航空航天緊固件鋁涂層性能對(duì)比研究

萬(wàn)冰華 ，張曉斌，游龔君，焦莎，程艷紅，劉文韜

（1.航天精工股份有限公司，天津 300300；2.貴州電子科技職業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550000）

鈦合金緊固件以其優(yōu)異的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-4]。鋁涂層作為鈦合金緊固件的主要防護(hù)方式之一，其主要用途是減弱甚至消除緊固件與連接件之間的接觸腐蝕，同時(shí)為緊固件在裝配過(guò)程中提供一定的潤(rùn)滑效果，以降低螺紋副以及桿部與連接件安裝孔之間的摩擦力。

鋁涂層最早應(yīng)用于緊固件領(lǐng)域可追溯至Hi-Shear公司在1976年發(fā)表的專利(US 3979351)，在此基礎(chǔ)上該公司開(kāi)發(fā)了Hi-Kote1、Hi-Kote1NC和Hi-Kote4三種鋁涂層。該類涂層為Hi-Shear公司專利產(chǎn)品，僅有Hi-Shear公司以及少數(shù)獲得授權(quán)的公司具備使用權(quán)限，國(guó)內(nèi)暫無(wú)公司具備這種權(quán)利。

進(jìn)入2000年，因Hi-Shear公司的專利20年保護(hù)期已滿，世界各國(guó)開(kāi)始研制開(kāi)發(fā)各種型號(hào)的鋁涂料，如美國(guó)的INCOTEC公司、MIC公司等，均已系列化地開(kāi)發(fā)出滿足各種功能要求的鋁涂料。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域起步較晚，最早于2010年開(kāi)始研究航空航天用鋁涂料，經(jīng)過(guò)近10年的不斷發(fā)展，已形成了數(shù)個(gè)牌號(hào)，但性能參差不齊，與國(guó)外進(jìn)口鋁涂料的各項(xiàng)性能指標(biāo)仍有較大差距。

本文依據(jù)Hi-Shear公司發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)Hi-shear294Aluminum Pigmented Hi-Kote Coatings for Fastener Systems對(duì)國(guó)內(nèi)外3種典型鋁涂料的附著力、耐液性、耐脫漆劑性、脆性、耐腐蝕性、耐熱性等性能進(jìn)行檢測(cè)，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Hi-shear397Aluminum Pigmented Hi-Kote Coatings for Fastener Systems, Self-Lubricating中的壓入試驗(yàn)要求對(duì)3種鋁涂料的潤(rùn)滑性能進(jìn)行檢測(cè)，全面考察國(guó)內(nèi)外鋁涂料的性能，找出差距，為國(guó)內(nèi)鋁涂料的研究開(kāi)發(fā)提供參考建議。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣的準(zhǔn)備

選取國(guó)內(nèi)緊固件制造單位常用的2種鋁涂料，分別記為A和B，國(guó)外某型號(hào)鋁涂料記為C。

選用Ti-6Al-4V材質(zhì)的APP J11.18型緊固件(航天精工股份有限公司天津分公司生產(chǎn)，規(guī)格8-8)，外形及尺寸如圖1所示。按標(biāo)準(zhǔn)AMS2486Conversion Coating of Titanium Alloys Fluoride-Phosphate Type的要求對(duì)鈦合金緊固件進(jìn)行涂覆前處理，具體操作流程及參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 緊固件涂覆不同涂料的外觀 Figure 1 Appearance of fasteners with different coatings

表1 前處理操作流程及參數(shù) Table 1 Pretreatment procedure and operation conditions

為提升鋁涂料與基體的附著力，按涂料供應(yīng)商提供的工藝參數(shù)，采用噴涂的方式加工緊固件，噴涂工藝參數(shù)為：距離100 ～ 400 mm，壓力0.2 ～ 0.6 MPa，角度30° ～ 60°。固化條件為：溫度190 ～ 210 °C，時(shí)間120 ～ 140 min。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

在試驗(yàn)開(kāi)始前，按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)各鋁涂層進(jìn)行目視外觀檢查，所有牌號(hào)鋁涂層表面均光滑，呈現(xiàn)出均勻的金色，無(wú)氣孔、水泡、結(jié)瘤、麻點(diǎn)等缺陷，但不同鋁涂層的顏色有很大差異，如圖1所示。

使用德國(guó)徠卡的DMI 5000M型全自動(dòng)數(shù)字式顯微，按GJB 715.6-1990《緊固件試驗(yàn)方法金屬覆蓋層厚度》中5.6.2條款的方法對(duì)3種鋁涂層的厚度進(jìn)行檢測(cè)，均滿足5 ～ 13 μm的要求。

1.2.1 附著力試驗(yàn)

鋁涂層的附著力按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)中的落錘法進(jìn)行檢測(cè)。將零件置于吉林省泰和試驗(yàn)機(jī)有限公司的TCL-900型落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)下方，調(diào)整落錘的高度，使落錘自由落下將緊固件頭部壓平至桿部。在大約4倍的放大鏡下進(jìn)行檢查，緊固件頭部涂層不允許出現(xiàn)任何與基體分離的現(xiàn)象。

1.2.2 耐脫漆劑試驗(yàn)

鋁涂層耐脫漆劑試驗(yàn)按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。首先取2件涂覆鋁涂層的緊固件，按標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3363Standard Test Method for Film Hardness by Pencil Test進(jìn)行鉛筆硬度檢測(cè)。然后取2件涂覆鋁涂層的緊固件在21.11 ～ 26.67 °C下浸泡于Henkel公司生產(chǎn)的Turco5351脫漆劑中至少24 h，用自來(lái)水去除脫漆劑后檢測(cè)鉛筆硬度，與未浸泡試樣的鉛筆硬度相比不得下降超過(guò)2級(jí)，再按1.2.1節(jié)進(jìn)行附著力測(cè)試，需滿足相關(guān)要求。

1.2.3 耐流體試驗(yàn)

鋁涂層耐流體試驗(yàn)按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。首先取2件涂覆鋁涂層的緊固件，按ASTM D3363標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行鉛筆硬度檢測(cè)。然后取2件涂覆鋁涂層的緊固件在21.11 ～ 26.67 °C溫度下浸泡于Solutia Inc.生產(chǎn)的Skydrol LD-4磷酸酯液壓油中至少30 d，試樣干燥后按ASTM D3363進(jìn)行鉛筆硬度檢測(cè)，與未浸泡試樣的鉛筆硬度相比不得下降超過(guò)2級(jí)，再按1.2.1節(jié)進(jìn)行附著力測(cè)試，需滿足相關(guān)要求。

1.2.4 耐熱性試驗(yàn)

鋁涂層耐熱性試驗(yàn)按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。將涂覆鋁涂層的緊固件加熱至187.78 ～ 193.33 °C，至少保溫4 h，空氣冷卻后檢查外觀，無(wú)起泡或開(kāi)裂等缺陷則按1.2.1節(jié)進(jìn)行附著力檢測(cè)，需滿足相關(guān)要求。

1.2.5 脆性試驗(yàn)

鋁涂層脆性試驗(yàn)按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。將涂覆鋁涂層的緊固件安裝在7075-T6鋁合金板中，孔和緊固件的間隙為50.8 ～ 114.3 μm。緊固件安裝扭矩為其額定值的75% ～ 80%，在143.33 ～ 154.44 °C溫度下保溫至少72 h，然后拆除緊固件，褪除鋁涂層。采用南昌航空大學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)超聲波清洗線，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1417Standard Practice for Liquid Penetrant Testing進(jìn)行熒光滲透探傷檢查，如果發(fā)現(xiàn)有裂紋跡象，緊固件應(yīng)進(jìn)行切割、鑲嵌、拋光，在200倍放大鏡下對(duì)頭-桿圓角處和螺紋區(qū)域進(jìn)行冶金檢查。注意腐蝕前和腐蝕后均應(yīng)進(jìn)行檢查。

1.2.6 耐腐蝕性能試驗(yàn)

耐腐蝕性能試驗(yàn)按Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，包括醋酸鹽霧試驗(yàn)和交替浸漬試驗(yàn)。

1.2.6.1 試板

試板如圖2所示，材質(zhì)為7075-T6鋁合金，由Alcoa Inc.提供。在鉆孔和锪孔之前，鋁合金試板按標(biāo)準(zhǔn)MIL-A-8625Anodic Coatings for Aluminum and Aluminum Alloys的類型II進(jìn)行陽(yáng)極化，工藝參數(shù)如下：硫酸(密度1.84 g/mL)150 ～ 200 g/L，電壓17 V，電流密度0.5 ～ 2.0 A/dm2，溫度15 °C，時(shí)間50 min。

圖2 腐蝕試驗(yàn)板示意圖(D為緊固件直徑) Figure 2 Schematic diagram of corrosion test specimen (D: diameter of fastener)

采用推薦的螺母和緊固件系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行裝配。螺栓光桿直徑與試板孔直徑的干涉量為25.4 ～ 127.0 μm。每一個(gè)試板僅安裝5個(gè)緊固件，第6個(gè)孔不用試樣裝配，保留原狀態(tài)。以考察7075-T6鋁合金在未保護(hù)情況下暴露在腐蝕環(huán)境的腐蝕或剝落情況。安裝完畢后，試板采用丁酮清洗去除所有的油脂和手指印，經(jīng)清洗后干燥。

1.2.6.2 醋酸鹽霧試驗(yàn)

取2個(gè)試板，一組緊固件涂覆鋁涂層，另一組相同尺寸、材質(zhì)和熱處理狀態(tài)的緊固件按AMS-QQ-P-416Plating, Cadmium (Electrodeposited)標(biāo)準(zhǔn)的類型II級(jí)別3進(jìn)行鍍鎘。裝配完畢后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM G-85Standard Practice for Modified Salt Spray (Fog) Testing的方法A2要求連續(xù)暴露于醋酸噴霧環(huán)境中14 d。暴露結(jié)束后，所有緊固件應(yīng)小心拆卸，防止破壞試板，在水中輕輕刷除松散的腐蝕產(chǎn)物和沉積的鹽溶液。干燥后對(duì)比涂鋁緊固件和鍍鎘緊固件頭部與鋁合金板接觸部位以及相應(yīng)鋁合金板沉頭孔處腐蝕程度，涂鋁緊固件相應(yīng)區(qū)域的腐蝕程度不得較鍍鎘緊固件相應(yīng)區(qū)域的腐蝕程度嚴(yán)重。

1.2.6.3 交替浸漬試驗(yàn)

按標(biāo)準(zhǔn)NASM1312-9Fastener Test Methods — Method 9: Stress Corrosion的要求將裝配后的試板暴露于(3.5 ± 0.5)%的鹽溶液中1 000 h。分別在(150 ± 10) h、(250 ± 10) h、(500 ± 10) h、(750 ± 10) h和(1 000 ± 10) h時(shí)取出試樣，切割下一整塊鋁合金工裝板，剩余工裝板用自來(lái)水沖洗和丁酮清洗后，再次用自來(lái)水沖洗并干燥，放入鹽溶液中繼續(xù)試驗(yàn)。切割下的鋁合金工裝片用自來(lái)水沖洗腐蝕產(chǎn)物后進(jìn)行金相制樣，檢查鋁合金工裝板沉頭部位腐蝕深度是否滿足表2的要求。

表2 交替浸漬腐蝕深度要求 Table 2 Depth requirements of alternate dip corrosion

1.2.7 壓入試驗(yàn)

壓入試驗(yàn)按Hi-shear397標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。5件緊固件螺栓涂覆鋁涂層，然后安裝于厚度為12.7 mm的2024-T4板材上，保證螺栓和孔之間干涉量為76 ～ 127 μm。安裝孔應(yīng)進(jìn)行倒角，倒角后的直徑要比孔徑大1.397 mm，在倒角邊上可有0.889 mm的倒圓。5件緊固件平均壓入力不應(yīng)超過(guò)7 118 N，任何一件緊固件的壓入力不應(yīng)超過(guò)8 898 N。

2 結(jié)果與討論

2.1 附著力

如圖3所示，試驗(yàn)后3種涂料均未出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象，符合Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖3 A(a)、B(b)、C(c)涂料的附著力試驗(yàn)結(jié)果 Figure 3 Adhesion test results of the coatings of A (a), B (b), and C (c) paints

2.2 耐脫漆劑性

表面處理方式為鋁涂層的緊固件常應(yīng)用于飛機(jī)表面，然而飛機(jī)表面的防護(hù)裝飾性涂層由于受氣候和環(huán)境條件及飛行中復(fù)雜氣流的影響，會(huì)逐漸老化或脫落，因此常采用脫漆劑去除表面的舊涂層后再重新噴涂漆層[5]。在維修過(guò)程中，脫漆劑難免會(huì)接觸到鋁涂層緊固件。這就給鋁涂層的耐脫漆劑性能提出了較高的要求。從表3可知，A涂料、B涂料的耐脫漆劑性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但C涂料的耐脫漆劑性能較差，浸泡后涂層表面出現(xiàn)局部起皮、起泡和脫落現(xiàn)象，且鉛筆硬度降低了3級(jí)。TURCO5351脫漆劑中的溶劑分子滲透到涂層聚合物的分子鏈段中會(huì)導(dǎo)致涂層溶解或聚合物大分子體積增大而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力足以破壞漆膜與基材的粘合力時(shí)，漆膜就起泡、脫落[6]。因此，鋁涂料應(yīng)選用合適的樹(shù)脂類型，以提升抵抗脫漆劑溶解和溶脹的能力。

表3 耐脫漆劑試驗(yàn)結(jié)果 Table 3 Result of paint stripper resistance test

2.3 耐流體性

從表4可以看出，A涂料、B涂料、C涂料的耐流體性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 耐流體性試驗(yàn)結(jié)果 Table 4 Result of fluid resistance test

2.4 耐熱性

從表5可以看出，加熱后3種涂層均未出現(xiàn)起泡、開(kāi)裂現(xiàn)象，只是顏色均不同程度地加深，但附著力均符合要求。

表5 耐熱性試驗(yàn)結(jié)果 Table 5 Result of heat resistance test

2.5 脆性

經(jīng)脆性試驗(yàn)后，3種涂料加工的產(chǎn)品均未發(fā)現(xiàn)裂紋(如圖4所示)。

圖4 脆性試驗(yàn)典型的金相照片 Figure 4 Typical metallograph of brittleness test

脆性是考察緊固件產(chǎn)品在一定載荷下出現(xiàn)裂紋或斷裂失效的現(xiàn)象。出現(xiàn)脆性失效的原因一般為：

(1) 緊固件螺紋或頭下圓角有缺陷，在一定應(yīng)力作用下缺陷被放大；

(2) 緊固件在加工過(guò)程中產(chǎn)生析氫，在一定應(yīng)力作用下發(fā)生氫致斷裂。

對(duì)于脆性試驗(yàn)項(xiàng)目而言，因其考察的指標(biāo)與鋁涂層加工過(guò)程無(wú)直接關(guān)系，故在2014年發(fā)布的NAS4006Aluminum Coating標(biāo)準(zhǔn)的版本5中已經(jīng)將脆性試驗(yàn)取消。

2.6 腐蝕防護(hù)性能

如圖5所示，醋酸鹽霧試驗(yàn)后鍍鎘樣件所對(duì)應(yīng)的鋁合金工裝板沉頭孔處幾乎無(wú)腐蝕痕跡，A涂層的腐蝕程度與之相比整體較輕，無(wú)肉眼可見(jiàn)的任何腐蝕痕跡，B涂層及C涂層則均有肉眼可見(jiàn)的黑色腐蝕產(chǎn)物。因此，3種涂料中僅有A涂料可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，B涂料及C涂料的性能較差。

圖5 醋酸鹽霧試驗(yàn)結(jié)果 Figure 5 Result of acetic acid salt spray test

從表6可以看出，也是僅有A涂料可完全滿足交替浸漬試驗(yàn)的要求。這可能與涂料中樹(shù)脂、填料的類型及含量有很大關(guān)系。涂料生產(chǎn)商應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)調(diào)整涂料配方以獲得較為理想的腐蝕防護(hù)性能。

表6 交替浸漬試驗(yàn)結(jié)果 Table 6 Result of alternate immersion test

2.7 壓入力

從表7可以看出，不同類型涂料之間壓入力差別較大，其中A涂料壓入力較小，平均值及最大值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(前者≤7 118 N，后者≤8 898 N)。B涂料雖然平均值及最大值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但平均值及最大值均接近上限，當(dāng)干涉量繼續(xù)增加至120 μm或者涂料自身潤(rùn)滑性能有所下降時(shí)，該涂料的壓入力可能會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)要求。C涂料的壓入力無(wú)論是平均值還是最大值均嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明該涂料的潤(rùn)滑性能較差。

表7 壓入力試驗(yàn)結(jié)果匯總表 Table 7 Result of indentation test

鋁涂層自身不具有潤(rùn)滑性能，為提升其潤(rùn)滑性能，需另外加入二硫化鉬、聚四氟乙烯等類型的添加劑。由于每種涂料的添加劑類型和加入量不盡相同，因此涂層的自身潤(rùn)滑性能有所不同。涂料制造商需要全面考量外觀、附著力、耐脫漆劑、耐液性、耐腐蝕性能等指標(biāo)，在不影響以上性能的前提下，有效提升潤(rùn)滑性能。

3 結(jié)論

(1) A涂料可以完全滿足Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)的要求，壓入力也滿足Hi-shear397標(biāo)準(zhǔn)的要求；B涂料的醋酸鹽霧性能、交替浸漬性能不滿足Hi-shear294標(biāo)準(zhǔn)的要求，雖壓入力滿足Hi-shear397標(biāo)準(zhǔn)的要求，但壓入力接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限；C涂料的耐脫漆劑、醋酸鹽霧性能以及耐交替浸漬性能均無(wú)法滿足Hishear294標(biāo)準(zhǔn)的要求，壓入力性能也不滿足Hi-shear397標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 從壓入力試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，A涂料具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，在螺紋連接過(guò)程中可有效降低螺紋副之間的摩擦力，提高裝配質(zhì)量穩(wěn)定性及可靠性。

(3) 在鋁涂料研發(fā)過(guò)程中，制造商應(yīng)全面考慮涂料各成分對(duì)每個(gè)性能指標(biāo)的影響，不能顧此失彼，以犧牲某項(xiàng)性能指標(biāo)來(lái)提升其他性能指標(biāo)。

(4) 從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，國(guó)內(nèi)鋁涂層的性能指標(biāo)已超過(guò)部分國(guó)外鋁涂層，存在一定的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，后期需不斷推廣應(yīng)用，爭(zhēng)取獲得波音、空客等國(guó)際知名主機(jī)廠商的認(rèn)可。