萬(wàn)冰華 ,張曉斌,游龔君,焦莎,程艷紅,劉文韜
(1.航天精工股份有限公司,天津 300300;2.貴州電子科技職業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550000)
鈦合金緊固件以其優(yōu)異的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-4]。鋁涂層作為鈦合金緊固件的主要防護(hù)方式之一,其主要用途是減弱甚至消除緊固件與連接件之間的接觸腐蝕,同時(shí)為緊固件在裝配過(guò)程中提供一定的潤(rùn)滑效果,以降低螺紋副以及桿部與連接件安裝孔之間的摩擦力。
鋁涂層最早應(yīng)用于緊固件領(lǐng)域可追溯至Hi-Shear公司在1976年發(fā)表的專(zhuān)利(US 3979351),在此基礎(chǔ)上該公司開(kāi)發(fā)了Hi-Kote1、Hi-Kote1NC和Hi-Kote4三種鋁涂層。該類(lèi)涂層為Hi-Shear公司專(zhuān)利產(chǎn)品,僅有Hi-Shear公司以及少數(shù)獲得授權(quán)的公司具備使用權(quán)限,國(guó)內(nèi)暫無(wú)公司具備這種權(quán)利。
進(jìn)入2000年,因Hi-Shear公司的專(zhuān)利20年保護(hù)期已滿(mǎn),世界各國(guó)開(kāi)始研制開(kāi)發(fā)各種型號(hào)的鋁涂料,如美國(guó)的INCOTEC公司、MIC公司等,均已系列化地開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足各種功能要求的鋁涂料。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域起步較晚,最早于2010年開(kāi)始研究航空航天用鋁涂料,經(jīng)過(guò)近10年的不斷發(fā)展,已形成了數(shù)個(gè)牌號(hào),但性能參差不齊,與國(guó)外進(jìn)口鋁涂料的各項(xiàng)性能指標(biāo)仍有較大差距。
本文依據(jù)Hi-Shear公司發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)Hi-shear294Aluminum Pigmented Hi-Kote Coatings for Fastener Systems對(duì)國(guó)內(nèi)外3種典型鋁涂料的附著力、耐液性、耐脫漆劑性、脆性、耐腐蝕性、耐熱性等性能進(jìn)行檢測(cè),并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Hi-shear397Aluminum Pigmented Hi-Kote Coatings for Fastener Systems, Self-Lubricating中的壓入試驗(yàn)要求對(duì)3種鋁涂料的潤(rùn)滑性能進(jìn)行檢測(cè),全面考察國(guó)內(nèi)外鋁涂料的性能,找出差距,為國(guó)內(nèi)鋁涂料的研究開(kāi)發(fā)提供參考建議。
選取國(guó)內(nèi)緊固件制造單位常用的2種鋁涂料,分別記為A和B,國(guó)外某型號(hào)鋁涂料記為C。
選用Ti-6Al-4V材質(zhì)的APP J11.18型緊固件(航天精工股份有限公司天津分公司生產(chǎn),規(guī)格8-8),外形及尺寸如圖1所示。按標(biāo)準(zhǔn)AMS2486Conversion Coating of Titanium Alloys Fluoride-Phosphate Type的要求對(duì)鈦合金緊固件進(jìn)行涂覆前處理,具體操作流程及參數(shù)見(jiàn)表1。
圖1 緊固件涂覆不同涂料的外觀 Figure 1 Appearance of fasteners with different coatings
表1 前處理操作流程及參數(shù) Table 1 Pretreatment procedure and operation conditions
為提升鋁涂料與基體的附著力,按涂料供應(yīng)商提供的工藝參數(shù),采用噴涂的方式加工緊固件,噴涂工藝參數(shù)為:距離100 ~ 400 mm,壓力0.2 ~ 0.6 MPa,角度30° ~ 60°。固化條件為:溫度190 ~ 210 °C,時(shí)間120 ~ 140 min。
在試驗(yàn)開(kāi)始前,按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)各鋁涂層進(jìn)行目視外觀檢查,所有牌號(hào)鋁涂層表面均光滑,呈現(xiàn)出均勻的金色,無(wú)氣孔、水泡、結(jié)瘤、麻點(diǎn)等缺陷,但不同鋁涂層的顏色有很大差異,如圖1所示。
使用德國(guó)徠卡的DMI 5000M型全自動(dòng)數(shù)字式顯微,按GJB 715.6-1990《緊固件試驗(yàn)方法金屬覆蓋層厚度》中5.6.2條款的方法對(duì)3種鋁涂層的厚度進(jìn)行檢測(cè),均滿(mǎn)足5 ~ 13 μm的要求。
1.2.1 附著力試驗(yàn)
鋁涂層的附著力按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)中的落錘法進(jìn)行檢測(cè)。將零件置于吉林省泰和試驗(yàn)機(jī)有限公司的TCL-900型落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)下方,調(diào)整落錘的高度,使落錘自由落下將緊固件頭部壓平至桿部。在大約4倍的放大鏡下進(jìn)行檢查,緊固件頭部涂層不允許出現(xiàn)任何與基體分離的現(xiàn)象。
1.2.2 耐脫漆劑試驗(yàn)
鋁涂層耐脫漆劑試驗(yàn)按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。首先取2件涂覆鋁涂層的緊固件,按標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3363Standard Test Method for Film Hardness by Pencil Test進(jìn)行鉛筆硬度檢測(cè)。然后取2件涂覆鋁涂層的緊固件在21.11 ~ 26.67 °C下浸泡于Henkel公司生產(chǎn)的Turco5351脫漆劑中至少24 h,用自來(lái)水去除脫漆劑后檢測(cè)鉛筆硬度,與未浸泡試樣的鉛筆硬度相比不得下降超過(guò)2級(jí),再按1.2.1節(jié)進(jìn)行附著力測(cè)試,需滿(mǎn)足相關(guān)要求。
1.2.3 耐流體試驗(yàn)
鋁涂層耐流體試驗(yàn)按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。首先取2件涂覆鋁涂層的緊固件,按ASTM D3363標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行鉛筆硬度檢測(cè)。然后取2件涂覆鋁涂層的緊固件在21.11 ~ 26.67 °C溫度下浸泡于Solutia Inc.生產(chǎn)的Skydrol LD-4磷酸酯液壓油中至少30 d,試樣干燥后按ASTM D3363進(jìn)行鉛筆硬度檢測(cè),與未浸泡試樣的鉛筆硬度相比不得下降超過(guò)2級(jí),再按1.2.1節(jié)進(jìn)行附著力測(cè)試,需滿(mǎn)足相關(guān)要求。
1.2.4 耐熱性試驗(yàn)
鋁涂層耐熱性試驗(yàn)按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。將涂覆鋁涂層的緊固件加熱至187.78 ~ 193.33 °C,至少保溫4 h,空氣冷卻后檢查外觀,無(wú)起泡或開(kāi)裂等缺陷則按1.2.1節(jié)進(jìn)行附著力檢測(cè),需滿(mǎn)足相關(guān)要求。
1.2.5 脆性試驗(yàn)
鋁涂層脆性試驗(yàn)按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。將涂覆鋁涂層的緊固件安裝在7075-T6鋁合金板中,孔和緊固件的間隙為50.8 ~ 114.3 μm。緊固件安裝扭矩為其額定值的75% ~ 80%,在143.33 ~ 154.44 °C溫度下保溫至少72 h,然后拆除緊固件,褪除鋁涂層。采用南昌航空大學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)超聲波清洗線,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1417Standard Practice for Liquid Penetrant Testing進(jìn)行熒光滲透探傷檢查,如果發(fā)現(xiàn)有裂紋跡象,緊固件應(yīng)進(jìn)行切割、鑲嵌、拋光,在200倍放大鏡下對(duì)頭-桿圓角處和螺紋區(qū)域進(jìn)行冶金檢查。注意腐蝕前和腐蝕后均應(yīng)進(jìn)行檢查。
1.2.6 耐腐蝕性能試驗(yàn)
耐腐蝕性能試驗(yàn)按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,包括醋酸鹽霧試驗(yàn)和交替浸漬試驗(yàn)。
1.2.6.1 試板
試板如圖2所示,材質(zhì)為7075-T6鋁合金,由Alcoa Inc.提供。在鉆孔和锪孔之前,鋁合金試板按標(biāo)準(zhǔn)MIL-A-8625Anodic Coatings for Aluminum and Aluminum Alloys的類(lèi)型II進(jìn)行陽(yáng)極化,工藝參數(shù)如下:硫酸(密度1.84 g/mL)150 ~ 200 g/L,電壓17 V,電流密度0.5 ~ 2.0 A/dm2,溫度15 °C,時(shí)間50 min。
圖2 腐蝕試驗(yàn)板示意圖(D為緊固件直徑) Figure 2 Schematic diagram of corrosion test specimen (D: diameter of fastener)
采用推薦的螺母和緊固件系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行裝配。螺栓光桿直徑與試板孔直徑的干涉量為25.4 ~ 127.0 μm。每一個(gè)試板僅安裝5個(gè)緊固件,第6個(gè)孔不用試樣裝配,保留原狀態(tài)。以考察7075-T6鋁合金在未保護(hù)情況下暴露在腐蝕環(huán)境的腐蝕或剝落情況。安裝完畢后,試板采用丁酮清洗去除所有的油脂和手指印,經(jīng)清洗后干燥。
1.2.6.2 醋酸鹽霧試驗(yàn)
取2個(gè)試板,一組緊固件涂覆鋁涂層,另一組相同尺寸、材質(zhì)和熱處理狀態(tài)的緊固件按AMS-QQ-P-416Plating, Cadmium (Electrodeposited)標(biāo)準(zhǔn)的類(lèi)型II級(jí)別3進(jìn)行鍍鎘。裝配完畢后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM G-85Standard Practice for Modified Salt Spray (Fog) Testing的方法A2要求連續(xù)暴露于醋酸噴霧環(huán)境中14 d。暴露結(jié)束后,所有緊固件應(yīng)小心拆卸,防止破壞試板,在水中輕輕刷除松散的腐蝕產(chǎn)物和沉積的鹽溶液。干燥后對(duì)比涂鋁緊固件和鍍鎘緊固件頭部與鋁合金板接觸部位以及相應(yīng)鋁合金板沉頭孔處腐蝕程度,涂鋁緊固件相應(yīng)區(qū)域的腐蝕程度不得較鍍鎘緊固件相應(yīng)區(qū)域的腐蝕程度嚴(yán)重。
1.2.6.3 交替浸漬試驗(yàn)
按標(biāo)準(zhǔn)NASM1312-9Fastener Test Methods — Method 9: Stress Corrosion的要求將裝配后的試板暴露于(3.5 ± 0.5)%的鹽溶液中1 000 h。分別在(150 ± 10) h、(250 ± 10) h、(500 ± 10) h、(750 ± 10) h和(1 000 ± 10) h時(shí)取出試樣,切割下一整塊鋁合金工裝板,剩余工裝板用自來(lái)水沖洗和丁酮清洗后,再次用自來(lái)水沖洗并干燥,放入鹽溶液中繼續(xù)試驗(yàn)。切割下的鋁合金工裝片用自來(lái)水沖洗腐蝕產(chǎn)物后進(jìn)行金相制樣,檢查鋁合金工裝板沉頭部位腐蝕深度是否滿(mǎn)足表2的要求。
表2 交替浸漬腐蝕深度要求 Table 2 Depth requirements of alternate dip corrosion
1.2.7 壓入試驗(yàn)
壓入試驗(yàn)按Hi-shear397標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。5件緊固件螺栓涂覆鋁涂層,然后安裝于厚度為12.7 mm的2024-T4板材上,保證螺栓和孔之間干涉量為76 ~ 127 μm。安裝孔應(yīng)進(jìn)行倒角,倒角后的直徑要比孔徑大1.397 mm,在倒角邊上可有0.889 mm的倒圓。5件緊固件平均壓入力不應(yīng)超過(guò)7 118 N,任何一件緊固件的壓入力不應(yīng)超過(guò)8 898 N。
如圖3所示,試驗(yàn)后3種涂料均未出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象,符合Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)的要求。
圖3 A(a)、B(b)、C(c)涂料的附著力試驗(yàn)結(jié)果 Figure 3 Adhesion test results of the coatings of A (a), B (b), and C (c) paints
表面處理方式為鋁涂層的緊固件常應(yīng)用于飛機(jī)表面,然而飛機(jī)表面的防護(hù)裝飾性涂層由于受氣候和環(huán)境條件及飛行中復(fù)雜氣流的影響,會(huì)逐漸老化或脫落,因此常采用脫漆劑去除表面的舊涂層后再重新噴涂漆層[5]。在維修過(guò)程中,脫漆劑難免會(huì)接觸到鋁涂層緊固件。這就給鋁涂層的耐脫漆劑性能提出了較高的要求。從表3可知,A涂料、B涂料的耐脫漆劑性能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,但C涂料的耐脫漆劑性能較差,浸泡后涂層表面出現(xiàn)局部起皮、起泡和脫落現(xiàn)象,且鉛筆硬度降低了3級(jí)。TURCO5351脫漆劑中的溶劑分子滲透到涂層聚合物的分子鏈段中會(huì)導(dǎo)致涂層溶解或聚合物大分子體積增大而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,當(dāng)內(nèi)應(yīng)力足以破壞漆膜與基材的粘合力時(shí),漆膜就起泡、脫落[6]。因此,鋁涂料應(yīng)選用合適的樹(shù)脂類(lèi)型,以提升抵抗脫漆劑溶解和溶脹的能力。
表3 耐脫漆劑試驗(yàn)結(jié)果 Table 3 Result of paint stripper resistance test
從表4可以看出,A涂料、B涂料、C涂料的耐流體性能均能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。
表4 耐流體性試驗(yàn)結(jié)果 Table 4 Result of fluid resistance test
從表5可以看出,加熱后3種涂層均未出現(xiàn)起泡、開(kāi)裂現(xiàn)象,只是顏色均不同程度地加深,但附著力均符合要求。
表5 耐熱性試驗(yàn)結(jié)果 Table 5 Result of heat resistance test
經(jīng)脆性試驗(yàn)后,3種涂料加工的產(chǎn)品均未發(fā)現(xiàn)裂紋(如圖4所示)。
圖4 脆性試驗(yàn)典型的金相照片 Figure 4 Typical metallograph of brittleness test
脆性是考察緊固件產(chǎn)品在一定載荷下出現(xiàn)裂紋或斷裂失效的現(xiàn)象。出現(xiàn)脆性失效的原因一般為:
(1) 緊固件螺紋或頭下圓角有缺陷,在一定應(yīng)力作用下缺陷被放大;
(2) 緊固件在加工過(guò)程中產(chǎn)生析氫,在一定應(yīng)力作用下發(fā)生氫致斷裂。
對(duì)于脆性試驗(yàn)項(xiàng)目而言,因其考察的指標(biāo)與鋁涂層加工過(guò)程無(wú)直接關(guān)系,故在2014年發(fā)布的NAS4006Aluminum Coating標(biāo)準(zhǔn)的版本5中已經(jīng)將脆性試驗(yàn)取消。
如圖5所示,醋酸鹽霧試驗(yàn)后鍍鎘樣件所對(duì)應(yīng)的鋁合金工裝板沉頭孔處幾乎無(wú)腐蝕痕跡,A涂層的腐蝕程度與之相比整體較輕,無(wú)肉眼可見(jiàn)的任何腐蝕痕跡,B涂層及C涂層則均有肉眼可見(jiàn)的黑色腐蝕產(chǎn)物。因此,3種涂料中僅有A涂料可以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,B涂料及C涂料的性能較差。
圖5 醋酸鹽霧試驗(yàn)結(jié)果 Figure 5 Result of acetic acid salt spray test
從表6可以看出,也是僅有A涂料可完全滿(mǎn)足交替浸漬試驗(yàn)的要求。這可能與涂料中樹(shù)脂、填料的類(lèi)型及含量有很大關(guān)系。涂料生產(chǎn)商應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)調(diào)整涂料配方以獲得較為理想的腐蝕防護(hù)性能。
表6 交替浸漬試驗(yàn)結(jié)果 Table 6 Result of alternate immersion test
從表7可以看出,不同類(lèi)型涂料之間壓入力差別較大,其中A涂料壓入力較小,平均值及最大值均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求(前者≤7 118 N,后者≤8 898 N)。B涂料雖然平均值及最大值均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,但平均值及最大值均接近上限,當(dāng)干涉量繼續(xù)增加至120 μm或者涂料自身潤(rùn)滑性能有所下降時(shí),該涂料的壓入力可能會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)要求。C涂料的壓入力無(wú)論是平均值還是最大值均嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)要求,說(shuō)明該涂料的潤(rùn)滑性能較差。
表7 壓入力試驗(yàn)結(jié)果匯總表 Table 7 Result of indentation test
鋁涂層自身不具有潤(rùn)滑性能,為提升其潤(rùn)滑性能,需另外加入二硫化鉬、聚四氟乙烯等類(lèi)型的添加劑。由于每種涂料的添加劑類(lèi)型和加入量不盡相同,因此涂層的自身潤(rùn)滑性能有所不同。涂料制造商需要全面考量外觀、附著力、耐脫漆劑、耐液性、耐腐蝕性能等指標(biāo),在不影響以上性能的前提下,有效提升潤(rùn)滑性能。
(1) A涂料可以完全滿(mǎn)足Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)的要求,壓入力也滿(mǎn)足Hi-shear397標(biāo)準(zhǔn)的要求;B涂料的醋酸鹽霧性能、交替浸漬性能不滿(mǎn)足Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)的要求,雖壓入力滿(mǎn)足Hi-shear397標(biāo)準(zhǔn)的要求,但壓入力接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限;C涂料的耐脫漆劑、醋酸鹽霧性能以及耐交替浸漬性能均無(wú)法滿(mǎn)足Hishear294標(biāo)準(zhǔn)的要求,壓入力性能也不滿(mǎn)足Hi-shear397標(biāo)準(zhǔn)要求。
(2) 從壓入力試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,A涂料具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能,在螺紋連接過(guò)程中可有效降低螺紋副之間的摩擦力,提高裝配質(zhì)量穩(wěn)定性及可靠性。
(3) 在鋁涂料研發(fā)過(guò)程中,制造商應(yīng)全面考慮涂料各成分對(duì)每個(gè)性能指標(biāo)的影響,不能顧此失彼,以犧牲某項(xiàng)性能指標(biāo)來(lái)提升其他性能指標(biāo)。
(4) 從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,國(guó)內(nèi)鋁涂層的性能指標(biāo)已超過(guò)部分國(guó)外鋁涂層,存在一定的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力,后期需不斷推廣應(yīng)用,爭(zhēng)取獲得波音、空客等國(guó)際知名主機(jī)廠商的認(rèn)可。