失去了意義。

2.3 電化學性能（腐蝕保護性能）

這里所說的腐蝕保護性能就是鈦合金緊固件的鋁涂層對與其裝配的鋁合金板的腐蝕保護性能，換句話說就是鋁涂層防止鈦合金緊固件和鋁合金板發(fā)生電化學腐蝕的性能。

NAS 4006及BMS 10-85均是通過對涂鋁緊固件及鋁合金板組裝成的組件進行鹽霧試驗后與鍍鎘緊固件的組件的比較來進行評價的。

NAS 4006要求取6件涂鋁埋頭緊固件和6件同樣規(guī)格的鍍鎘埋頭緊固件，用推薦的螺母或墊圈系統(tǒng)將緊固件安裝在尺寸材料7075-T6 9.525～12.700mm鋁合金板上?？椎某叽缭试S裝配空隙為0.025～0.127mm。裝配的組件按照改進后的ASTM B-287進行14天醋酸鹽霧試驗：

鹽霧試驗結束后去掉緊固件，比較與涂鋁緊固件和鍍鎘緊固件接觸的埋頭區(qū)和頭部周圍鋁板表面的腐蝕程度，我們一般采用金相觀察腐蝕深度，見圖3。埋頭孔和涂鋁緊固件周圍試驗塊的表面區(qū)域腐蝕不應超過安裝鍍鎘緊固件的相應區(qū)域。

圖3 鹽霧試驗后鋁合金板埋頭孔金相形貌

BMS 10-85對于此性能的要求及評價與NAS 4006基本相同，只是在鋁板的陽極化處理以及鍍鎘緊固件鍍鎘工藝的規(guī)定上有所不同。

相比之下Hi-Shear 294對于腐蝕保護性能的要求就要復雜一些，除了鹽霧試驗，它還要通過嚴酷的周浸試驗來對緊固件鋁涂層的防電化學腐蝕性能進行測試。

Hi-Shear 294規(guī)定要對涂鋁鈦合金螺栓進行醋酸連續(xù)鹽霧以及周浸兩項試驗，以測試其腐蝕保護性能。

Hi-Shear 294中規(guī)定的鹽霧試驗與上兩份標準不同之處主要集中在以下幾點：

Hi-Shear 294遵循ASTM G85而非ASTM B-287進行鹽霧試驗，凸出特點就是其是醋酸連續(xù)鹽霧試驗而非ASTM B-287規(guī)定的循環(huán)鹽霧試驗；

Hi-Shear 294規(guī)定試驗組件孔徑與緊固件桿徑之間應有0.05～0.11 mm的間隙量而非另兩份標準規(guī)定的0.025～0.127 mm；

Hi-Shear 294規(guī)定試驗組件安裝時每件緊固件頭部中心相距4倍桿部直徑，而另兩份標準則要求頭部邊緣至少相距12.5 mm以上；

Hi-Shear 294規(guī)定只將5個緊固件安裝在鋁板上，第6個孔空留，以便觀察未加保護的7075-T6鋁合金板材暴露在腐蝕環(huán)境下的腐蝕狀況和脫落狀況，其他兩份標準均是安裝6個緊固件而不空留觀察孔。

Hi-Shear 294中規(guī)定的周浸試驗所采用的組件與鹽霧試驗相同，它要求按NASM1312-9中的周浸試驗程序分別在150、250、500、750和1 000 h 5個試驗階段對組件進行腐蝕情況檢查。Hi-Shear 294中對每個階段與緊固件相裝配的鋁合金板腐蝕深度都有定量要求以判別是否合格，周浸試驗1000h后鋁合金板埋頭孔腐蝕形貌見圖4，腐蝕深度金相見圖5。

圖4 周浸試驗后鋁合金板埋頭孔腐蝕形貌

圖5 周浸試驗后鋁合金板埋頭孔金相形貌

周浸試驗應當說是涂鋁緊固件性能檢測項目中最嚴酷的。Hi-Shear公司在自己的工程報告4-01020中將其涂有HI-KOTE 1鋁涂層的鈦合金緊固件與未涂鋁、鍍鎘、真空沉積鋁以及電沉積鋁的鈦合金緊固件進行了周浸對比試驗，結果顯示按照Hi-Shear 294規(guī)定的判定條件，只有涂有HI-KOTE 1涂層的鈦合金緊固件滿足各階段的腐蝕深度限制要求。

周浸試驗與鹽霧試驗的目的相似，都是考察鋁涂層在阻隔鈦合金緊固件和與它相裝配的鋁合金板之間電化學腐蝕的能力。但由于周浸試驗比鹽霧試驗的時間長，而且試驗組件一直處于干濕交替的試驗條件下，環(huán)境的嚴酷性必然要比鹽霧試驗要高，根據(jù)我們對國內(nèi)一些標準件制造廠生產(chǎn)的涂鋁鈦合金緊固件的測試發(fā)現(xiàn)，目前國產(chǎn)鋁涂層通過本項試驗是非常困難的。

3 結論

通過對比分析3份國外鈦合金鋁涂層性能規(guī)范，我們認為在涂層厚度項目上的可視表面定義、外觀項目上的可接受缺陷范圍、結合力項目上的凸頭緊固件評價方法、鉛筆硬度試驗方法以及脆裂項目上空白試樣的無裂紋及異常金相組織檢測等細節(jié)還有待進一步討論和研究。

通過對國內(nèi)標準件制造廠家鋁涂層性能的評價工作，我們認為目前國產(chǎn)鋁涂層最不容易通過的評價項目是耐脫漆劑及周浸兩項試驗，這也是國產(chǎn)鋁涂層和像Hi-Shear公司等國外先進緊固件制造廠的技術差距所在，我們的標準件制造廠應針對這兩項評價項目進行技術攻關。

目前我國航空緊固件行業(yè)還沒有自己的鋁涂層規(guī)范，一份適應我國航空緊固件行業(yè)發(fā)展特點的鋁涂層規(guī)范亟待編制。