火箭貯箱機銑零件非陽極氧化表面涂漆可行性分析

尚洪帥，劉鳳財，李曼，韓磊，范全勝，索雁偉

（1.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462；2.首都航天機械有限公司，北京 100076）

鋁合金硫酸陽極氧化工藝廣泛應(yīng)用于航空航天產(chǎn)品加工過程中[1-3]，但該工藝具有污染重、毒性大、耗能高的缺點。因此，從縮短運載火箭產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低制造成本、滿足未來高密度發(fā)射任務(wù)需求方面考慮，對于火箭貯箱零件，需要取消陽極氧化生產(chǎn)，在提高生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)運載火箭的綠色制造。

現(xiàn)階段，運載火箭貯箱鋁合金零部組件多采用機械銑切(簡稱機銑)的方式進行減薄、減重[4]。然而機銑零件表面光滑，粗糙度低，容易導(dǎo)致漆層大面積脫粘。本文提出微腐蝕工藝方案，有效解決了上述問題，經(jīng)微腐蝕后的鋁合金機銑零件涂漆后的漆層附著力滿足航天型號產(chǎn)品的要求。

1 實驗

1.1 材料及設(shè)備

2219鋁合金機銑試片，200 mm × 50 mm × 5 mm；2219鋁合金貯箱壁板，直徑3 350 mm；FH-1四防漆；超聲波測厚儀，美國GE公司；粗糙度測量儀，德國馬爾公司；附著力檢測儀，上海普申公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 機銑表面噴漆試驗方法

按照航天產(chǎn)品涂裝工藝要求，2219鋁合金機銑試片進行除油、清理后直接在基材表面噴涂20 ~ 30 μm四防漆，經(jīng)室溫(≥15 °C)固化24 h后，檢測漆層的附著力等級。

同步開展對比試驗，對2219鋁合金機銑試片上50%的面積進行硫酸陽極氧化，隨后噴涂四防漆，分別檢測陽極氧化表面、機銑表面漆層的附著力等級。

1.2.2 微腐蝕試驗方案

在NaOH的質(zhì)量濃度均為40 ~ 60 g/L，溫度為50 ~ 70 °C的條件下研究NaOH?添加劑A和純NaOH兩種溶液體系中腐蝕不同時間(前者5、10、15或20 min，后者2、5、10或15 min)對鋁合金試片表面狀態(tài)的影響。通過檢測試片表面形貌以及表面粗糙度、腐蝕速率、腐蝕后漆層附著力等性能指標，得出最佳腐蝕溶液體系及該體系下的最優(yōu)腐蝕時間。

1.2.3 典型試驗件的驗證試驗

在上述優(yōu)化溶液體系和工藝參數(shù)下進行貯箱典型筒段壁板和短殼壁板的微腐蝕試驗，驗證上述方案在具有曲率結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品上的適用性。

1.3 評價方法與標準

(1) 表面形貌：目視觀察腐蝕前后試片的光亮程度，檢查腐蝕試片的表面形貌。

(2) 表面粗糙度：在試樣表面選取8個點，用電刻筆進行標注，采用粗糙度測量儀測量腐蝕前后的粗糙度Ra。

(3) 腐蝕速率：采用超聲波測厚儀對試片標注處進行厚度(δ)測量，記錄減薄厚度Δδ。通過Δδ/t計算腐蝕速率vcorr，其中t為腐蝕時間。

(4) 附著力：按照GB/T 9286–2021《色漆和清漆 劃格試驗》的要求進行劃格測試，運載型號漆層的附著力小于等于1級即為合格。

2 結(jié)果與討論

2.1 機銑表面噴漆試驗

機銑試片直接噴漆后，漆層與基材表面出現(xiàn)大面積脫粘現(xiàn)象(如圖1所示)，脫粘均面積不少于15%，附著力≥2級，不滿足質(zhì)量要求。

圖1 機銑表面漆層附著力測試結(jié)果Figure 1 Adhesion test result of the coating on milled surface

從圖2所示的對比試驗結(jié)果可以看出，進行陽極氧化后的試片與漆層附著力良好，無起皮、脫粘現(xiàn)象，附著力等級均≤1級。未進行陽極氧化后的試片出現(xiàn)大面積脫粘現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明，機銑后試片表面過于光滑，表面狀態(tài)不滿足噴漆要求，而表面經(jīng)陽極氧化處理后，膜層多孔結(jié)構(gòu)有助于漆料中分子吸附，有利于提高基材與漆層附著力強度。

圖2 陽極氧化表面與機銑表面漆層附著力的測試結(jié)果Figure 2 Adhesion test results of the coatings on anodized surface and milled surface

2.2 微腐蝕試驗

2.2.1 腐蝕形貌及粗糙度

在NaOH?添加劑A溶液體系中，試片經(jīng)過5 min及更長時間腐蝕后，原本的光亮色褪去，變成啞光色，表面呈現(xiàn)出“坑坑洼洼”腐蝕點，如圖3所示。顯然該腐蝕反應(yīng)對試片毛化和粗化具有促進作用。從表1可以看出，隨著腐蝕時間不斷延長，表面粗糙度持續(xù)增大，進一步表明腐蝕可有效提高基材的表面粗糙度。

圖3 NaOH?添加劑A溶液體系中腐蝕不同時間后試片的外觀Figure 3 Appearance of specimens after being corroded in NaOH solution containing additive A for different time

表1 NaOH?添加劑A溶液體系中腐蝕不同時間后試片的表面粗糙度Table 1 Surface roughness of specimens after being corroded in NaOH solution containing additive A for different time

NaOH溶液體系中，試片經(jīng)過2 min浸泡后機加光面同樣褪去，變成啞光色(如圖4所示)，此時的腐蝕狀態(tài)與在NaOH?添加劑A溶液體系中浸泡5 min時的腐蝕狀態(tài)基本相同。表2表明，在NaOH溶液體系中隨著腐蝕時間不斷延長，試樣的表面粗糙度同樣持續(xù)增大。

表2 NaOH溶液體系中腐蝕不同時間后試片的表面粗糙度Table 2 Surrface roughness of specimens after being corroded in pure NaOH solution for different time

圖4 NaOH溶液體系中腐蝕不同時間后試片的外觀Figure 4 Appearance of specimens after being corroded in pure NaOH solution for different time

2.2.2 腐蝕速率測試

如圖5所示，NaOH?添加劑A溶液體系中鋁合金的腐蝕速率與腐蝕時間基本成線性關(guān)系，在0.005 ~0.006 mm/min范圍內(nèi)變化。對比圖5和圖6可知，鋁合金在單一NaOH溶液體系中的腐蝕速率比在NaOH?添加劑A溶液體系中快，浸泡2 min時的腐蝕減薄量已達0.03 mm，進一步表明了添加劑A在鋁合金腐蝕溶液中具有緩蝕作用。另外，NaOH溶液體系的腐蝕速率前期變化較快，后期變慢。

圖5 NaOH?添加劑A溶液體系中鋁合金的腐蝕速率Figure 5 Corrosion rate of aluminum alloy in NaOH solution containing additive A

圖6 NaOH溶液體系下的腐蝕速率Figure 6 Corrosion rate of aluminum alloy in pure NaOH soluti

綜上所述，在兩種腐蝕溶液體系中，機銑試片經(jīng)過不同時間腐蝕后其表面粗糙度均有提高，其中含添加劑A的NaOH溶液體系中鋁合金的腐蝕速率穩(wěn)定性更高。

2.2.3 噴漆試驗

試驗結(jié)果表明，在純NaOH溶液中經(jīng)過至少2 min或在NaOH?添加劑A體系溶液中經(jīng)過至少5 min腐蝕之后，試片切口交叉處漆層在室溫固化24 h后無脫落現(xiàn)象出現(xiàn)，符合附著力不大于1級的要求，如圖7所示。這進一步說明試片經(jīng)不同時間腐蝕后均可提高漆層在基材上的附著力，滿足噴漆質(zhì)量要求。

圖7 微腐蝕后漆層附著力檢測結(jié)果Figure 7 Adhesion test results of the coatings on micro-etched substrates

2.2.4 典型試驗件的驗證實驗

貯箱壁板試驗件經(jīng)腐蝕后表面呈啞光色，存在大量微腐蝕坑(如圖8所示)，表面粗糙度得到了一定提高。

圖8 試驗件腐蝕前(a)、后(b)的外觀Figure 8 Appearance of the specimens before (a) and after (b) corrosion

如圖9所示，試驗件表面噴漆后，表面漆層平整性良好，無起皮現(xiàn)象，附著力均在0級或1級，滿足噴漆附著力要求。

圖9 微腐蝕后試驗件漆層外觀(a)及附著力檢測結(jié)果(b)Figure 9 Appearance (a) and adhesion test result (b) of the coatings on micro-etched specimens

綜上所述，從工藝穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率方面考慮，最終選定微腐蝕工藝是在含添加劑A的40 ~ 60 g/L NaOH溶液(50 ~ 70 °C)中腐蝕 5 min。

3 結(jié)語

針對火箭貯箱鋁合金機銑零件，制定了微腐蝕工藝方案。在該工藝方案下能夠保證機銑零件非陽極化表面基材上四防漆的附著力，滿足質(zhì)量要求。