某異型構(gòu)件表面防熱涂層的缺陷控制

李盼盼 喬懿元 胡建明 范一凡 王 猛 武德濤

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某異型構(gòu)件表面防熱涂層的缺陷控制

李盼盼 喬懿元 胡建明 范一凡 王 猛 武德濤

（北京航天新風(fēng)機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100854）

以某典型異型構(gòu)件為例，探討和研究非規(guī)則構(gòu)件表面防熱涂層常見的噴涂缺陷，如氣泡、起鼓、剝落、開裂等問題的產(chǎn)生原因。采用優(yōu)化噴涂工藝、優(yōu)化表面處理方法、控制環(huán)境溫濕度、控制構(gòu)件表面水分等有效的質(zhì)量控制措施，消除相應(yīng)缺陷，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

防熱涂層；噴涂工藝；缺陷控制

1 引言

防熱涂層材料是一類重要的熱防護(hù)材料，因其工藝簡單、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)適應(yīng)性良好、周期短、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，在航空航天領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。例如飛行器的艙體、發(fā)動機(jī)及各種異型構(gòu)件的外防熱，就主要采用防熱涂層材料實(shí)現(xiàn)防護(hù)目的。防熱涂料一般由基料、耐熱顏（填）料、助劑和溶劑組成[2]。研究發(fā)現(xiàn)，防熱涂層噴涂質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到防熱涂層的防隔熱效能和綜合力學(xué)性能。與普通涂料相比，防熱涂料具有固含量高、顆粒度大、黏度高的特點(diǎn)，易導(dǎo)致施工工藝不穩(wěn)定；同時(shí)，為達(dá)到足夠的抗燒蝕及防熱性能，防熱涂層厚度需求較大，是一般功能涂層厚度的3～8倍。尤其對于異型構(gòu)件，噴涂表面凹凸不平，噴涂氣流干涉區(qū)域較多，防熱涂層噴涂質(zhì)量難以控制。

2 零件特點(diǎn)

某航天飛行器異型構(gòu)件為厚壁鑄件，內(nèi)凹面和外凸面均需噴涂防熱涂層。凹面和凸面均存在大量立筋和凹角，為不規(guī)則構(gòu)件，無法實(shí)現(xiàn)自動噴涂，只能通過手工作業(yè)方式實(shí)現(xiàn)防熱涂層涂覆。在最初試驗(yàn)的批次產(chǎn)品中，經(jīng)常出現(xiàn)起鼓、裂紋、剝落等缺陷，成品率較低，因此分析研究該異型構(gòu)件。

3 缺陷及其原因分析

3.1　氣泡缺陷

由于防熱涂層厚度大，涂料中的空氣和溶劑不易在涂層表面干燥前及時(shí)充分地?fù)]發(fā)出來。這些空氣、溶劑等夾雜在涂層中，會形成氣泡，破裂后就在涂層表面形成了氣泡缺陷，若氣泡特別小，缺陷則表現(xiàn)為針孔[3]。異型構(gòu)件表明涂層氣泡缺陷及局部放大照片，如圖1所示。

圖1 異型構(gòu)件表面涂層氣泡缺陷

3.2 起鼓缺陷

涂層噴涂后、未固化前，局部區(qū)域會出現(xiàn)涂層被頂起，即起鼓現(xiàn)象，將起鼓部位的涂層撥開，底漆與涂層脫開。發(fā)生該問題的區(qū)域多為孔內(nèi)或凹角區(qū)域，此類區(qū)域由于氣流流動過程中的相互影響，最終導(dǎo)致防熱涂層所配底漆較厚，防熱涂層噴涂時(shí)底漆未能完成固化，二者交互作用，涂層與底漆不能有效連接，發(fā)生起鼓現(xiàn)象。

為證實(shí)該原因，采用相同的鑄鋁基材設(shè)計(jì)了兩組試片進(jìn)行對比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：一組試片噴涂底漆厚度偏厚（0.1～0.2mm）；另一組試片噴涂正常底漆厚度（不大于0.1mm）。嚴(yán)格按照涂料使用說明書要求，同時(shí)在上述兩組試片上分別噴涂防熱涂料。涂料完成噴涂后晾置過程中，噴涂底漆厚度偏厚的試片復(fù)現(xiàn)了起鼓問題，而正常狀態(tài)的試片，其表面涂層細(xì)實(shí)平整、并無異樣，驗(yàn)證了上述該缺陷原因分析的正確性。

3.3 剝落缺陷

涂層表面出現(xiàn)鱗片狀脫落，脫落的涂層強(qiáng)度低，未正常完成固化，與基材失去粘接力。造成涂層剝落的主要原因：基體表面存在油脂、水、霜、銹蝕、灰塵等雜質(zhì)；涂料基料與固化劑組分混合不充分，部分涂層無法固化，如圖2所示。

圖2 涂層剝落缺陷

3.4　開裂缺陷

涂層表面出現(xiàn)撕裂、龜裂或細(xì)微裂紋，危害涂層整體強(qiáng)度。主要原因?yàn)橥繉舆^厚。過厚的涂層會將正常的應(yīng)力放大，造成開裂。且此缺陷在北方冬季施工中更為常見。如北方冬季的噴涂現(xiàn)場溫度若為-5℃，完成固化的防熱涂層從50℃烘房內(nèi)出來，劇烈的溫差作用在較厚的涂層上，涂層與基材、涂層內(nèi)部熱應(yīng)力增強(qiáng)，更易誘發(fā)涂層出現(xiàn)開裂缺陷。如圖3所示，由于該區(qū)域涂層過厚，涂層表面出現(xiàn)了細(xì)微裂紋。

4 解決措施

4.1 氣泡的解決措施

a. 保持噴涂現(xiàn)場清潔，且通風(fēng)良好；

b. 保持空氣干燥，以相對濕度低于70%為宜；

c．控制每遍涂層厚度不大于0.2mm，每遍涂層間隔120min。

4.2 起鼓的解決措施

由于異型構(gòu)件的底漆噴涂厚度較難保證均勻，尤其是角落和凹槽處的底漆厚度無法準(zhǔn)確控制，因此為保證噴涂后的漆膜能夠固化完全，通過試驗(yàn)優(yōu)化了底漆固化制度，由原來的120℃烘烤3h更改為120℃烘烤5h。

4.3 剝落的解決措施

a．對基材表面進(jìn)行嚴(yán)格的表面處理，包括物理手段和化學(xué)方法；

b. 噴涂前產(chǎn)品表面的油污、異物要徹底清洗干凈，必要時(shí)用砂紙打磨或噴砂處理；

c．產(chǎn)品噴涂前注意油污清洗的同時(shí)，需保證待噴涂產(chǎn)品表面為干燥無水狀態(tài)。尤其對于鑄件產(chǎn)品，產(chǎn)品吸潮、沾水后不容易揮發(fā)出來，可在60～80℃的環(huán)境下干燥30min 左右，使基材內(nèi)壁及表面水分徹底排放出來。產(chǎn)品在存放、搬運(yùn)等過程易引入水分的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)包括：產(chǎn)品在高濕環(huán)境下長期存放（＞75%）；產(chǎn)品下雨露天搬運(yùn)；產(chǎn)品表面發(fā)生結(jié)露，例如：夏天產(chǎn)品從空調(diào)室搬運(yùn)到室外，極易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象；其它外界因素。

4.4 開裂的解決措施

a．控制涂層厚度滿足工藝要求；

b．控制噴涂現(xiàn)場溫度在10～30℃范圍內(nèi)；

c．防熱涂層固化完成后，出烘房溫度低于40℃。

5 結(jié)束語

防熱涂層的噴涂質(zhì)量對于涂層的熱防護(hù)性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有極為重要的影響，因此必須嚴(yán)格控制涂層缺陷。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，采用以上缺陷控制手段，在某異型構(gòu)件上噴涂施工得到平整細(xì)實(shí)的涂層產(chǎn)品，并可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定作業(yè)。經(jīng)外觀檢查、超聲C 掃描均未發(fā)現(xiàn)氣泡、起鼓、裂紋和剝落等缺陷，涂層粘接強(qiáng)度達(dá)到了7.0MPa以上，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，有效地保證了不規(guī)則復(fù)雜構(gòu)件的防熱涂層施工質(zhì)量和成功率。

1 馬天信，李曉奮. HG系列防熱隔熱涂層的研究及其性能試驗(yàn)[J]. 航天制造技術(shù)，2015(4)：1

2 王百亞，王秀云. 一種航天器用外熱防護(hù)涂層材料研究[J]. 固體火箭技術(shù)，2005(3)：216～217

3 林平，辛全友. 隱身涂料噴涂缺陷及質(zhì)量控制[J]. 工程塑料應(yīng)用，2013(4)：47～49

Defect Control of Surface Thermal Protection Coating on A Shaped Component

Li Panpan Qiao Yiyuan Hu Jianming Fan Yifan Wang Meng Wu Detao

(Beijing Aerospace Xinfeng Machinery Equipment limited liability Co., Ltd., Beijing 100854)

In this paper, a typical profiled workpiece is taken as an example to investigate and study the causes of common defects such as bubbles, drums, spalling and cracking on thermal protection coating of irregular surfaces.The optimized spraying process and surface treatment methods are used,and environmental temperature and humidity, surface moisture of workpieces are controlled to eliminate the corresponding defect and ensure product quality.

thermal protection coating；spraying process；defect control

李盼盼（1986），高級工程師，材料科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：防熱涂層及防熱復(fù)合材料。

2018-09-01