表面處理和膠瘤對航天器結(jié)構(gòu)用鋁合金膠接剝離強度的影響

李鶯歌，周占偉，曹克寧，李家峰，徐 挺，黎 昱，陳維強

（1.中國空間技術(shù)研究院 通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部；2.北京衛(wèi)星制造廠有限公司：北京 100094）

0 引言

膠接是在一定的工藝條件下，通過膠粘劑使兩個或多個固體材料的表面連接成一體，最終形成結(jié)構(gòu)完整、耐久性優(yōu)良、具有一定強度構(gòu)件的連接技術(shù)[1-2]。與焊接和機械連接的方法相比，膠接一方面對被膠接材料和構(gòu)件本身沒有破壞性，對制品的外觀影響小，可以做到無縫連接且由于不使用螺栓、鉚釘可減輕接頭重量，進而實現(xiàn)構(gòu)件質(zhì)量減小；另一方面膠接避免了焊接和鉆孔引起的應(yīng)力集中，具有較強的疲勞耐久性；同時，膠接還具有工藝簡便、適用范圍廣、構(gòu)件強度高、壽命長、制造成本低等獨特的優(yōu)點，是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中最為理想的連接方式之一[3-5]。國內(nèi)外航天器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的鋁合金蜂窩夾層承力構(gòu)件和金屬傳力接頭等均采取膠接連接，如：B-58 重型超聲速轟炸機采用的膠接壁板占全機總面積的85%，其中蜂窩夾層結(jié)構(gòu)占比達90%；某飛機機身采用膠接技術(shù)使結(jié)構(gòu)減重15%，總費用節(jié)約25%～30%；某小型飛機采用膠接代替鉚接從而減重20%，強度提高30%[6-7]。

直接影響膠接性能與膠接強度的關(guān)鍵因素之一是被膠接材料表面的狀態(tài)和性質(zhì)，因此對被膠接材料進行表面處理可以起到清潔膠接面、提高表面能以及增加表面積的效果，是促進膠粘劑與被膠接表面形成良好浸潤和接觸、獲得理想膠接構(gòu)件的關(guān)鍵工序[8-9]。為此，國內(nèi)外研究人員嘗試采用物理、化學(xué)/電化學(xué)、激光、等離子等各種方法對被膠接材料的表面進行處理以提升膠接性能[7]。近百年來，鋁合金因其輕質(zhì)、易加工、抗腐蝕且比強度高過很多合金鋼的優(yōu)點而成為理想的航空航天機體結(jié)構(gòu)材料[10]。對于鋁合金，國內(nèi)航天系統(tǒng)工程中常用的表面處理方法主要包括有機溶劑清洗、砂紙打磨和磷酸陽極氧化處理[11]。其中，磷酸陽極氧化是一種典型的表面處理技術(shù)，是通過電化學(xué)反應(yīng)在鋁合金表面制備出一層多孔的氧化鋁膜層；該透明膜層不僅與鋁合金基體的結(jié)合力強、耐蝕性能好，且可用極化玻璃進行檢查，便于在適當?shù)姆秶鷥?nèi)對工藝參數(shù)進行控制，為鋁合金產(chǎn)品提供良好的表面膠接性能。研究發(fā)現(xiàn)磷酸陽極氧化表面的膠接性能優(yōu)于硫酸陽極化的，更優(yōu)于鉻酸陽極化的[7]。但在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，采取不同表面處理方法所獲得的膠接強度差異較大；即使按照Q/W 847—1999《鋁及鋁合金磷酸陽極氧化工藝規(guī)范》對同類構(gòu)件都采取磷酸陽極氧化處理方法，由于規(guī)范中對部分工藝參數(shù)的選取范圍規(guī)定較寬，也會導(dǎo)致不同處理批次的構(gòu)件其膠接剝離強度差異較大。

為適應(yīng)高可靠、長壽命航天器的發(fā)展需求，進一步優(yōu)化工藝方法、細化量化工藝參數(shù)、明確操作要求，本文采取不同的表面處理方法分別制備鋁合金金屬對金屬，以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的膠接試樣，在常溫常壓環(huán)境條件下進行剝離強度測試，并根據(jù)測試結(jié)果分析試樣周圍有/無膠瘤，以及采用有機溶劑清潔、砂紙打磨后再清潔、不同堿洗時間和磷酸氧化液濃度下的磷酸陽極氧化表面處理方法對膠接剝離強度的影響。

1 實驗設(shè)計

1.1 試樣制備

由相同操作人員，采用同批次、同規(guī)格、同牌號材料，在相同設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境中使用相同的表面處理、膠接和固化成形工藝，分別制備金屬對金屬，以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的膠接試樣。

1.1.1 加工及表面處理工藝

試樣均選用LY12CZ 鋁板；金屬對金屬膠接試樣（圖1）底板厚3 mm，撓性板厚0.3 mm；蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接試樣（圖2）底板厚2 mm，撓性板厚0.3 mm。蜂窩芯材料為LF2-Y，規(guī)格為0.05/3，高15mm。

圖1 金屬對金屬膠接試樣示意Fig.1 Schematic diagram of metal to metal bonded sample

圖2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接試樣示意Fig.2 Schematic diagram of honeycomb sandwich structure bonded sample

在膠瘤對試樣剝離強度的影響測試中，鋁合金金屬對金屬，以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)兩種膠接試樣按照有/無膠瘤制備試樣一和試樣二各1 組、每組6 件，所有試樣均經(jīng)過堿洗時間30 s、氧化液濃度125 g/L的磷酸陽極氧化表面處理。試樣一采用外形已加工到位的試片獨立制備，即按單件分別加工，每件均直接加工到最終尺寸后再進行膠接，周圍需保留0.5～1 mm 寬的膠液溢出膠瘤。試樣二先按6 件進行組批制備，坯件外形需預(yù)留邊緣切除量以及每個試樣之間的銑切加工量，待坯件固化成形后再參照圖3 方式將試樣銑切到最終尺寸。其中，金屬對金屬膠接試樣依照GJB 446—1988《膠粘劑90°剝離強度試驗方法 金屬對金屬》制樣，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接試樣依照 GJB 130.8—1986《膠接鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)90°剝離試驗方法》制樣。

圖3 試樣二銑切示意Fig.3 Diagram of milling for sample group II

在表面處理工藝對試樣剝離強度的影響測試中，兩種膠接試樣各分為A、B、C、D、E 共5 組、每組6 件，制備方式同試樣二。各組試樣的表面處理方式為：試樣A 組用有機溶劑清潔；試樣B 組用120 目砂紙按正交方向打磨2 次后再清潔；試樣C、D 和E 組均為磷酸陽極氧化表面處理，其中試樣C組堿洗時間為90 s、氧化液濃度95 g/L，試樣D 組堿洗時間為30 s、氧化液濃度125 g/L，試樣E 組堿洗時間為90 s、氧化液濃度125 g/L。依Q/W 847—1999 的規(guī)定，磷酸陽極氧化處理方法中預(yù)處理堿洗工序時間為30～90 s，磷酸氧化液濃度為95～125 g/L，本文分別取低限和高限進行比較。蜂窩芯采用丙酮或乙酸乙酯等有機溶劑清洗上、下端面。

1.1.2 膠接及固化成形工藝

1）金屬對金屬膠接試樣。在底板和撓性板的膠接面按200～250 g/m2的涂膠量均勻涂敷J-390 膠粘劑；然后利用工裝定位并控制外形，將底板和撓性板貼合為一體。采用真空袋–烘箱法固化成形，成形溫度75 ℃，成形壓力為1 個真空壓（約0.1 MPa），時間3 h。

2）蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接試樣。先在撓性板端頭50 mm 寬度范圍的非膠接區(qū)域粘貼隔離層；然后在底板和撓性板的膠接面按（80±20）g/m2的涂膠量均勻涂敷J-47B 底膠，隨后再鋪放一層厚度0.15 mm的J-47C 膠膜[12]；最后利用工裝定位并控制外形，通過膠粘劑將底板、撓性板與蜂窩芯組合為一體。采用真空袋–熱壓罐法固化成形，成形溫度130 ℃，時間2 h，并于室溫下開始抽真空，溫度升至適當值時再增加充氣壓力0.15 MPa[12]。

1.2 試樣剝離強度測試方法

所有試樣均測試常溫常壓環(huán)境條件下的90°剝離強度。金屬對金屬膠接試樣的剝離強度按照GJB 446—1988 的規(guī)定執(zhí)行。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接試樣的剝離強度按照GJB 130.8—1986 的規(guī)定執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣周圍有無膠瘤對剝離強度的影響

為考察試樣在膠接過程中周圍溢出膠液形成的膠瘤對剝離強度的影響，對各試樣進行剝離強度檢測，實測結(jié)果如表1 所示，破壞形式均為膠接層內(nèi)聚失效。

表1 試樣周圍有/無膠瘤的剝離強度對比Table 1 Comparison of peeling strength of samples with or without fillet

由表1 數(shù)據(jù)可知，相比試樣二的周圍無膠瘤狀態(tài)，在金屬對金屬以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接試樣周圍保留寬度0.5～1 mm 的膠瘤，均會一定程度地提高試樣的剝離強度。分析認為：試樣二由坯件中部銑切獲得，一方面因試樣周圍無膠瘤，試樣的剝離強度僅僅取決于底板與撓性板膠接面所提供的面內(nèi)膠接強度，另一方面由于試樣在機械加工過程容易導(dǎo)致膠層出現(xiàn)細微的初始裂紋等缺陷，所以剝離強度相對較低；而試樣一采取單件獨立制備并在周圍保留溢出膠瘤，因此其剝離強度不僅取決于底板與撓性板膠接面所提供的面內(nèi)膠接強度，周圍膠瘤對底板和撓性板之間所有膠接縫隙的填充和封閉也增加了一定膠接面積，且膠瘤還會對試樣的上下面具有一定的夾持緊固作用，有利于提高試樣的剝離強度；此外試樣一膠接、固化成形后便可直接進行檢測，不存在加工應(yīng)力對膠層的損傷和破壞問題。因此，在工程制造中，若膠接結(jié)構(gòu)無特殊的表觀要求，建議膠接構(gòu)件周圍保留適量膠瘤。

2.2 表面處理工藝對剝離強度的影響

為考察不同表面處理方法對試樣剝離強度的影響，對各試樣進行剝離強度檢測，實測結(jié)果如表2和表3 所示。由表2 和表3 數(shù)據(jù)可知：對于金屬對金屬，以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接試樣，僅用有機溶劑清潔試片膠接面，試樣的剝離強度最低且數(shù)據(jù)離散性大；對試片膠接面進行砂紙打磨后再采用有機溶劑清潔，試樣的剝離強度有較大提高，但數(shù)據(jù)離散性仍然偏大；對試片膠接面進行磷酸陽極化氧化處理，試樣的剝離強度顯著提高，且數(shù)據(jù)離散性小。實驗結(jié)果表明：按照Q/W 847—1999 標準工藝規(guī)范進行鋁合金磷酸陽極氧化處理，堿洗時間對鋁合金膠接剝離強度的影響可以忽略，但在規(guī)范規(guī)定的工藝參數(shù)數(shù)值選取范圍內(nèi)，適當提高磷酸氧化液的濃度，可獲得相對更優(yōu)的剝離強度。

表2 不同表面處理方式下金屬對金屬膠接剝離強度對比Table 2 Comparison of peeling strength of metal to metal bonded sample under different surface treatments

表3 不同表面處理方式下蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接剝離強度對比Table 3 Comparison of peeling strength of honeycomb sandwich structure bonded sample under different surface treatments

試樣破壞后的形貌如圖4 和圖5 所示。對照各試樣破壞形貌實物照片可知，試樣A 組主要表現(xiàn)為因試片表面處理存在問題而發(fā)生界面失效；試樣C、D、E 組均表現(xiàn)為膠接層內(nèi)聚失效；而試樣B 組則表現(xiàn)為內(nèi)聚失效和界面失效兼而有之，數(shù)據(jù)離散性大。

圖4 金屬對金屬膠接試樣破壞形貌Fig.4 Failure morphology of metal to metal bonded sample

圖5 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接試樣破壞形貌Fig.5 Failure morphology of bonded samples with honeycomb sandwich structure

2.3 表面處理后的試片微觀形貌及分析

為考察表面處理后的試片膠接面微觀形貌，并進一步分析表面處理工藝對膠接剝離強度的影響，采用OLYMPUS BX51M 型金相顯微鏡對金屬膠接試樣A、B、C、D 和E 組每組任取1 個試樣分別為試樣a、b、c、d、e 的微觀形貌進行100 倍放大檢測，結(jié)果如圖6 所示。經(jīng)對比可知：試樣a 的形貌為原始的軋制鋁合金表觀；試樣b 的表面可見深淺和粗細不等的呈正交分布的打磨痕跡，但受砂紙目數(shù)、砂紙磨損情況和操作者打磨力度等因素影響，在打磨痕跡之間還存在較大面積與試樣a 類似的原始軋制鋁合金表觀；而在試樣c、d 和e 的表面均呈現(xiàn)出由電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致表層浸蝕而產(chǎn)生的較均勻的多孔結(jié)構(gòu)，且試樣d 與e 的表面微孔結(jié)構(gòu)和尺寸基本相當，并優(yōu)于試樣c。

圖6 表面處理后的試片微觀形貌Fig.6 Microscopic morphology of the test piece after surface treatment

結(jié)合表面處理后的試片微觀形貌，以及不同試樣的剝離強度測試結(jié)果，分析認為：

1）有機溶劑只能清除試片表面的灰塵和油污，但無法改變試片膠接面的粗糙度、表面能、表面積和微觀結(jié)構(gòu)，且清潔效果受人為影響較大，因此試樣a 的剝離強度普遍偏低，且數(shù)據(jù)離散性大。

2）在清除試片表面灰塵和油污的前提下，砂紙打磨后再清潔可以進一步改變試片的表面自由能，改善膠粘劑對試片的浸潤效果，同時打磨還可在一定程度上增加試片的表面粗糙度，提高膠層的機械嵌合[13-14]，因此試樣b 的剝離強度較試樣a 均有一定提高。但打磨效果受打磨力度、打磨操作的方便性、打磨有效面積、砂紙目數(shù)、砂紙在打磨過程的磨損情況等綜合因素影響較大，因此剝離強度提高有限，且數(shù)據(jù)離散性仍然偏大。

3）在磷酸陽極氧化過程中，預(yù)處理堿洗工序的原理是通過油脂和堿液發(fā)生如式(1)所示的化學(xué)反應(yīng)而被溶解[15]，從而達到清除試片表面油污及疏松的自然氧化膜、活化表面、對試片的鋁合金基材產(chǎn)生一定浸蝕的作用，以利于后續(xù)磷酸陽極氧化膜的正常生長。由于反應(yīng)只在表層進行，因此只需達到規(guī)范規(guī)定的最短時間以上便可實現(xiàn)表面除油效果，而額外延長堿洗時間不會顯著提高膠接剝離強度。

4）預(yù)處理后進行的磷酸陽極氧化工序是通過電化學(xué)反應(yīng)在鋁合金表面形成一層新的清潔性和耐老化性好且粘接性能高的陽極氧化膜層[16]。該膜層的生長機理是：先在鋁合金基材表面生成一層并不完全均勻一致的、被稱為致密層或阻擋層的薄氧化膜，厚度為0.01～0.30 μm；隨著反應(yīng)的持續(xù)進行，膜層被磷酸氧化液同時進行溶解，在最薄處首先被溶解出孔隙來；磷酸氧化液透過這些孔隙接觸到新的基材使得反應(yīng)繼續(xù)進行，不斷生成新的陽極氧化膜[12-16]。在其他工藝參數(shù)確定的前提下，適當提高磷酸氧化液的濃度可加快陽極氧化膜層的溶解速度、增加膜層的微孔尺寸，最終形成一種多孔型的六面柱體氧化膜。Keller等[17]提出，多孔型氧化膜層由正六角柱狀膜胞組成，在各個膜胞中心均有類似六角星形的孔洞，膜胞沿著垂直于試片基材表面的方向生長成正六角柱體，并按六方點陣緊密排布，如圖7 所示[17]。因此，采用磷酸陽極氧化處理工藝，并在規(guī)范允許范圍內(nèi)適當提高磷酸氧化液的濃度，更有助于獲得理想的表面多孔型陽極氧化膜，不僅利于膠粘劑在試片膠接面上的浸潤，還易于促進試片和膠粘劑形成良好的機械嵌合，故對應(yīng)試樣的膠接強度最優(yōu)。

圖7 鋁陽極氧化膜的Keller 結(jié)構(gòu)模型[17]Fig.7 Keller structure model of anodic aluminum oxide film[17]

3 結(jié)論

通過開展試樣周圍有無膠瘤和表面處理工藝對鋁合金金屬對金屬以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接剝離強度的影響測試，得出以下結(jié)論：1）鋁合金表面的自然氧化膜結(jié)構(gòu)松散，強度低，僅采用有機溶劑清潔表面，無法獲得理想的膠接性能。2）砂紙打磨一定程度上可改變鋁合金表面的自由能，增加表面粗糙度，有利于提高膠粘劑的浸潤效果和膠層的機械嵌合，從而獲得較高的膠接性能；但影響打磨效果的因素較多，數(shù)據(jù)離散性偏大。3）采用磷酸陽極氧化表面處理工藝，可于預(yù)處理堿洗工序完成鋁合金表面的脫脂或浸蝕，形成新鮮表面，并于隨后的磷酸陽極氧化工序在新鮮表面上形成適合膠接的表層，從而獲得更優(yōu)的膠接性能，且數(shù)據(jù)離散性小。4）按照磷酸陽極氧化的標準工藝規(guī)范操作，堿洗時間對鋁合金膠接剝離強度的影響可以忽略；提高磷酸氧化液濃度可獲得相對更優(yōu)的剝離強度。5）膠接件周圍保留0.5～1 mm 寬的膠瘤，有利于減小端部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高膠接強度和膠層耐久性。

受限于時間和經(jīng)費，本文僅開展了常溫常壓環(huán)境下的性能測試，后續(xù)將擇機開展空間環(huán)境下的性能測試工作。