萬冰華 林忠亮 魏亮亮 程艷紅 馬艷云
(航天精工股份有限公司,天津,300300)
鈦合金緊固件以其優(yōu)異的機(jī)械性能廣泛應(yīng)用于航空航天飛行器連接中,因其在使用過程中常與鋁合金零部件接觸連接,故需在其表面涂覆一層鋁涂層,以降低甚至消除接觸腐蝕,提高零部件使用壽命。
對于緊固件鋁涂層的相關(guān)內(nèi)容,萬冰華等已在文獻(xiàn)[1]中進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。而在鋁涂層的實(shí)際加工過程中,勢必面臨著一個(gè)問題,那就是如何提高鋁涂層與鈦合金緊固件基體的附著力,以最大程度地發(fā)揮鋁涂層的作用。本文將對鈦合金緊固件在不同前處理方式下,采用不同附著力試驗(yàn)方法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和評價(jià),以期為相關(guān)研究及產(chǎn)品加工提供一定的參考借鑒。
在緊固件行業(yè)中,常用的鈦合金緊固件鋁涂層涂覆前處理方式主要有磷化、噴砂、藍(lán)色陽極化和脈沖陽極化,相關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)有宇航材料標(biāo)準(zhǔn)AMS2486《鈦合金氟化物-磷酸型轉(zhuǎn)化膜層》 (美國機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)編制)、ISO8080《鈦及鈦合金陽極化處理-硫酸處理》和HB/Z347《鈦及鈦合金陽極氧化工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)》 (航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))。表1詳細(xì)介紹了各種前處理方式以及標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。
表1 鈦合金不同前處理方式
除以上幾種常用的表面處理方式外,還有美國公司開發(fā)的Annro-102,其原理與磷化相似,配方并未公開。此外,近幾年來興起的鈦合金微弧氧化技術(shù)也在緊固件型號產(chǎn)品中得到應(yīng)用,成功解決了某些技術(shù)難題。
檢測涂層附著力的試驗(yàn)方法主要有膠帶法、落錘法、刮擦法以及劃格法。國內(nèi)暫無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可參考,國外的標(biāo)準(zhǔn)主要有Hi-shear294《緊固件系統(tǒng)鋁涂層》 (美國Hi-shear公司產(chǎn)品規(guī)范)、NAS4006《鋁涂層》、EN4473《航空航天系列—緊固件鋁涂層—技術(shù)規(guī)范》,其中Hishear294規(guī)定了落錘法和膠帶法,NAS4006規(guī)定了刮擦法,EN4473規(guī)定了劃格法。相關(guān)試驗(yàn)方法描述見表2。
表2 不同附著力試驗(yàn)方法
選取某100°沉頭鈦合金緊固件作為研究對象,以便于各種試驗(yàn)方法在緊固件上的實(shí)施,樣件規(guī)格選為8-8,光桿長度為10mm,頭部端面直徑為11.8mm。具體試驗(yàn)方案見表3。
表3 試驗(yàn)方案
3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)試驗(yàn)檢測,結(jié)果見表4。從表4中可以看出,除脈沖 8μm~10μm前處理方式不能滿足劃格法及落錘法試驗(yàn)要求外,其余前處理方式均能適合現(xiàn)國際常用附著力試驗(yàn)方法,典型圖片如圖1所示。
3.2.2 不同前處理方式微觀組織
鈦合金緊固件涂覆前處理的作用通常為提升漆膜附著力,但原理各不相同。圖2給出了常見前處理方式的微觀組織結(jié)構(gòu)。
表4 試驗(yàn)結(jié)果
圖1 不同前處理方式附著力試驗(yàn)結(jié)果圖示
圖2 不同前處理方式微觀組織典型圖
從圖2可以看出,不同前處理方式微觀組織有較大差別,其中藍(lán)色陽極化 (圖2 b))僅輕微腐蝕基體表面,并未影響其表面形貌,微觀組織仍可以看出機(jī)械加工車刀痕;磷化 (圖2 c))因磷化液的腐蝕作用,使基體表面呈現(xiàn)出均勻的腐蝕痕跡,并在其表面生成一層具有較為粗糙的磷化膜層;噴砂 (圖2 d))因砂粒的沖擊,導(dǎo)致微觀組織呈現(xiàn)出凹凸不平,其粗糙度大小與砂粒尺寸、噴砂工藝參數(shù)有很大的關(guān)系。藍(lán)色陽極化、磷化、噴砂前處理方式提升漆膜附著力的機(jī)理在于粗化基體表面,使漆膜流掛于其上,提升附著力。
脈沖陽極化 (圖 2 e)、f))將零件作為陽極,施加脈沖電壓,在電場和化學(xué)溶液的共同作用下從零件外表面向內(nèi)生產(chǎn)的,氧化膜層生成過程是最外層表面不斷溶解與內(nèi)層不斷生成的動(dòng)態(tài)過程,當(dāng)向內(nèi)生成速度大于外表面溶解的速度時(shí),氧化膜形成并逐漸增厚,最終在金屬表面形成一層致密且具有孔狀的脈沖膜層。從圖2中可以看到,脈沖陽極化膜層表面粗糙度較噴砂、磷化以及藍(lán)色陽極化低,即脈沖陽極化前處理方式具有整平基體表面的作用,不能使基體表面變得更加粗糙,反而變得更加平整,由此可以得出脈沖陽極化膜層提高漆膜附著力的機(jī)理在于液體漆膜可充滿脈沖陽極化膜層的孔狀結(jié)構(gòu)[2],并固化成型,以此來獲得與基體較為理想的附著力,而并非粗化基體表面。
3.2.3 脈沖 8μm~10μm 前處理劃格法及落錘法試驗(yàn)不合格原因分析
正如本文3.2.2中所述,脈沖陽極化膜層具有極細(xì)微的孔狀結(jié)構(gòu),如圖3所示。
圖3 鈦合金脈沖陽極化膜層微觀結(jié)構(gòu)圖示
根據(jù)文獻(xiàn)資料記載,脈沖陽極化膜層主要作用有:①提高零件的耐磨性能;②提高零件的硬度;③減緩甚至消除零件與鋁合金材質(zhì)間的接觸腐蝕;④作為涂漆打底層,提高漆膜與基體的附著力。
從相關(guān)資料以及原理上講,零件采用脈沖陽極化作為涂覆前處理,可有效提升漆膜與基體的附著力。然而,在進(jìn)行落錘法檢測漆膜與型號產(chǎn)品基體的附著力性能測試中發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用脈沖陽極化作為涂覆前處理時(shí),漆膜從型號產(chǎn)品頭部端面脫落。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),型號產(chǎn)品頭部端面漆膜脫落后露出的基體顏色與原脈沖膜顏色差別較大,如圖4所示。
圖4 落錘試驗(yàn)前后頭部端面顏色差異圖示
對產(chǎn)品頭部端面微觀組織分析發(fā)現(xiàn):經(jīng)落錘試驗(yàn)后,產(chǎn)品頭部端面微觀組織圖5 c)與脈沖膜微觀組織圖5 b)相差較大,反而與未經(jīng)脈沖陽極化產(chǎn)品本色狀態(tài)下微觀組織圖5 a)相似,均能看到機(jī)械加工車刀痕,如圖5所示。
圖5 不同狀態(tài)下產(chǎn)品頭部端面微觀圖
基于此,可以認(rèn)為落錘試驗(yàn)后,脈沖膜層從基體金屬表面脫落。為了進(jìn)一步證實(shí)以上判斷,對僅進(jìn)行脈沖陽極化而未涂覆的型號產(chǎn)品進(jìn)行落錘試驗(yàn),試驗(yàn)后可以很明顯看出,脈沖膜從基體上起皮脫落。落錘后頭部端面剖面圖也顯示,經(jīng)落錘試驗(yàn)后,頭部端面已觀察不到脈沖膜厚度,如圖6所示。
圖6 落錘試驗(yàn)前后脈沖膜金相微觀圖
從以上分析可以看出,型號產(chǎn)品經(jīng)落錘試驗(yàn)后,脈沖膜從基體上脫落,最終導(dǎo)致漆膜亦從基體上脫落。
從宏觀和微觀分析結(jié)果來看,當(dāng)涂覆前處理方式為脈沖陽極化時(shí),產(chǎn)品無法滿足落錘附著力試驗(yàn)檢測要求的根本原因?yàn)椋衡伜辖鹈}沖陽極化膜層自身為孔狀結(jié)構(gòu),這層脈沖膜雖具有較優(yōu)異的耐磨性及硬度,但較脆,塑性能力差,在外界巨大沖擊力的作用下,膜層脆化、破裂,從基體上脫落,最終導(dǎo)致漆膜易從基體上脫落。如圖7所示,越靠近變形區(qū)域 (受外力越大),脈沖膜變形破裂越嚴(yán)重,漆膜脫落越嚴(yán)重。
圖7 頭部端面不同區(qū)域漆膜脫落情況落錘試驗(yàn)
為進(jìn)一步說明變形量與漆膜脫落嚴(yán)重程度的關(guān)系,進(jìn)行了對比驗(yàn)證。試驗(yàn)方案及結(jié)果見表5,相關(guān)試驗(yàn)圖片如圖8所示。
表5 頭部不同變形量與端面漆膜脫落程度關(guān)系匯總表
圖8 頭部端面不同變形量與涂層脫落程度圖示
從圖8可以看出,頭部變形量越大,漆膜脫落越嚴(yán)重,換言之,頭部變形量越大,因脈沖膜塑性變形能力差,越容易破裂,最終導(dǎo)致漆膜從頭部端面脫落越嚴(yán)重。以上試驗(yàn)結(jié)果亦從側(cè)面證明落錘試驗(yàn)時(shí),漆膜脫落的根本原因在于脈沖膜受到外力影響而變形、破裂。
對于磷化、藍(lán)色陽極化、噴砂、脈沖陽極化2μm~3μm等前處理方式,鈦合金緊固件鋁涂層均能滿足常用膠帶、劃格、落錘、刮擦等附著力試驗(yàn)檢測要求;對于脈沖陽極化 8μm~10μm前處理方式,鈦合金緊固件鋁涂層可以滿足膠帶、刮擦附著力試驗(yàn)檢測要求,但不能滿足劃格、落錘附著力試驗(yàn)檢測要求。
諸多文獻(xiàn)資料顯示,脈沖陽極化前處理方式可以有效地提升基材與漆膜的附著力,但脈沖陽極化膜層較脆、抗變形能力差,當(dāng)型號產(chǎn)品必須使用脈沖陽極化作為前處理方式時(shí),則應(yīng)考慮采用型號產(chǎn)品在非變形情況下漆膜的附著力性能。