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鈦合金緊固件由于具有重量輕、比強度大、抗疲勞、耐腐蝕等優良綜合性能, 被廣泛應用于現代先進飛機機體結構中. 在飛機連接裝配中, 鈦合金緊固件與鋁合金材料存在著較高的電位差, 若連接部位處理不當, 極易產生電位腐蝕, 腐蝕嚴重則會使結構發生失效破壞. 因此, 解決鈦合金緊固件與鋁合金結構連接時的電位腐蝕問題, 是保證現代飛機長壽命高可靠性連接的一項重要任務 .
對于鋁合金結構裝配鈦合金緊固件, 防止電位腐蝕的方法有多種, 其中最佳解決方法是在鈦合金緊固件表面涂覆一層防腐鋁涂層, 目前該方法已被全世界航空制造業大量采用. 本文即針對鈦合金緊固件與鋁合金結構連接的防護機理、鈦合金緊固件涂鋁技術和涂鋁效果進行闡述, 為國內鈦合金緊固件使用于鋁合金結構提供高效可靠的涂鋁技術、方法.
1 鋁涂層防護機理及效果
鈦合金裝配于鋁合金結構時, 由于產生較高的電位差, 在電解質作用下會發生電化學腐蝕, 對于電化學腐蝕防護的基本途徑主要有兩種: (1) 使陽極或陰極絕緣; (2) 消除陽極或陰極區域的離子導電率. 基于以上兩種途徑, 主要有以下4種防護方法:(1) 采用鍍鎘或鍍鋁鍍層的緊固件; (2) 采用有機或無機涂層涂覆的緊固件; (3) 在安裝過程中采用濕的底漆或彈性密封膠; (4) 采用鋅鉻涂層涂覆緊固件或結構元件.
但是, 以上這些方法均不能完全起到防護作用,并且通過其中某些方法產生的表層沒有足夠的韌性或粘性, 以及存在著過高的制造成本等問題, 這些因素促使人們不斷開展研究以獲得更好的方法, 如在緊固件或結構的外表面涂一層含鋁、含氟和含鉻酸鹽或含二硫化鉬、含氟和含鉻酸鹽類型的涂料, 從而導致了涂鋁技術的誕生.
國外公司研制的鈦合金緊固件防腐蝕鋁涂料可涂覆出厚度均勻、光滑細膩致密和防護性能較好的涂層, 不僅能夠滿足235 ℃的高溫使用條件, 而且不需要為防止電化學腐蝕而在裝配過程中附加密封, 同時與基體材料之間有著極好的結合強度, 不會對基體材料產生不良影響. 另外, 鋁涂料用于各種鈦合金、高強耐蝕鋼緊固件表面的防護, 具有優異的腐蝕抑制作用, 在高溫高應力作用下具有較好的抗應力脆化作用, 安裝潤滑性能優越, 能抵抗各種液壓液體、燃油、洗漆劑和清洗劑而不變質, 耐熱性好, 粘結性好.
2 涂鋁技術
國內以前使用的鈦合金緊固件主要采用裸露狀態或藍色陽極極化狀態, 而隨著國內多種機型發展需要, 對鈦合金緊固件涂鋁技術也相應地提出了強烈的需求.
鈦合金緊固件表面涂鋁技術主要包括鋁涂料、涂覆方法和涂覆工藝. 鋁涂料是涂鋁技術的基礎, 其好壞關系到能否涂覆到緊固件表面和涂覆到緊固件表面后防腐等性能指標要求能否實現. 涂覆方法關系到產品的質量一致性以及能否實現大批量生產,而涂覆工藝則是鋁涂料與鈦合金緊固件粘結能力和質量穩定性的關鍵.
2.1 鋁涂料
防腐鋁涂料所包含的具體成分、尺寸大小、含量等因素對性能產生主要影響. 成分主要包含鋁粉、粘結劑、防腐劑、潤滑劑、稀釋劑等, 其中所有粉末均有一定的細度要求, 采用的樹脂為苯甲醛樹脂, 防腐劑為鉻鹽化合物, 潤滑劑為PTFE粉末, 采用稀釋劑調好噴涂固化后, 涂層具有較強的結合強度, 表面顏色與國外產品一致, 組織狀態也較一致, 具體情況如圖1所示.
2.2 涂覆工藝
涂覆工藝須保證涂覆后外觀無缺陷、涂層厚度均勻一致. 緊固件涂鋁用的鋁涂料為液態, 其涂覆方式可以采用噴涂和離心浸涂. 對于民用緊固件表面涂覆, 工業上大都采用離心浸涂和噴涂等方式.
離心浸涂工藝是將工件浸泡在涂料中, 待涂料完全覆蓋全部工件后, 將工件取出并放置于離心機中, 通過離心力的作用將附著于工件表面的涂料均勻化, 并將多余的涂料拋出, 從而實現工件的大批量涂覆. 該工藝生產效率高, 勞動強度低, 易于實現自動控制, 是用鋼緊固件工業化生產中普遍采用的方法. 但是, 對于鈦合金緊固件的表面涂鋁, 這種工藝存在以下問題: 工件離心干燥后表面較粗糙, 在離心過程中, 由于工件之間相互接觸, 在搭接面上容易造成涂料的堆積或粘掉現象, 不符合標準要求的外觀均勻一致的要求.
噴涂工藝分為手工噴涂和設備噴涂, 手工噴涂可以在涂后獲得較為均勻的表面, 涂層厚度可控制在某一范圍內, 達到標準要求, 但其效率較低, 一般需要靠操作者的熟練程度保證. 綜合考慮離心浸涂工藝和噴涂工藝的工作原理, 發展而成了采用涂鋁機進行噴涂的工藝方法. 涂鋁機涂覆具有生產效率高及涂料利用率高、操作簡便、可實現數據采集及打印等特點, 能夠滿足鈦合金緊固件涂覆鋁涂層的批量生產需求, 符合涂層性能和質量均勻性要求, 表面均勻且光滑.
對涂鋁機涂覆的試驗件進行金相檢查, 觀察并測量螺栓桿部、螺紋部分的涂層厚度, 獲得的涂層厚度在 7～10 μm 之間(標準規定涂層厚度為 5～12.5 μm), 完全符合標準要求(圖2).
3 涂鋁件的性能試驗
鈦合金涂鋁后, 其性能是否合格, 需經過物理、化學、冶金檢查, 并對試驗件進行安裝試驗、涂層性能試驗以及機械性能試驗, 以驗證涂層及涂覆工藝的合格性. 通過一系列試驗表明, 采用國產鋁涂料和涂覆工藝涂覆的產品各種性能指標均滿足標準規定要求. 具體試驗結果如下:
(1) 安裝試驗: 試驗件干涉安裝壓入鋁板中, 并在安裝之后觀察其桿部, 未發現涂層脫落現象.
(2) 外觀: 涂層表面光滑平整, 具有金黃色光澤,無氣孔、氣泡、凹坑等不平整缺陷.
(3) 涂層厚度: 被測緊固件所有工作面的涂層厚度均在5～12.5 μm之間, 且零件銳邊的涂層覆蓋完全.
(4) 結合力試驗: 落錘試驗結果表明緊固件涂層未出現明顯的涂層剝落現象.
(5) 涂漆結合力試驗: 按標準進行試驗, 試驗件均滿足指標要求.
(6) 耐流體性: 工件浸入某型流體, 在一定溫度下浸泡30 d, 涂層硬度和涂層結合力均達到要求.
(7) 耐脫漆劑: 室溫下將緊固件浸入某型脫漆劑中浸泡24 h, 其結合力和涂層硬度均滿足要求.
(8) 脆性: 將4個埋頭鈦合金緊固件按要求干涉裝配在高強鋁合金墊塊里, 并按標準規定加載, 在某溫度下至少暴露3 d, 未發現在緊固件頭下圓角處和螺紋區域存在裂紋, 因而脆性試驗符合要求.
(9) 防腐性: 將 5 個緊固件間隙安裝在鋁試片上, 進行乙酸-鹽霧試驗, 試驗結果表明, 安裝涂鋁層鈦合金緊固件的鋁合金表面腐蝕區域小于安裝未涂鋁緊固件鋁合金, 滿足設計要求.
(10) 耐熱性: 將試驗件加熱至某一溫度并保溫,在空氣中冷卻, 并對加熱后的緊固件試樣進行外觀檢查和結合力試驗, 涂層無氣泡或裂紋產生, 落錘試驗后涂層未出現明顯的涂層剝落現象.
(11) 裝配壓力: 按要求進行的干涉安裝裝配壓力, 試驗結果均滿足要求.
(12) 力學性能試驗: 對涂后試驗件和未涂覆涂層的試驗件分別以GJB715為依據, 按照HB6568進行剪切試驗、拉伸試驗、應力持久、高周疲勞, 試驗結果均符合要求.
4 結論
對于鋁合金結構安裝鈦合金緊固件, 由于兩者具有較高的電位差, 因而如不采用隔離措施, 則會由于電解質的作用, 對鋁合金結構產生嚴重的剝離, 使得結構發生失效. 通過采用緊固件表面噴涂鋁涂層技術可很好地解決電位腐蝕問題. 國內通過近年來的研發, 已具有滿足性能要求的鋁涂料技術和自動化涂覆技術, 所涂覆的工件通過鑒定達到了國外BMS10-85等標準要求, 通過系列化的試驗及生產,已能夠進行大批量生產, 下一步仍需在其它種類的鈦合金緊固件、合金鋼緊固件以及其它材料緊固件上進行試驗, 以滿足飛機裝配要求.