李霞*，劉高峰，王文智，劉瑩瑩，連業(yè)江

（東方藍(lán)天鈦金科技有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

鈦合金緊固件以其優(yōu)良的綜合性能被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中，并在飛機(jī)連接裝配中與鋁合金材料接觸連接。未經(jīng)表面處理的鈦合金緊固件表面具有較高的電位，與接觸連接的鋁合金形成較大的電位差，在潮濕的大氣或海洋環(huán)境下極易產(chǎn)生電偶腐蝕，腐蝕嚴(yán)重則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生失效破壞。

在緊固件表面粘附一層主要成分為酚醛樹(shù)脂、鋁粉、PTFE(聚四氟乙烯)、防腐蝕顏料的涂層，可以很好地解決電偶腐蝕的問(wèn)題[1-3]。目前在鈦合金緊固件表面噴涂鋁的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于全世界的航空制造業(yè)，但是我國(guó)對(duì)鋁涂層原料的配方、噴涂工藝的研究起步較晚，對(duì)鈦合金緊固件鋁涂層性能的試驗(yàn)研究較少，且缺乏評(píng)價(jià)鋁涂層性能的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，這一現(xiàn)狀也是制約鈦合金緊固件國(guó)產(chǎn)化的重要原因。本文結(jié)合美國(guó)宇航標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)頒布的測(cè)試方法、Hi-shear 公司的鋁涂層產(chǎn)品規(guī)范、歐盟標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)，選取附著力試驗(yàn)、耐腐蝕試驗(yàn)、干涉壓入試驗(yàn)、耐脫漆劑試驗(yàn)、干涉安裝力及脆化試驗(yàn)等方法對(duì)國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口涂鋁液噴涂生產(chǎn)的鋁涂層進(jìn)行全面的試驗(yàn)驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，分析二者的特點(diǎn)和差異，旨在為國(guó)產(chǎn)涂鋁液的研發(fā)及我國(guó)鋁涂層產(chǎn)品規(guī)范的制定提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 材料

緊固件的基材是Ti-6Al-4V 合金，表面涂鋁，公稱(chēng)直徑0.25 in(即0.635 cm)，夾層長(zhǎng)度0.5 in(即1.27 cm)，最小抗拉強(qiáng)度160 ksi(即1 103.16 MPa)，最小剪切強(qiáng)度95 ksi(即655 MPa)。脫漆劑為德國(guó)漢高公司的Turco5351。甲基乙基酮、醋酸、氫氟酸、氯化鈉、無(wú)水乙醇等為市售分析純。去離子水為自制。

1. 2 設(shè)備

金相顯微鏡：德國(guó)蔡司；高溫蠕變持久試驗(yàn)機(jī)(0.5 級(jí))，深圳三思縱橫；鹽霧試驗(yàn)箱：美國(guó)Singleton；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(0.5 級(jí))，深圳美斯特；電熱干燥箱；恒溫水浴箱；鉛筆硬度計(jì)；鉛筆硬度工裝，PRISMACOLOR TURQUOISE 鉛筆硬度測(cè)試專(zhuān)用鉛筆；化學(xué)腐蝕試驗(yàn)板；涂漆附著力試驗(yàn)板；干涉配合試驗(yàn)板；網(wǎng)格尺；刀片；軟刷。

1. 3 涂層制備

首先對(duì)緊固件進(jìn)行前處理，包括堿洗除油處理、表面粗化、干燥等。將前處理完成的零件上工裝，禁止裸手接觸零件。然后分別采用國(guó)產(chǎn)涂鋁液和進(jìn)口涂鋁液與固化劑、稀釋劑按比例混合攪拌，過(guò)濾后得到涂裝用涂料。由同一操作員采用噴涂的方法對(duì)緊固件進(jìn)行涂裝，按照“噴涂→預(yù)固化→噴涂→固化”的工藝流程完成鋁涂層的制備。

1. 4 試驗(yàn)方法

1. 4. 1 厚度

緊固件上鋁涂層厚度的檢測(cè)根據(jù)NASM 1312-12Fastener Test Methods — Method 12 Thickness of Metallic Coatings中金相法測(cè)覆蓋層厚度的要求開(kāi)展，取桿部橫截面，依次進(jìn)行鑲嵌、磨拋、清洗、吹干。使用500 倍金相顯微鏡獲得桿部橫斷面的顯微圖像，在顯微橫斷面長(zhǎng)度上取5 點(diǎn)測(cè)量涂層厚度，以5 點(diǎn)平均值作為該試驗(yàn)件的涂層厚度。

1. 4. 2 附著力

根據(jù)緊固件的幾何形狀特點(diǎn)，分別對(duì)鈦合金緊固件頭部及桿部進(jìn)行附著力試驗(yàn)，參考的標(biāo)準(zhǔn)是ISO 2409Paints and Varnishes — Cross-cut Test。螺栓頭部采用刀片(角度20° ～ 30°)進(jìn)行切割，確保產(chǎn)生的“V”型切痕且割透涂層，要求基體材料的切痕盡量淺。采用網(wǎng)格尺來(lái)保證切痕的平行，切痕之間間隔約為1 mm，分別在縱向和橫向切出3 條垂直交錯(cuò)的切痕。然后使用半年內(nèi)生產(chǎn)的3M 公司No.250 膠帶緊貼于緊固件頭部，2 min后垂直于緊固件表面迅速移除膠帶。對(duì)于緊固件的桿部，由于形狀不符合ISO 2409 的要求，采用在桿部光滑面上將涂層切開(kāi)直至露出基材的方法，然后把膠帶緊貼在切口處，以垂直于緊固件表面的力猛地撕下膠帶。

1. 4. 3 鉛筆硬度

準(zhǔn)備好鉛筆硬度測(cè)試專(zhuān)用鉛筆(硬度6B 至9H)，每次試驗(yàn)前保持鉛芯端面為四方形。將鉛筆硬度計(jì)平放在鉛筆硬度工裝上同時(shí)接觸到試片或螺釘桿部，使儀器保持水平。將準(zhǔn)備好的鉛筆插入儀器，使筆芯與螺釘桿部接觸后調(diào)整水平并固定鎖緊，安裝好壓塊。用拇指和食指抓在兩個(gè)輪子中心，將儀器從后往前推約20 mm即可移開(kāi)儀器。將鉛筆按照由軟到硬的順序測(cè)試，第一支能將涂層刺破或擦傷的鉛筆，視為最終涂層的鉛筆硬度。在每個(gè)試樣上至少進(jìn)行3 次試驗(yàn)。

1. 4. 4 耐脫漆劑性能

室溫下將國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口涂鋁液涂覆的緊固件放入Turco 5351 脫漆劑中靜置24 h 后，依次進(jìn)行附著力和鉛筆硬度試驗(yàn)。

1. 4. 5 耐腐蝕性能

將國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口涂鋁液涂層緊固件及鍍鎘緊固件安裝在經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理的鋁合金7075-T6 板上。在鉆孔前，按標(biāo)準(zhǔn)MIL-A-8625Anodic Coatings for Aluminum and Aluminum Alloys的II 型進(jìn)行硫酸陽(yáng)極化處理(密封、無(wú)色)，鉆孔大小應(yīng)保證孔與緊固件光桿直徑之間留出25.4 ～ 127 μm 的空隙。兩個(gè)緊固件頭部邊緣距離至少12.7 μm。使用鋁合金螺母進(jìn)行緊固，安裝完成之后使用甲基乙基酮清潔裝配組件，除掉所有的油脂和指紋，靜置風(fēng)干。裝配完成的試驗(yàn)件進(jìn)行醋酸鹽霧試驗(yàn)336 h，將pH 調(diào)節(jié)并維持在2.8 ～ 3.1。試驗(yàn)程序是每天4 次、每次6 h 的循環(huán)，其中包括：(1)鹽霧試驗(yàn)45 min；(2)直接空氣凈化(循環(huán)干燥)2 h；(c)在相對(duì)濕度45% ～ 90%、溫度33 ～ 37 °C 的環(huán)境下保持3 h 15 min。

1. 4. 6 干涉壓入性能

干涉壓入性能試驗(yàn)是分別選取15 件國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口涂鋁加十六醇試驗(yàn)件，安裝在厚度12.7 mm、孔徑6.231 ～6.256 mm 的7075-T6 鋁合金工裝上。采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，以50.8 mm/min 的加載速率施加壓力，直至螺栓光桿穿過(guò)工裝，得到壓縮試樣所用的最大載荷。

1. 4. 7 脆化

按照NASM1312-5Fastener Test Methods — Method 5 Stress Durability，試驗(yàn)夾具的孔與緊固件直徑的間隙為0.025 4 ～ 0.076 2 mm，將國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口鋁涂層試樣通過(guò)試驗(yàn)夾具分別裝在高溫蠕變持久試驗(yàn)機(jī)上，并確保試樣至少有2 扣螺紋伸出螺母頂面，再借助夾具施加導(dǎo)入載荷，導(dǎo)入載荷等于最小極限抗拉強(qiáng)度(UTS)的80%。試樣在(149 ± 5) °C 的溫度下暴露72 h，最后剖開(kāi)進(jìn)行200 倍金相觀察，確認(rèn)緊固件是否有裂紋或其他異常金相組織。

2 結(jié)果與討論

2. 1 涂層厚度

雖然NAS 4006Aluminum Coating及BMS 10-85Aluminum Pigmented Coating for Fasteners規(guī)定了涂層厚度檢測(cè)的位置應(yīng)選取可視表面，且定義被19.05 mm 直徑小球接觸到的表面為可視表面，但在實(shí)際中難以操作。所以，定義出可操作性強(qiáng)的厚度檢測(cè)位置選取法值得研究。考慮到緊固件鋁涂層與鋁合金基體接觸緊密的位置是頭部承載面、桿部以及螺紋，檢測(cè)的位置從這3 個(gè)位置中選取。典型的金相檢測(cè)照片如圖1 所示。10 件國(guó)產(chǎn)涂鋁液涂層的厚度檢測(cè)結(jié)果分布在7 ～ 9 μm 之間，進(jìn)口涂層厚度分布在7 ～ 11 μm 之間，二者厚度差異不大，且均滿足NAS 4006 和Hi-shear 294Aluminum Pigmented HI-KOTE Coatings for Fastener Systems中對(duì)涂層厚度在5 ～ 13 μm 范圍內(nèi)的要求。

圖1 鈦合金緊固件表面鋁涂層厚度的典型金相圖Figure 1 Typical metallographs showing the thickness of aluminum coatings on Ti alloy fasteners

2. 2 附著力

附著力主要是考察常溫狀態(tài)下及受熱后鋁涂層與基體金屬之間，以及水浸泡后鋁涂層與飛機(jī)底漆之間的粘附性能。附著力直接影響到鋁涂層與連接件的裝配使用。NAS 4006 規(guī)定采用刮涂層法檢查鋁涂層的附著力，但這在緊固件頭部難以操作。BMS 10-85 和Hi-Shear 294 分別規(guī)定了沉頭緊固件采用落錘法，凸頭緊固件采用3M 膠帶法。但是膠帶的黏性及每批次的一致性難以評(píng)估，且膠帶的有效期短。所以，本文按照1.4.2 節(jié)所述的劃格法和刮涂層法分別對(duì)常溫狀態(tài)、受熱后及水浸泡后的螺栓頭部和桿部的鋁涂層附著力進(jìn)行測(cè)試。

2. 2. 1 常溫及受熱后鋁涂層與基體金屬的粘附性能

將試驗(yàn)件放入稱(chēng)量瓶并置于加熱至190 °C 的電熱干燥箱中，靜置加熱4 h，空氣冷卻后按照1.4.2 節(jié)所述方法進(jìn)行附著力測(cè)試。結(jié)果表明，常溫及受熱后國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口涂鋁液涂層的附著力均為0 級(jí)，沒(méi)有明顯差異，如圖2 所示。

圖2 受熱后國(guó)產(chǎn)(a)與進(jìn)口(b)涂鋁液涂層附著力試驗(yàn)的典型照片F(xiàn)igure 2 Photos showing the typical adhesion test results of the aluminum-coated fasteners prepared from domestic (a) and imported (b) products after heating

2. 2. 2 水浸泡后鋁涂層與飛機(jī)底漆的粘附性能

將國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口涂鋁液涂層試驗(yàn)件裝配到試驗(yàn)工裝上，并噴涂飛機(jī)底漆，模擬實(shí)際使用狀態(tài)，在去離子水中浸泡14 d，對(duì)浸泡后的試樣與未浸泡的試樣進(jìn)行附著力試驗(yàn)。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)水浸泡14 d 后，國(guó)產(chǎn)涂鋁液涂層的9 件試驗(yàn)件中有5 件發(fā)生附著力降低，進(jìn)口涂鋁液涂層則有8 件發(fā)生了附著力降低，最大降低1 個(gè)等級(jí)，表明國(guó)產(chǎn)涂鋁液涂層與飛機(jī)底漆的粘附性能優(yōu)于進(jìn)口涂鋁液涂層。

2. 3 耐脫漆劑性能

耐脫漆劑性能檢驗(yàn)是為了防止在產(chǎn)品清洗維修過(guò)程中清洗劑(脫漆劑)對(duì)緊固件表面鋁涂層造成不利影響而設(shè)定的。由表1 可知，國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口涂鋁液涂層在浸泡脫漆劑后均未出現(xiàn)附著力降低，但是從鉛筆硬度試驗(yàn)結(jié)果可知，進(jìn)口涂鋁液涂層的鉛筆硬度未降低，而國(guó)產(chǎn)的9 件試驗(yàn)件中有2 件的鉛筆硬度從9H 降低至8H，雖滿足NAS 4006 及Hi-Shear 294 規(guī)范中不應(yīng)降低2 個(gè)鉛筆硬度的要求，但是國(guó)產(chǎn)涂鋁液的耐脫漆劑性能明顯遜于進(jìn)口涂鋁液。

表1 浸泡脫漆劑后緊固件表面涂鋁層的附著力及鉛筆硬度Table 1 Adhesion strength and pencil hardness of aluminum coatings on fasteners after being immersed in paint stripper

2. 4 耐腐蝕性能

耐腐蝕性能測(cè)試是模擬鈦合金涂鋁緊固件與飛機(jī)鋁合金基體的裝配狀態(tài)，考察涂鋁緊固件在嚴(yán)酷環(huán)境下耐電化學(xué)腐蝕的能力。如圖3 所示，國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口涂鋁液涂層經(jīng)過(guò)336 h 酸性鹽霧試驗(yàn)后，通過(guò)目視觀察緊固件頭部邊緣與鋁合金接觸的位置均出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，國(guó)產(chǎn)涂層的腐蝕產(chǎn)物較少，進(jìn)口涂層試樣中有2 件出現(xiàn)了較多的腐蝕產(chǎn)物，但二者的腐蝕程度均小于鍍鎘試驗(yàn)件。為準(zhǔn)確判定腐蝕情況，從鋁合金板上去掉緊固件，選取鋁合金板上腐蝕較嚴(yán)重的3 個(gè)位置，通過(guò)金相檢查來(lái)確定與涂鋁緊固件和鍍鎘緊固件接觸的鋁板的埋頭區(qū)和頭部周?chē)X板表面的腐蝕深度。

圖3 國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口涂鋁試驗(yàn)件及鍍鎘試驗(yàn)件在酸性鹽霧試驗(yàn)336 h 前(a)后(b)的外觀Figure 3 Appearance of the aluminum-coated specimens prepared with domestic and imported products as well as the cadmium-electroplated specimen before (a) and after (b) acidic salt spray test for 336 h

如圖4 所示，鍍鎘件試驗(yàn)板埋頭孔的腐蝕深度分別為0.155、0.122 和0.131 mm，國(guó)產(chǎn)件試驗(yàn)板埋頭孔的腐蝕深度分別為0.050、0.064 和0.085 mm，進(jìn)口件試驗(yàn)板埋頭孔的腐蝕深度分別為0.036、0.042 和0.039 mm。由此可知，雖然目視觀察進(jìn)口件腐蝕物較多，但是實(shí)際腐蝕深度卻小于國(guó)產(chǎn)件，國(guó)產(chǎn)涂鋁液涂層在耐電化學(xué)腐蝕性能上不如進(jìn)口涂鋁液涂層。另外，NAS 4006 及EN 4473Aerospace Series — Aluminum Pigmented Coatings for Fasteners — Technical Specification沒(méi)有明確規(guī)定采用何種方法確定腐蝕程度，而從金相檢測(cè)結(jié)果可知，僅目視觀察是無(wú)法準(zhǔn)確判定真正的腐蝕情況的。

圖4 鋁合金試驗(yàn)板的腐蝕深度Figure 4 Corrosion depth of different aluminum alloy specimens

2. 5 干涉壓入性能

NAS 4006 和Hi-shear 294 標(biāo)準(zhǔn)均未對(duì)干涉壓入性能作出要求，但BMS 10-85 標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)鋁涂層進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)，其主要目的是考察鋁涂層的潤(rùn)滑性[1]。試驗(yàn)結(jié)果圖5 所示。國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口鋁涂層加十六醇潤(rùn)滑后的干涉安裝力均在5 000 ～ 7 500 N 之間，國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口鋁涂層試驗(yàn)件的干涉安裝力平均值分別為6 266 N 和6 584 N，均符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)0.25 in 緊固件的平均安裝力應(yīng)為7 120 N 或者以下，單次安裝施加力不得超過(guò)8 900 N 的要求。

圖5 國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口鋁涂層試樣的干涉安裝力Figure 5 Interference installation forces of the aluminum-coated fasteners prepared with domestic and imported products

2. 6 脆化

由于鈦合金緊固件表面電鍍鎘后有應(yīng)力脆裂現(xiàn)象發(fā)生，即螺栓安裝后在遠(yuǎn)小于破壞應(yīng)力的條件下發(fā)生脆裂。為考察鈦合金涂鋁緊固件是否會(huì)因機(jī)械加工及堿洗、酸洗、脈沖陽(yáng)極化、噴涂等表面處理過(guò)程時(shí)侵入H原子或其他元素而導(dǎo)致緊固件在一定溫度和承載條件下發(fā)生脆斷，采用NAS 4006 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法將螺栓安裝在7075-T6 鋁合金板后，在150 °C 和最小極限抗拉強(qiáng)度的80%(即20.72 kN)的條件下保持72 h 進(jìn)行脆化試驗(yàn)。在試驗(yàn)后采用金相檢查的方法確定試驗(yàn)件的冶金特性是否發(fā)生變化。螺紋和頭下圓角這兩處容易出現(xiàn)應(yīng)力脆裂的位置的金相觀察結(jié)果如圖6 和圖7 所示?？梢?jiàn)緊固件經(jīng)過(guò)機(jī)加工、表面前處理及噴涂國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口涂鋁液后，其冶金特性未受影響，無(wú)裂紋和其他異常金相組織產(chǎn)生，國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口涂鋁試驗(yàn)件的脆化性能上無(wú)明顯差異。

圖6 脆化試驗(yàn)后國(guó)產(chǎn)鋁涂層試驗(yàn)件的金相形貌Figure 6 Metallographic morphologies of the specimen with domestic aluminum coating after embrittlement test

3 結(jié)論

通過(guò)外觀、厚度、附著力、耐脫漆劑、脆性、電化學(xué)腐蝕、涂漆附著力、干涉安裝力測(cè)試等一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證和比對(duì)可知，國(guó)產(chǎn)涂鋁液涂層在耐腐蝕性能及耐脫漆劑性能上不如進(jìn)口涂鋁液涂層，其他性能則并無(wú)明顯差異。耐腐蝕性能和耐脫漆劑性能是考察鋁涂層性能最關(guān)鍵的指標(biāo)，也是實(shí)際應(yīng)用中最為關(guān)注的指標(biāo)。因此，國(guó)產(chǎn)涂鋁液的性能仍與國(guó)外涂鋁液存在差距，應(yīng)在這兩項(xiàng)性能上進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，爭(zhēng)取早日打破國(guó)外涂鋁液的市場(chǎng)壟斷。目前國(guó)內(nèi)外鋁涂層產(chǎn)品規(guī)范對(duì)于鋁涂層性能的評(píng)價(jià)方法并不完善，一份評(píng)價(jià)方法準(zhǔn)確且應(yīng)用性強(qiáng)的國(guó)產(chǎn)民用航空緊固件鋁涂層性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)亟待編制，為鈦合金緊固件國(guó)產(chǎn)化提供助力。