FR46-3外防熱涂層自動噴涂工藝方法研究

高金鳳 李 兵 王 靜 王 蒙 王 德

（內(nèi)蒙合成化工研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

當(dāng)飛行器在大氣層中高速飛行時，由于惡劣的氣動熱環(huán)境[1,2]，導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)材料的高強(qiáng)度金屬和復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。外防熱涂層的使用，有效起到了防熱隔熱的作用，保證了高溫條件下結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和剛度[3,4]。內(nèi)蒙合成化工研究所作為熱防護(hù)材料領(lǐng)域的專業(yè)研究所，先后研制出外防熱、電磁屏蔽、抗激光、防靜電和防腐蝕等多種功能性涂層材料，產(chǎn)品已逐步實(shí)現(xiàn)系列化，并在多個型號上得到了批產(chǎn)應(yīng)用。其中，F(xiàn)R46系列外防熱材料包括低密度隔熱材料、抗熱流沖刷材料、復(fù)合型抗高熱流的防熱材料等多個產(chǎn)品，能夠滿足不同型號的防熱需求。FR46-3是一種新型外防熱涂層材料，該材料抗熱流沖刷能力強(qiáng)，具有較高的韌性，能夠滿足各種復(fù)合材料殼體的變形匹配要求，其主要性能見表1。

表1 FR46-3外防熱涂層的技術(shù)指標(biāo)

將FR46-3涂層涂覆于Ф540復(fù)合材料的小型試驗(yàn)器表面，并開展了水壓爆破試驗(yàn)。結(jié)果表明該涂層表面沒有裂紋，其韌性可滿足復(fù)合材料殼體的變形要求。

利用等離子燒蝕裝置和背溫在線測試系統(tǒng)，模擬一定的熱流密度條件（454kW/m2×130s），對FR46-3涂層及其他單位性能較好的防熱涂層進(jìn)行了熱流燒蝕試驗(yàn)。試樣采用鋁板表面涂覆外防熱涂層，其中鋁板尺寸80×80×1.8 mm，涂層厚度3.5 mm。試驗(yàn)表明，F(xiàn)R46-3涂層燒蝕試樣的表面狀態(tài)、背壁溫升等與其他單位性能較好的防熱涂層相當(dāng)，因此由于該涂層較高的韌性而使其應(yīng)用范圍更為廣闊。FR46-3外防熱材料的制備工藝成熟，施工工藝一直靠實(shí)物成型經(jīng)驗(yàn)積累，沒有可量化的工藝參數(shù)范圍和標(biāo)準(zhǔn)。在噴涂成型前，無法判定涂層的工藝參數(shù)范圍，嚴(yán)重影響了外防熱層生產(chǎn)工藝的可操作性和生產(chǎn)進(jìn)度。本文為解決外防熱涂層自動噴涂工藝參數(shù)無法判定的問題，結(jié)合已成型的工件表面自動噴涂的工藝參數(shù)及材料本體性能，確定了不同直徑工件表面防熱涂層的自動噴涂工藝參數(shù)范圍。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試件制備

1.1.1 外防熱涂料制備

FR46-3涂料制備按照《FR46-3外防熱材料規(guī)范》制備，將涂料攪拌均勻后置于塑料瓶中，自然散射光下，目測物料為棕黃色粘稠物。

1.1.2 噴涂準(zhǔn)備

準(zhǔn)備長1500mm，直徑分別為Φ450mm、Φ760mm、Φ1100mm、Φ1400mm的三個工件，工件表面用聚四氟乙烯粘貼式脫模布進(jìn)行保護(hù)處理。自動噴涂設(shè)備：非標(biāo)往復(fù)式噴涂機(jī)。供壓系統(tǒng)：高壓柱塞泵。試樣制作：按照噴涂工藝參數(shù)，將防熱層成型至約2.2 mm。

1.1.3 固化條件

噴涂完畢后，晾置8h以上，轉(zhuǎn)至（55±5）℃烘房內(nèi)，固化（12±2）h。

1.2 性能測試

外觀檢查：目視涂層表面平整、無流掛。

密度測試：電子天平（AX205，瑞士METTLE TOLEDO），執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)QJ 917A。試件在（5～35）℃條件下固化（5～7）d，或涂層表干后在（70±5）℃下固化（4～6）h，邵氏硬度大于80即可進(jìn)行送樣測試。硬度測試：邵氏A型硬度計（北京時代之峰科技有限公司）。試件在一定溫度下晾置或固化一定時間后，自然冷卻至室溫，室溫控制在（23±5）℃，試件和硬度計在此溫度下放置24h以上，才可進(jìn)行硬度測試。測試時試件底部墊2mm以上平整鋁板或鐵板，以減小誤差。壓針距離試樣邊際至少12mm，每個試件取五個不同位置的點(diǎn)進(jìn)行測試，每點(diǎn)相距5mm以上，壓足和試樣接觸后1s內(nèi)讀數(shù)，測試結(jié)果取算術(shù)平均值作為試件硬度值，圖1。

圖1 邵氏A型硬度計

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)影響分析

自動噴涂工藝的主要參數(shù)有：霧化壓力、上料壓力、噴槍移動速度和工件轉(zhuǎn)動速度，同時防熱涂層材料的粘度、噴槍與殼體的距離也會影響噴涂質(zhì)量和效果。自動噴涂系統(tǒng)的供氣壓力分為上料壓力和霧化壓力兩部分。上料壓力主要影響出料量，壓力過小會導(dǎo)致供料不足，難以噴涂到工件表面，壓力過大則會導(dǎo)致出料量大，無法霧化。而霧化壓力主要影響涂料的霧化效果，壓力過小會導(dǎo)致涂料無法霧化或霧化范圍太窄，殼體表面某些部位涂層難以全部覆蓋，壓力過大會導(dǎo)致輕質(zhì)填料飛散，導(dǎo)致密度超差。

2.2 不同直徑工件涂層噴涂工藝研究

在長1500mm，直徑分別為Φ760mm、Φ1100mm、Φ1400mm的三個工件表面，分別噴涂FR46-3防熱涂層，以目視涂層表面平整、無流掛為判定原則，對固化后的防熱層進(jìn)行密度及硬度測試。三個工件表面FR46-3防熱層的自動噴涂工藝參數(shù)見表2。

從表2中可以看出，涂料粘度、噴涂距離、霧化壓力、上料壓力這四個工藝參數(shù)與材料本體有關(guān)，基本不受工件直徑影響，因而這四個工藝參數(shù)范圍也可用于任何直徑工件FR46-3防熱涂層材料自動噴涂工藝中。噴槍移動速度和工件轉(zhuǎn)動速度的控制主要影響涂層的均勻性。如果噴槍移動速度較快而工件轉(zhuǎn)動速度較慢就會出現(xiàn)涂料不能全覆蓋殼體的現(xiàn)象；而工件轉(zhuǎn)動速度過快而噴槍移動速度過慢會因上料量偏大而造成流掛，因此應(yīng)確定噴槍移動速度和工件轉(zhuǎn)動速度的合理控制范圍，使兩者能夠有效匹配。表3列出了自動噴涂設(shè)備中工件轉(zhuǎn)速與噴槍移動速度對應(yīng)關(guān)系。表4列出了三個不同直徑工件轉(zhuǎn)速與噴槍移動速度對應(yīng)關(guān)系。

表3 工件轉(zhuǎn)速與噴槍移動速度對應(yīng)關(guān)系

表4 不同直徑工件轉(zhuǎn)速與噴槍移動速度對應(yīng)關(guān)系

從表3可以看出，不同直徑的工件轉(zhuǎn)一圈噴槍移動距離均在9～11mm之間。這樣可以達(dá)到較好的防熱涂層材料噴涂效果。按照殼體轉(zhuǎn)一圈噴槍移動最佳距離，計算Φ450mm工件的轉(zhuǎn)速與噴槍移動速度的匹配數(shù)據(jù)，見表5。

表5 Φ450mm工件轉(zhuǎn)速與噴槍移動速度

從表4可以看出，符合計算條件的Φ450mm工件轉(zhuǎn)速與噴槍移動速度的匹配數(shù)據(jù)共四組。根據(jù)Φ760mm、Φ1100mm、Φ1400mm的三個工件的實(shí)際應(yīng)用情況，可以看出，隨著工件直徑的變小，工件轉(zhuǎn)速需要相應(yīng)增大，才能保證涂料不會堆積、流掛。Φ450mm工件外徑比Φ760mm小將近300mm，因而，選擇第三組和第四組工藝參數(shù)更為適合。對Φ450mm工件進(jìn)行自動噴涂試驗(yàn)，應(yīng)用的工件轉(zhuǎn)速與噴槍移動速度分別為（40～50）Hz和2000Hz。

3 結(jié)論

通過對不同直徑工件FR46-3外防熱涂層的自動噴涂工藝參數(shù)、性能數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，計算得出FR46-3外防熱材料的自動噴涂工藝參數(shù)范圍，經(jīng)Φ450mm工件上自動噴涂工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論工藝參數(shù)的可行性，可推廣至不同直徑工件表面進(jìn)行FR46-3防熱涂層自動噴涂成型。