航空零件表面處理過程中孔保護(hù)的方法

楊含，喬永蓮，劉曉君，徐健，馬雯雯

1.沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽 110850

2.沈陽國泰飛機(jī)制造有限公司，遼寧 沈陽 110084

3.沈陽師范大學(xué)，遼寧 沈陽 110034

鋁合金具有密度小、力學(xué)性能優(yōu)異、導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能好、加工成型容易等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。據(jù)悉，國外F-22戰(zhàn)機(jī)、F-35戰(zhàn)機(jī)和以波音777、空客A380為代表的民用飛機(jī)的主體結(jié)構(gòu)用材中鋁合金占據(jù)了主體地位，而我國第二代和第三代戰(zhàn)斗機(jī)的基體結(jié)構(gòu)用材也以鋁合金為主[3-5]。但是鋁合金在自然環(huán)境中的耐蝕性較差，嚴(yán)重影響飛機(jī)零件的使用壽命[6-7]。為了提高鋁合金的抗腐蝕性能，保障飛機(jī)零部件達(dá)到預(yù)期服役年限，一般需要對(duì)其中的鋁合金材料進(jìn)行耐蝕防護(hù)處理，主要方法有化學(xué)氧化[8-10]、陽極氧化[11-13]、有機(jī)涂層涂覆[14-15]等。

隨著飛機(jī)加工和裝配技術(shù)的不斷更新迭代，對(duì)飛機(jī)的安全性能和使用壽命提出了更高要求。在零件制造過程中，為了提高零件的安全性和耐蝕性，一般會(huì)按照不同機(jī)體零件的功能和用途，在同一個(gè)零件的不同區(qū)域使用不同的表面處理工藝，如阿洛丁氧化、鉻酸陽極氧化、硫酸陽極氧化等，并且多數(shù)都涉及孔位置。即使只使用一種表面處理工藝，在復(fù)雜的機(jī)加零件成型后，為了驗(yàn)證零件材質(zhì)的安全性和可靠性，通常需要對(duì)鋁合金零件進(jìn)行熒光滲透檢查，這就需要在滲透前清洗時(shí)對(duì)精加工的孔(下文簡稱“精孔”)進(jìn)行保護(hù)，避免孔在清洗過程中被腐蝕而超差。因此，在零件的表面處理過程中需要對(duì)精孔實(shí)施臨時(shí)性保護(hù)，否則零件在表面處理過程中將會(huì)發(fā)生孔漏蝕超差的問題，嚴(yán)重時(shí)造成零件成批報(bào)廢，這對(duì)孔保護(hù)材料和保護(hù)方法的選擇提出了巨大的挑戰(zhàn)。從近幾年報(bào)道的專利來看，孔保護(hù)方法有多種，如：向緊密孔或槽填滿硫化硅酮免墊密封膠[16]，填充有機(jī)保護(hù)膠[17]，使用與孔結(jié)構(gòu)相配合的多組件堵孔結(jié)構(gòu)件[18]，以及多組件機(jī)械膨脹裝置[19]。上述方法適用于少量特殊零件的保護(hù)，但不適用于大批量零件的生產(chǎn)。本文分析了生產(chǎn)中常用孔保護(hù)方法存在的缺陷，通過材料篩選、方法改進(jìn)和實(shí)踐，探索出一套適用于航空零件表面處理過程中各類孔的保護(hù)方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 零件孔漏蝕機(jī)理分析

在傳統(tǒng)航空零件表面處理過程中使用的孔保護(hù)材料通常為耐酸堿的錐形塞。試驗(yàn)件在進(jìn)入表面處理槽液前，錐形塞在較強(qiáng)的外力作用下能夠?qū)υ囼?yàn)件精孔實(shí)現(xiàn)短暫的密封，但錐形塞不同部位受到的孔壁壓力不均衡，在試驗(yàn)件反復(fù)進(jìn)出槽液，或在冷、熱槽液中交替處理時(shí)，錐形膠塞會(huì)因反復(fù)熱脹冷縮而發(fā)生體積改變，造成錐形塞松動(dòng)，出現(xiàn)圖1所示的孔內(nèi)壁腐蝕，導(dǎo)致零件精孔局部尺寸超差。因此，要徹底解決漏蝕問題，需從錐形塞材質(zhì)、形狀、尺寸、保護(hù)方法等多方面入手進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

圖1 錐形硅橡膠塞保護(hù)漏蝕示意圖Figure 1 Sketch showing the etching of a hole protected with conical silicone rubber plug due to the leakage

1.2 試驗(yàn)材料及規(guī)格

1.2.1 基體材料

選擇航空零件常用的2024-T3裸鋁作為試驗(yàn)件，材料符合AMS-QQ-A-250/4Aluminum Alloy 2024, Plate and Sheet標(biāo)準(zhǔn)，其形狀如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)件示意圖Figure 2 Sketch of test specimen

1.2.2 保護(hù)材料

遴選T型硅橡膠塞、柱型硅橡膠塞、機(jī)械膨脹塞和可剝離保護(hù)膠作為保護(hù)材料進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 表面處理工藝流程

1.3.1 熒光滲透前清洗

溶劑清洗→孔保護(hù)→裝掛→堿清洗→溫水洗→冷水洗→脫氧→冷水洗→噴淋→干燥→卸掛→拆保護(hù)。

1.3.2 鉻酸陽極氧化+手涂阿洛丁1200S

溶劑清洗→孔保護(hù)→裝掛→堿清洗→溫水洗→冷水洗→脫氧→冷水洗→噴淋→鉻酸陽極氧化→冷水洗→噴淋→干燥→卸掛→拆保護(hù)→手涂阿洛丁1200S→冷水洗→干燥。

1.4 主要工藝參數(shù)

1.4.1 脫氧

Cr(VI)22.5 ～ 26.2 g/L，硝酸 75.0 ～ 105.0 g/L，Cu2+≤ 300.0 mg/L，Al3+≤ 17.0 g/L，溫度 15.0 ～ 35.0 ℃，單面腐蝕速率 20.3 ～ 25.4 μm/h，時(shí)間 15 ～ 20 min。

1.4.2 鉻酸陽極氧化

游離鉻酸35.0 ～ 47.5 g/L，六價(jià)鉻總量≤100 g/L，氯化物(按NaCl計(jì))≤0.2 g/L，硫酸鹽(按計(jì))≤0.5 g/L，溫度32 ～ 38 ℃。零件浸入溶液后7 min內(nèi)使電壓從0 V升至22 V，再在22 V下陽極氧化38 min。

1.4.3 手涂阿洛丁1200S

商用 Alodine1200S 15 ～ 22 g/L，硝酸 15 mL/L，pH 1.3 ～ 1.8。

1.5 孔保護(hù)試驗(yàn)過程

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐中常見的孔類型和各自特點(diǎn)，分別采用不同的保護(hù)材料進(jìn)行試驗(yàn)，具體防護(hù)方式列于表1。

表1 試驗(yàn)件保護(hù)方式Table 1 Methods for protection of different holes

1.5.1 T型硅橡膠塞孔保護(hù)試驗(yàn)

市場上采購的單個(gè)T型硅橡膠塞的有效保護(hù)長度通常為5 mm，且T型硅橡膠塞尾部設(shè)計(jì)有施壓部位，外形與“瓶塞”類似。在孔保護(hù)時(shí)，得益于尾部“瓶塞”式的設(shè)計(jì)，無需借助其他工具，對(duì)尾部稍加外力即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)，具有使用方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。在使用方法上，T型硅橡膠塞既可以單獨(dú)在孔深＜5 mm的零件上使用，也可以通過雙側(cè)同時(shí)保護(hù)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔深＞10 mm的零件的保護(hù)(如圖4所示)。在T型膠塞尺寸選擇方面，孔徑小于10 mm時(shí)，膠塞直徑應(yīng)比孔徑大0.5 mm；孔徑在10 ～ 20 mm范圍內(nèi)時(shí)，膠塞直徑應(yīng)比孔徑大l ～ 2 mm；孔徑大于20 mm時(shí)，膠塞直徑應(yīng)比孔徑大2 mm。當(dāng)使用的保護(hù)膠塞直徑大于20 mm，且為雙側(cè)保護(hù)時(shí)，可借助小型注射器對(duì)保護(hù)空腔抽真空，進(jìn)一步增強(qiáng)膠塞和零件孔配合的緊密程度。

圖4 T型硅橡膠塞通孔保護(hù)示意圖Figure 4 Sketch showing the protection of through hole with T-type silicone rubberplug

1.5.2 柱型硅橡膠塞孔保護(hù)試驗(yàn)

柱型硅橡膠塞由于尾部設(shè)計(jì)了手拉部位，也被形象地稱為“手拉塞”。在使用柱型硅橡膠塞時(shí)無需借助其他工具，可手工保護(hù)。在尺寸選擇方面，當(dāng)孔徑小于16 mm時(shí)，膠塞直徑應(yīng)比孔徑大1 mm；孔徑大于16 mm時(shí)，膠塞直徑應(yīng)比孔徑大l ～ 2 mm?？讖皆酱螅x用的膠塞直徑與孔徑之差應(yīng)越大。在使用方法上，當(dāng)孔徑≤35 mm時(shí)，單獨(dú)使用柱型硅橡膠塞就可實(shí)現(xiàn)孔保護(hù)，如圖5所示。

圖5 柱型硅橡膠塞通孔保護(hù)示意圖Figure 5 Sketch showing the protection of through hole with columnar silicone rubber plug

1.5.3 機(jī)械膨脹塞保護(hù)試驗(yàn)

由于臺(tái)階孔的結(jié)構(gòu)比較特殊，T型硅橡膠塞或柱型硅橡膠塞都不能起到有效的保護(hù)作用，因此專門設(shè)計(jì)了圖3c所示的機(jī)械膨脹塞。在使用機(jī)械膨脹塞時(shí)，首先將螺栓旋松，使其中的圓形硅膠恢復(fù)擠壓形變前的狀態(tài)，然后將其完全推進(jìn)臺(tái)階孔內(nèi)，再慢慢旋緊螺栓以帶動(dòng)兩側(cè)的PTFE(聚四氟乙烯)擠壓片，使圓形硅膠逐漸膨脹變大，直到嚴(yán)密貼合孔壁為止，如圖6所示。

圖6 機(jī)械膨脹塞對(duì)臺(tái)階孔保護(hù)的示意圖Figure 6 Sketch showing the protection of stepped hole with mechanical expansion plug

1.5.4 可剝離保護(hù)膠保護(hù)試驗(yàn)

可剝離保護(hù)膠為黑色液體狀，易于成膜，保護(hù)時(shí)需要借助毛筆刷涂。在使用可剝離保護(hù)膠前，首先要清理干凈零件孔表面，確保表面無油污、鋁屑等外來污染物及雜質(zhì)。在常溫下分3次刷涂，刷涂間隔為20 min，每次刷涂前要在確認(rèn)膜層失黏后方可進(jìn)行，完成3次刷涂后常溫固化2 h，下槽。其保護(hù)效果如圖7所示。

圖7 可剝離保護(hù)膠對(duì)臺(tái)階孔及通孔的保護(hù)示意圖Figure 7 Sketch showing the protection of stepped hole and through hole with strippable sealant

2 結(jié)果與討論

不同方法的孔保護(hù)效果見表2。

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表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results

2.1 T型硅橡膠塞的保護(hù)效果

從表2中1.1#和1.2#試驗(yàn)件的保護(hù)效果可以看出，當(dāng)13 mm ＜ 孔徑 ≤ 60 mm時(shí)，T型硅橡膠塞的保護(hù)效果可達(dá)到Ⅱ級(jí)；當(dāng)3 mm ＜ 孔徑 ≤ 13 mm時(shí)，T型硅橡膠塞的保護(hù)效果可達(dá)到I級(jí)。不同孔徑的保護(hù)效果存在差異的主要原因是：T型硅橡膠塞直徑大于13 mm時(shí)主要的有效保護(hù)部位為空心結(jié)構(gòu)，T型硅橡膠塞直徑小于等于13 mm時(shí)主要的有效保護(hù)部位為實(shí)心結(jié)構(gòu)，正是這種結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致膠塞在復(fù)雜的表面處理環(huán)境下保護(hù)效果有所不同。另外，T型硅橡膠塞因其“瓶塞”外形和單、雙向保護(hù)的特點(diǎn)，而具有保護(hù)效率高、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，尤其在相鄰?fù)目妆Ｗo(hù)方面更具優(yōu)勢。

2.2 柱型硅橡膠塞的保護(hù)效果

從表2中2#試驗(yàn)件的保護(hù)效果可以看出，當(dāng)孔徑≤35 mm時(shí)，柱型硅橡膠塞的保護(hù)效果均可達(dá)到I級(jí)。這主要是因?yàn)橹凸柘鹉z塞的彈性比T型硅橡膠塞更好。對(duì)同孔徑零件進(jìn)行保護(hù)時(shí)，柱型硅橡膠塞的可選尺寸比T型硅橡膠塞更大，因此對(duì)孔的保護(hù)更加緊密。同時(shí)柱型硅橡膠塞尾部有手拉設(shè)計(jì)，保護(hù)效率高、使用便捷，在小孔保護(hù)方面的優(yōu)勢更為顯著。

2.3 機(jī)械膨脹塞的保護(hù)效果

從表2中3#試驗(yàn)件的保護(hù)效果可以看出，機(jī)械膨脹塞的保護(hù)效果達(dá)到Ⅱ級(jí)，可用于生產(chǎn)。但因其特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和使用方法，與T型和柱型硅橡膠塞相比稍顯笨拙，保護(hù)效率低。另外，機(jī)械膨脹塞的制造成本高，也不能批量生產(chǎn)或采購，因此僅限于小批量使用。

2.4 可剝離保護(hù)膠的保護(hù)效果

從表2中4#和5#試驗(yàn)件的保護(hù)效果可以看出，刷涂可剝離保護(hù)膠的保護(hù)效果達(dá)到Ⅱ級(jí)，可用于生產(chǎn)。在常溫條件下，保護(hù)膠通常需要刷涂3遍，刷涂間隔為20 min，刷涂最后一層后距離下槽前，至少要在室溫下干燥2 h，并且應(yīng)仔細(xì)檢查，表面無鼓包、起泡等現(xiàn)象時(shí)才能達(dá)到最佳保護(hù)效果。可剝離保護(hù)膠因具有液體形態(tài)，易凝固、結(jié)合力好的特點(diǎn)，可用于大多數(shù)類型的孔保護(hù)。但是其操作工序多、耗時(shí)長，因此適宜在上述3種方法均難以保護(hù)的情況下(如孔徑大、孔深大、孔位置特殊的零件)，作為一種補(bǔ)充方法來使用。

3 結(jié)論

(1) 在航空零件表面處理過程中，可根據(jù)孔的特點(diǎn)和類型，單獨(dú)或組合使用T型硅橡膠塞、柱型硅橡膠塞、機(jī)械膨脹塞或刷涂可剝離保護(hù)膠的方法進(jìn)行保護(hù)。

(2) T型硅橡膠塞在孔徑≤13 mm或相鄰?fù)目妆Ｗo(hù)方面具有優(yōu)勢；柱型硅橡膠塞在孔徑＜ 35 mm的范圍內(nèi)均可使用，且效果優(yōu)異，但較深的孔將受到膠塞有效保護(hù)長度的限制；機(jī)械膨脹塞由于制造成本高、保護(hù)效率低，僅適合臺(tái)階孔小批量使用；可剝離保護(hù)膠的適用范圍廣，但存在工序復(fù)雜、耗時(shí)的缺點(diǎn)，一般作為補(bǔ)充方法選擇性使用。

(3) 本文介紹的保護(hù)材料和保護(hù)方法不僅適用于鋁合金材料熒光滲透前清洗、阿洛丁氧化、鉻酸陽極氧化等表面處理過程中的孔保護(hù)，在鈦合金酸洗、鋁合金硬質(zhì)陽極氧化等零件保護(hù)方面也具有顯著的效果，液體可剝離保護(hù)膠還可用于面或槽的保護(hù)。