樊津鈺，李玉琴，文建中

(空軍工程大學(xué) 等離子體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710038)

1 引言

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)度、高比模量以及耐高溫等特點(diǎn)，在航空工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛[1-2]。然而，由于長(zhǎng)期處于超溫、高速氣流沖蝕、熱震、振動(dòng)等惡劣的服役環(huán)境，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)表面的樹脂基涂層會(huì)出現(xiàn)積碳、積油、沉淀物包覆、脫落、起皮、磨損、鼓泡等損傷，對(duì)防護(hù)性能造成嚴(yán)重影響，所以需要對(duì)損傷涂層進(jìn)行去除，以便后續(xù)再噴涂[3]。

目前，針對(duì)損傷涂層的去除方法主要分為化學(xué)去除和物理去除兩大類[4]?；瘜W(xué)去除[5]包括化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕等方法，主要利用涂層和基體材料在去除液中不同的化學(xué)活性使兩者分離。由于去除液的配制復(fù)雜，去除時(shí)間長(zhǎng)，容易對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，違背 “綠色環(huán)?！钡睦砟?，而且不利于局部損傷涂層的去除。物理去除包括打磨、高壓水沖擊、噴砂、激光清洗等方法。打磨去除效率低，去除工藝穩(wěn)定性較差；高壓水沖擊利用高速水巨大的沖擊作用沖刷和剝離涂層，在去除較厚涂層時(shí)容易造成基體表面損傷。激光清洗[6-8]雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)，但清洗過(guò)程中高溫引起的燒蝕效應(yīng)會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生氧化和燒蝕等影響。噴砂[9-11]是利用高壓氣體將磨料高速噴射到工件表面，通過(guò)磨料對(duì)工件表面的撞擊和切削作用達(dá)到材料去除的一種表面處理工藝，具有去除效率高、成本低、容易操作等特點(diǎn)，在合理地選擇磨料和工藝參數(shù)后可望一次性去除涂層。

國(guó)內(nèi)在噴砂去除方面進(jìn)行了大量研究。馬帥等[12]使用噴砂技術(shù)對(duì)碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(SiCf/SiC-CMC)表面的環(huán)境障涂層進(jìn)行了去除，研究了噴砂磨料及不同工藝參數(shù)對(duì)去除效果的影響，結(jié)果表明通過(guò)合理選擇磨料和噴砂工藝參數(shù)，可以在不損傷基體的情況下取得較好的清洗質(zhì)量。龍?jiān)萚13]使用不同目數(shù)的鋼砂作為磨料，對(duì)22MnB5熱成形鋼表面的氧化膜進(jìn)行噴砂去除，研究在不同磨料目數(shù)下噴砂對(duì)材料表面形貌、表面粗糙度和涂裝性的影響規(guī)律，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)噴砂，材料表面氧化膜可以被有效去除，且得到的磷化膜符合要求。劉鵬安等[14]采用噴砂方法對(duì)彈藥表面進(jìn)行除銹，通過(guò)對(duì)噴砂除銹中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，在確保彈藥安全性的前提下確定了磨料種類、噴砂角度和噴砂壓力和除銹時(shí)間，有效提高了彈藥除銹質(zhì)量和效率。目前，現(xiàn)有噴砂技術(shù)主要用于零件表面除銹、表面薄膜涂層去除等，對(duì)樹脂基涂層尤其是厚涂層的去除研究還比較少。

本文針對(duì)飛機(jī)表面樹脂基防護(hù)涂層去除的迫切需求，采用噴砂法對(duì)TC4表面樹脂基涂層進(jìn)行去除試驗(yàn)，分析不同工藝參數(shù)對(duì)去除效果的影響，探究其去除機(jī)理。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)基體采用30 mm×30 mm×5 mm的TC4鈦合金片，其化學(xué)成分見(jiàn)表1所示，基體表面涂層為樹脂基復(fù)合材料，厚度約1.0 mm。涂層截面形貌及面能譜圖如圖1所示，可以看到整個(gè)涂層是由一層一層堆疊形成的，層與層之間邊界平整清晰，對(duì)涂層進(jìn)行X射線能譜分析發(fā)現(xiàn)其含有C、Al、Fe等元素。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖1 樹脂涂層截面形貌及面能譜圖 (a)涂層截面形貌(b)(c)(d)涂層面能譜圖

2.2 試驗(yàn)方法

為了取得良好的去除效果，對(duì)噴砂所用的磨料和噴砂工藝參數(shù)進(jìn)行研究。由于基體表面的樹脂涂層能夠輕易的被TC4鈦合金劃傷，所以樹脂涂層的硬度要低于TC4鈦合金。在磨料的選擇上，鑒于涂層和基體硬度之間的差異，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)選擇硬度介于涂層和基體之間的磨料。如果磨料硬度過(guò)高，則去除涂層的同時(shí)會(huì)對(duì)基體造成一定損傷；如果硬度過(guò)低，則去除效果不能保證且增加噴砂所用的時(shí)間，但考慮到本試驗(yàn)中TC4鈦合金基體表面涂層較厚，應(yīng)當(dāng)選擇高硬度的磨料以降低噴砂過(guò)程的時(shí)間。磨料的顯微維氏硬度[15]如表2所示。

表2 磨料顯微維氏硬度

材料的維氏硬度可采用式(1)進(jìn)行換算，式中HV為材料的維氏硬度，重力加速度g取9.8，TC4鈦合金維氏硬度以330HV計(jì)算，換算得到TC4鈦合金顯微維氏硬度為3.234 GPa。由于表2中第4種磨料維氏硬度顯著高于TC4鈦合金，故只考慮前3種，結(jié)合噴砂去除效率來(lái)最終確定。去除效率由式(2)[16]進(jìn)行計(jì)算，其中Er為噴砂質(zhì)量去除效率，mg·g-1；Δm為試樣質(zhì)量變化量，mg；mp為磨料消耗質(zhì)量，g。

HV=(1 000/g)×GPa

(1)

Er=Δm/mp

(2)

在本次試驗(yàn)中，噴砂距離設(shè)為100 mm，噴砂壓力設(shè)為0.3 MPa、0.4 MPa、0.45 MPa和0.5 MPa，并在每個(gè)壓力下設(shè)置60°、75°和90°3個(gè)噴砂攻角。以18 s為時(shí)間間隔，每個(gè)時(shí)間間隔后對(duì)試件厚度進(jìn)行測(cè)量，以確保試件厚度有明顯變化，并在噴砂結(jié)束后對(duì)基體表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，最后使用無(wú)水乙醇將試樣超聲波清洗5 min并干燥。噴砂示意圖如圖2所示。

圖2 噴砂示意圖

3 結(jié)果

3.1 噴砂磨料的選擇

首先分別采用SiO2、Al2O3和SiC三種不同磨料在噴砂壓力為0.4 MPa，噴砂角度為90°時(shí)去除樹脂基涂層，圖3表示不同磨料對(duì)涂層的去除效率?？梢钥吹絊iO2磨料由于硬度較低，完全去除涂層的效率相對(duì)較低，但由于SiO2磨料的密度小于Al2O3磨料，所以在相同質(zhì)量下的SiO2磨料數(shù)目更多，去除效率較Al2O3磨料高。由于SiC磨料的密度在三者中最低且硬度最高，所以采用SiC磨料的去除效率最高，在實(shí)際去除過(guò)程中所用時(shí)間較短，因此后續(xù)試驗(yàn)采用SiC磨料。

3.2 不同噴砂壓力和攻角對(duì)基體的影響

噴砂處理前后TC4基體的表面形貌如圖4所示。圖4(a)為未噴涂涂層時(shí)TC4基體表面形貌，從其中可以看出基體表面相對(duì)平整，存在一定的淺坑，有利于噴涂時(shí)涂層與基體結(jié)合。圖4(b)為0.3 MPa壓力，90°攻角下噴砂去除涂層后TC4基體表面形貌，可以看到經(jīng)過(guò)噴砂后基體表面出現(xiàn)較深的凹坑和溝壑，表面粗糙度增大。

圖3 不同磨料對(duì)涂層的去除效率直方圖

圖4 噴砂處理前后TC4基體的表面形貌 (a)未處理 (b)噴砂后

不同噴砂壓力和攻角下基體的表面形貌和平均粗糙度如圖5和圖6所示。

圖5 不同噴砂壓力和攻角下基體的表面形貌Fig.5 Surface morphology of the matrix under different sand blast pressure and angle

可以看到，由于碳化硅硬度高于樹脂基涂層，在高速?zèng)_擊下基體表面被磨料撞擊出大量凹坑，并且各個(gè)凹坑方向不一，在后續(xù)涂覆時(shí)可以避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，加強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合。在攻角由60°向90°增加的過(guò)程中，可以看到基體表面逐漸由犁劃與凹坑并存變?yōu)橐园伎雍蜏羡譃橹?，這是因?yàn)楣ソ窃龃?，進(jìn)行水平切削的磨料減少，垂直砸出的磨料增多。隨著攻角和壓強(qiáng)的增大，基體表面出現(xiàn)更多更深的凹坑，基體表面平均粗糙度變大，當(dāng)噴砂壓力為0.4 MPa，攻角為75°時(shí)，基體表面粗糙度Ra為3.336 μm。如圖5(e)所示，當(dāng)增大噴砂壓力為0.45 MPa時(shí)，基體表面的溝壑加深，磨料對(duì)TC4基體產(chǎn)生較大磨損；當(dāng)進(jìn)一步增大噴砂壓力到0.5 MPa時(shí)，如圖5(f)所示，基體表面的凹坑明顯加深，磨料對(duì)TC4基體產(chǎn)生明顯磨損，此時(shí)基體表面粗糙度Ra為4.366 μm。分別對(duì)圖5(b)中區(qū)域1和區(qū)域2進(jìn)行X射線能譜分析，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)在區(qū)域2中其他元素的相對(duì)含量基本保持不變，而Si元素的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于區(qū)域1，表明區(qū)域2中的物質(zhì)為噴砂后殘留的SiC砂粒。

圖6 不同噴砂壓力和攻角下基體的平均粗糙度直方圖

圖8為試樣厚度隨噴砂時(shí)間的變化曲線?？梢钥吹疆?dāng)噴砂壓力為0.4 MPa、攻角為75°時(shí)，去除速度呈現(xiàn)先慢后快，且最快速度小于同壓力下攻角為90°，完全去除涂層需要約150 s；而相同壓力下攻角為90°時(shí)需要100 s，時(shí)間提高了33.3%，且去除速度基本恒定。這是由于涂層較厚時(shí)，層與層之間的結(jié)合作用力大，當(dāng)受到側(cè)向的切削作用時(shí)，去除速度較低，隨著剩余涂層厚度的減少，去除速度逐漸提高；而在垂直方向上始終受到撞擊，涂層均勻的情況下，去除速度相對(duì)穩(wěn)定。

圖8 試樣厚度隨噴砂時(shí)間變化曲線

3.3 噴砂去除涂層機(jī)理

在噴砂的過(guò)程中，即使攻角為90°時(shí)，由于磨料射出呈噴射狀，一部分磨料撞向材料表面時(shí)仍會(huì)有水平分量，所以任意狀態(tài)下磨料從噴嘴射出撞向材料的速度應(yīng)當(dāng)分為垂直分速度和水平分速度。當(dāng)攻角較大時(shí)，磨料撞擊材料表面的速度以垂直分速度為主，通過(guò)不斷撞擊材料表面，將粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為材料的勢(shì)能，從而在材料表面形成凹坑；當(dāng)攻角較小時(shí)，磨料產(chǎn)生的水平分速度沖擊材料表面，產(chǎn)生切削和耕犁作用，在此過(guò)程中涂層表面硬度較低的區(qū)域被首先去除，而后暴露在外的硬度較高的區(qū)域隨磨料的沖擊逐漸剝落。

4 結(jié)論

1) 在相同條件情況下，分別使用SiO2、Al2O3和SiC三種磨料去除樹脂涂層，SiC磨料的去除效率最高。

2) 噴砂壓力為0.4 MPa、攻角為90°時(shí)，去除效果和效率最佳。

3) 在60°攻角下，磨料通過(guò)垂直撞擊、切削和耕犁共同作用下去除涂層，在90°攻角下，磨料以垂直撞擊為主去除涂層，去除速度最快且基本保持不變。