民用航空緊固件鋁涂層性能試驗研究

李霞*，劉高峰，王文智，劉瑩瑩，連業(yè)江

（東方藍天鈦金科技有限公司，山東 煙臺 264003）

鈦合金緊固件以其優(yōu)良的綜合性能被廣泛應用于現(xiàn)代先進飛機機體結(jié)構(gòu)中，并在飛機連接裝配中與鋁合金材料接觸連接。未經(jīng)表面處理的鈦合金緊固件表面具有較高的電位，與接觸連接的鋁合金形成較大的電位差，在潮濕的大氣或海洋環(huán)境下極易產(chǎn)生電偶腐蝕，腐蝕嚴重則會導致結(jié)構(gòu)發(fā)生失效破壞。

在緊固件表面粘附一層主要成分為酚醛樹脂、鋁粉、PTFE(聚四氟乙烯)、防腐蝕顏料的涂層，可以很好地解決電偶腐蝕的問題[1-3]。目前在鈦合金緊固件表面噴涂鋁的技術(shù)已廣泛應用于全世界的航空制造業(yè)，但是我國對鋁涂層原料的配方、噴涂工藝的研究起步較晚，對鈦合金緊固件鋁涂層性能的試驗研究較少，且缺乏評價鋁涂層性能的相應標準，這一現(xiàn)狀也是制約鈦合金緊固件國產(chǎn)化的重要原因。本文結(jié)合美國宇航標準委員會頒布的測試方法、Hi-shear 公司的鋁涂層產(chǎn)品規(guī)范、歐盟標準及實際應用中的經(jīng)驗，選取附著力試驗、耐腐蝕試驗、干涉壓入試驗、耐脫漆劑試驗、干涉安裝力及脆化試驗等方法對國產(chǎn)及進口涂鋁液噴涂生產(chǎn)的鋁涂層進行全面的試驗驗證和評價，分析二者的特點和差異，旨在為國產(chǎn)涂鋁液的研發(fā)及我國鋁涂層產(chǎn)品規(guī)范的制定提供借鑒。

1 實驗

1. 1 材料

緊固件的基材是Ti-6Al-4V 合金，表面涂鋁，公稱直徑0.25 in(即0.635 cm)，夾層長度0.5 in(即1.27 cm)，最小抗拉強度160 ksi(即1 103.16 MPa)，最小剪切強度95 ksi(即655 MPa)。脫漆劑為德國漢高公司的Turco5351。甲基乙基酮、醋酸、氫氟酸、氯化鈉、無水乙醇等為市售分析純。去離子水為自制。

1. 2 設備

金相顯微鏡：德國蔡司；高溫蠕變持久試驗機(0.5 級)，深圳三思縱橫；鹽霧試驗箱：美國Singleton；萬能試驗機(0.5 級)，深圳美斯特；電熱干燥箱；恒溫水浴箱；鉛筆硬度計；鉛筆硬度工裝，PRISMACOLOR TURQUOISE 鉛筆硬度測試專用鉛筆；化學腐蝕試驗板；涂漆附著力試驗板；干涉配合試驗板；網(wǎng)格尺；刀片；軟刷。

1. 3 涂層制備

首先對緊固件進行前處理，包括堿洗除油處理、表面粗化、干燥等。將前處理完成的零件上工裝，禁止裸手接觸零件。然后分別采用國產(chǎn)涂鋁液和進口涂鋁液與固化劑、稀釋劑按比例混合攪拌，過濾后得到涂裝用涂料。由同一操作員采用噴涂的方法對緊固件進行涂裝，按照“噴涂→預固化→噴涂→固化”的工藝流程完成鋁涂層的制備。

1. 4 試驗方法

1. 4. 1 厚度

緊固件上鋁涂層厚度的檢測根據(jù)NASM 1312-12Fastener Test Methods — Method 12 Thickness of Metallic Coatings中金相法測覆蓋層厚度的要求開展，取桿部橫截面，依次進行鑲嵌、磨拋、清洗、吹干。使用500 倍金相顯微鏡獲得桿部橫斷面的顯微圖像，在顯微橫斷面長度上取5 點測量涂層厚度，以5 點平均值作為該試驗件的涂層厚度。

1. 4. 2 附著力

根據(jù)緊固件的幾何形狀特點，分別對鈦合金緊固件頭部及桿部進行附著力試驗，參考的標準是ISO 2409Paints and Varnishes — Cross-cut Test。螺栓頭部采用刀片(角度20° ～ 30°)進行切割，確保產(chǎn)生的“V”型切痕且割透涂層，要求基體材料的切痕盡量淺。采用網(wǎng)格尺來保證切痕的平行，切痕之間間隔約為1 mm，分別在縱向和橫向切出3 條垂直交錯的切痕。然后使用半年內(nèi)生產(chǎn)的3M 公司No.250 膠帶緊貼于緊固件頭部，2 min后垂直于緊固件表面迅速移除膠帶。對于緊固件的桿部，由于形狀不符合ISO 2409 的要求，采用在桿部光滑面上將涂層切開直至露出基材的方法，然后把膠帶緊貼在切口處，以垂直于緊固件表面的力猛地撕下膠帶。

1. 4. 3 鉛筆硬度

準備好鉛筆硬度測試專用鉛筆(硬度6B 至9H)，每次試驗前保持鉛芯端面為四方形。將鉛筆硬度計平放在鉛筆硬度工裝上同時接觸到試片或螺釘桿部，使儀器保持水平。將準備好的鉛筆插入儀器，使筆芯與螺釘桿部接觸后調(diào)整水平并固定鎖緊，安裝好壓塊。用拇指和食指抓在兩個輪子中心，將儀器從后往前推約20 mm即可移開儀器。將鉛筆按照由軟到硬的順序測試，第一支能將涂層刺破或擦傷的鉛筆，視為最終涂層的鉛筆硬度。在每個試樣上至少進行3 次試驗。

1. 4. 4 耐脫漆劑性能

室溫下將國產(chǎn)及進口涂鋁液涂覆的緊固件放入Turco 5351 脫漆劑中靜置24 h 后，依次進行附著力和鉛筆硬度試驗。

1. 4. 5 耐腐蝕性能

將國產(chǎn)及進口涂鋁液涂層緊固件及鍍鎘緊固件安裝在經(jīng)過陽極氧化處理的鋁合金7075-T6 板上。在鉆孔前，按標準MIL-A-8625Anodic Coatings for Aluminum and Aluminum Alloys的II 型進行硫酸陽極化處理(密封、無色)，鉆孔大小應保證孔與緊固件光桿直徑之間留出25.4 ～ 127 μm 的空隙。兩個緊固件頭部邊緣距離至少12.7 μm。使用鋁合金螺母進行緊固，安裝完成之后使用甲基乙基酮清潔裝配組件，除掉所有的油脂和指紋，靜置風干。裝配完成的試驗件進行醋酸鹽霧試驗336 h，將pH 調(diào)節(jié)并維持在2.8 ～ 3.1。試驗程序是每天4 次、每次6 h 的循環(huán)，其中包括：(1)鹽霧試驗45 min；(2)直接空氣凈化(循環(huán)干燥)2 h；(c)在相對濕度45% ～ 90%、溫度33 ～ 37 °C 的環(huán)境下保持3 h 15 min。

1. 4. 6 干涉壓入性能

干涉壓入性能試驗是分別選取15 件國產(chǎn)及進口涂鋁加十六醇試驗件，安裝在厚度12.7 mm、孔徑6.231 ～6.256 mm 的7075-T6 鋁合金工裝上。采用電子萬能試驗機，以50.8 mm/min 的加載速率施加壓力，直至螺栓光桿穿過工裝，得到壓縮試樣所用的最大載荷。

1. 4. 7 脆化

按照NASM1312-5Fastener Test Methods — Method 5 Stress Durability，試驗夾具的孔與緊固件直徑的間隙為0.025 4 ～ 0.076 2 mm，將國產(chǎn)及進口鋁涂層試樣通過試驗夾具分別裝在高溫蠕變持久試驗機上，并確保試樣至少有2 扣螺紋伸出螺母頂面，再借助夾具施加導入載荷，導入載荷等于最小極限抗拉強度(UTS)的80%。試樣在(149 ± 5) °C 的溫度下暴露72 h，最后剖開進行200 倍金相觀察，確認緊固件是否有裂紋或其他異常金相組織。

2 結(jié)果與討論

2. 1 涂層厚度

雖然NAS 4006Aluminum Coating及BMS 10-85Aluminum Pigmented Coating for Fasteners規(guī)定了涂層厚度檢測的位置應選取可視表面，且定義被19.05 mm 直徑小球接觸到的表面為可視表面，但在實際中難以操作。所以，定義出可操作性強的厚度檢測位置選取法值得研究?？紤]到緊固件鋁涂層與鋁合金基體接觸緊密的位置是頭部承載面、桿部以及螺紋，檢測的位置從這3 個位置中選取。典型的金相檢測照片如圖1 所示。10 件國產(chǎn)涂鋁液涂層的厚度檢測結(jié)果分布在7 ～ 9 μm 之間，進口涂層厚度分布在7 ～ 11 μm 之間，二者厚度差異不大，且均滿足NAS 4006 和Hi-shear 294Aluminum Pigmented HI-KOTE Coatings for Fastener Systems中對涂層厚度在5 ～ 13 μm 范圍內(nèi)的要求。

圖1 鈦合金緊固件表面鋁涂層厚度的典型金相圖Figure 1 Typical metallographs showing the thickness of aluminum coatings on Ti alloy fasteners

2. 2 附著力

附著力主要是考察常溫狀態(tài)下及受熱后鋁涂層與基體金屬之間，以及水浸泡后鋁涂層與飛機底漆之間的粘附性能。附著力直接影響到鋁涂層與連接件的裝配使用。NAS 4006 規(guī)定采用刮涂層法檢查鋁涂層的附著力，但這在緊固件頭部難以操作。BMS 10-85 和Hi-Shear 294 分別規(guī)定了沉頭緊固件采用落錘法，凸頭緊固件采用3M 膠帶法。但是膠帶的黏性及每批次的一致性難以評估，且膠帶的有效期短。所以，本文按照1.4.2 節(jié)所述的劃格法和刮涂層法分別對常溫狀態(tài)、受熱后及水浸泡后的螺栓頭部和桿部的鋁涂層附著力進行測試。

2. 2. 1 常溫及受熱后鋁涂層與基體金屬的粘附性能

將試驗件放入稱量瓶并置于加熱至190 °C 的電熱干燥箱中，靜置加熱4 h，空氣冷卻后按照1.4.2 節(jié)所述方法進行附著力測試。結(jié)果表明，常溫及受熱后國產(chǎn)與進口涂鋁液涂層的附著力均為0 級，沒有明顯差異，如圖2 所示。

圖2 受熱后國產(chǎn)(a)與進口(b)涂鋁液涂層附著力試驗的典型照片F(xiàn)igure 2 Photos showing the typical adhesion test results of the aluminum-coated fasteners prepared from domestic (a) and imported (b) products after heating

2. 2. 2 水浸泡后鋁涂層與飛機底漆的粘附性能

將國產(chǎn)及進口涂鋁液涂層試驗件裝配到試驗工裝上，并噴涂飛機底漆，模擬實際使用狀態(tài)，在去離子水中浸泡14 d，對浸泡后的試樣與未浸泡的試樣進行附著力試驗。結(jié)果表明，經(jīng)過水浸泡14 d 后，國產(chǎn)涂鋁液涂層的9 件試驗件中有5 件發(fā)生附著力降低，進口涂鋁液涂層則有8 件發(fā)生了附著力降低，最大降低1 個等級，表明國產(chǎn)涂鋁液涂層與飛機底漆的粘附性能優(yōu)于進口涂鋁液涂層。

2. 3 耐脫漆劑性能

耐脫漆劑性能檢驗是為了防止在產(chǎn)品清洗維修過程中清洗劑(脫漆劑)對緊固件表面鋁涂層造成不利影響而設定的。由表1 可知，國產(chǎn)及進口涂鋁液涂層在浸泡脫漆劑后均未出現(xiàn)附著力降低，但是從鉛筆硬度試驗結(jié)果可知，進口涂鋁液涂層的鉛筆硬度未降低，而國產(chǎn)的9 件試驗件中有2 件的鉛筆硬度從9H 降低至8H，雖滿足NAS 4006 及Hi-Shear 294 規(guī)范中不應降低2 個鉛筆硬度的要求，但是國產(chǎn)涂鋁液的耐脫漆劑性能明顯遜于進口涂鋁液。

表1 浸泡脫漆劑后緊固件表面涂鋁層的附著力及鉛筆硬度Table 1 Adhesion strength and pencil hardness of aluminum coatings on fasteners after being immersed in paint stripper

2. 4 耐腐蝕性能

耐腐蝕性能測試是模擬鈦合金涂鋁緊固件與飛機鋁合金基體的裝配狀態(tài)，考察涂鋁緊固件在嚴酷環(huán)境下耐電化學腐蝕的能力。如圖3 所示，國產(chǎn)及進口涂鋁液涂層經(jīng)過336 h 酸性鹽霧試驗后，通過目視觀察緊固件頭部邊緣與鋁合金接觸的位置均出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，國產(chǎn)涂層的腐蝕產(chǎn)物較少，進口涂層試樣中有2 件出現(xiàn)了較多的腐蝕產(chǎn)物，但二者的腐蝕程度均小于鍍鎘試驗件。為準確判定腐蝕情況，從鋁合金板上去掉緊固件，選取鋁合金板上腐蝕較嚴重的3 個位置，通過金相檢查來確定與涂鋁緊固件和鍍鎘緊固件接觸的鋁板的埋頭區(qū)和頭部周圍鋁板表面的腐蝕深度。

圖3 國產(chǎn)及進口涂鋁試驗件及鍍鎘試驗件在酸性鹽霧試驗336 h 前(a)后(b)的外觀Figure 3 Appearance of the aluminum-coated specimens prepared with domestic and imported products as well as the cadmium-electroplated specimen before (a) and after (b) acidic salt spray test for 336 h

如圖4 所示，鍍鎘件試驗板埋頭孔的腐蝕深度分別為0.155、0.122 和0.131 mm，國產(chǎn)件試驗板埋頭孔的腐蝕深度分別為0.050、0.064 和0.085 mm，進口件試驗板埋頭孔的腐蝕深度分別為0.036、0.042 和0.039 mm。由此可知，雖然目視觀察進口件腐蝕物較多，但是實際腐蝕深度卻小于國產(chǎn)件，國產(chǎn)涂鋁液涂層在耐電化學腐蝕性能上不如進口涂鋁液涂層。另外，NAS 4006 及EN 4473Aerospace Series — Aluminum Pigmented Coatings for Fasteners — Technical Specification沒有明確規(guī)定采用何種方法確定腐蝕程度，而從金相檢測結(jié)果可知，僅目視觀察是無法準確判定真正的腐蝕情況的。

圖4 鋁合金試驗板的腐蝕深度Figure 4 Corrosion depth of different aluminum alloy specimens

2. 5 干涉壓入性能

NAS 4006 和Hi-shear 294 標準均未對干涉壓入性能作出要求，但BMS 10-85 標準要求對鋁涂層進行該項試驗，其主要目的是考察鋁涂層的潤滑性[1]。試驗結(jié)果圖5 所示。國產(chǎn)和進口鋁涂層加十六醇潤滑后的干涉安裝力均在5 000 ～ 7 500 N 之間，國產(chǎn)及進口鋁涂層試驗件的干涉安裝力平均值分別為6 266 N 和6 584 N，均符合標準對0.25 in 緊固件的平均安裝力應為7 120 N 或者以下，單次安裝施加力不得超過8 900 N 的要求。

圖5 國產(chǎn)及進口鋁涂層試樣的干涉安裝力Figure 5 Interference installation forces of the aluminum-coated fasteners prepared with domestic and imported products

2. 6 脆化

由于鈦合金緊固件表面電鍍鎘后有應力脆裂現(xiàn)象發(fā)生，即螺栓安裝后在遠小于破壞應力的條件下發(fā)生脆裂。為考察鈦合金涂鋁緊固件是否會因機械加工及堿洗、酸洗、脈沖陽極化、噴涂等表面處理過程時侵入H原子或其他元素而導致緊固件在一定溫度和承載條件下發(fā)生脆斷，采用NAS 4006 標準中規(guī)定的方法將螺栓安裝在7075-T6 鋁合金板后，在150 °C 和最小極限抗拉強度的80%(即20.72 kN)的條件下保持72 h 進行脆化試驗。在試驗后采用金相檢查的方法確定試驗件的冶金特性是否發(fā)生變化。螺紋和頭下圓角這兩處容易出現(xiàn)應力脆裂的位置的金相觀察結(jié)果如圖6 和圖7 所示。可見緊固件經(jīng)過機加工、表面前處理及噴涂國產(chǎn)或進口涂鋁液后，其冶金特性未受影響，無裂紋和其他異常金相組織產(chǎn)生，國產(chǎn)及進口涂鋁試驗件的脆化性能上無明顯差異。

圖6 脆化試驗后國產(chǎn)鋁涂層試驗件的金相形貌Figure 6 Metallographic morphologies of the specimen with domestic aluminum coating after embrittlement test

3 結(jié)論

通過外觀、厚度、附著力、耐脫漆劑、脆性、電化學腐蝕、涂漆附著力、干涉安裝力測試等一系列的試驗驗證和比對可知，國產(chǎn)涂鋁液涂層在耐腐蝕性能及耐脫漆劑性能上不如進口涂鋁液涂層，其他性能則并無明顯差異。耐腐蝕性能和耐脫漆劑性能是考察鋁涂層性能最關(guān)鍵的指標，也是實際應用中最為關(guān)注的指標。因此，國產(chǎn)涂鋁液的性能仍與國外涂鋁液存在差距，應在這兩項性能上進行技術(shù)攻關(guān)，爭取早日打破國外涂鋁液的市場壟斷。目前國內(nèi)外鋁涂層產(chǎn)品規(guī)范對于鋁涂層性能的評價方法并不完善，一份評價方法準確且應用性強的國產(chǎn)民用航空緊固件鋁涂層性能評價標準亟待編制，為鈦合金緊固件國產(chǎn)化提供助力。