磨料形狀對鈦合金緊固件涂層結(jié)合力的影響

徐鑫良，劉風(fēng)雷，趙慶云，王立東

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024）

航空工業(yè)中，復(fù)合材料、鈦合金和鋁合金是三大主要的材料種類，鈦合金緊固件比強度高在飛機上大量選用[1-2]。其中鈦合金緊固件與鋁合金結(jié)構(gòu)連接時，異種金屬存在電位差，容易產(chǎn)生電位腐蝕，進而給飛機的安全帶來隱患。在鈦合金緊固件表面涂覆一層鋁涂層，可以有效地防止電位腐蝕的發(fā)生[3]。目前，鈦緊固件涂料的研制及涂覆工藝方法已成為世界各大飛機制造商關(guān)注的熱點[4-6]。對于涂覆工藝方法而言，考核其是否適用的試驗分別為脫漆劑試驗和結(jié)合力試驗[7]。表面預(yù)處理是涂覆工藝過程中一道關(guān)鍵的步驟，是保證涂層性能的關(guān)鍵，其主要包括凈化處理和粗化處理兩種方式。凈化處理用于去除待噴涂零件表面的氧化物、油漬和其他污染物。粗化處理能使金屬基體表面發(fā)生粗糙化，進而增加涂層與基體間的結(jié)合力。表面粗化處理工藝主要有磨料噴射清理和化學(xué)粗化[8]。磨料噴射清理工藝操作簡單，生產(chǎn)效率高，特別適用于小五件類零件的表面粗化處理，是鈦合金緊固件常用的表面預(yù)處理方法[9-10]。

本文以鈦合金緊固件為研究對象，分別選用丸粒和砂粒磨料，采用噴射清理的方法對鈦合金緊固件表面進行粗化處理，通過對比分析磨料形狀對鋁涂層結(jié)合力的影響，進而優(yōu)化涂覆工藝。研究結(jié)果可以為鈦合金緊固件的涂層工藝提供指導(dǎo)。

1 試驗過程及方法

1.1 試樣制備過程

在鈦合金緊固件涂覆前，采用丸粒和砂粒兩種磨料進行磨料噴射工藝處理。而后，將兩種不同顆粒形狀處理的鈦合金緊固件進行相同工藝噴涂和固化。試樣的制備過程為：清洗→烘干→磨料噴射工藝→清洗→烘干→涂覆→固化。丸粒為陶瓷丸，砂粒為剛玉砂，見圖1（a）、（b）所示。磨料噴射設(shè)備采用干式噴砂機，設(shè)定工藝參數(shù)為壓力0.4MPa，覆蓋率為100%。涂料為鋁涂料，屬于有機涂料，固化溫度為230℃。

1.2 試驗方法

將不同形狀磨料噴射工藝處理的鈦合金緊固件（裸態(tài)）放置在PGI1240型粗糙度度輪廓儀上進行表面粗糙度檢測。同時，在不同形狀磨料噴射工藝處理的鈦合金緊固件（裸態(tài)）上切取樣品，采用Zeiss SUPRA 55型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察不同磨料噴射處理的鈦合金緊固件表面形貌的差異。用3M 250號膠帶對已涂覆處理過的鈦合金緊固件進行涂層結(jié)合力測試，記錄不同噴射工藝的鈦合金緊固件的結(jié)合力。在不同工藝粗化處理的鈦合金緊固件（帶涂層）上切取樣品，經(jīng)磨削、拋光后放置Leica DMI5000M型光學(xué)顯微鏡下對涂層的厚度進行觀察，對比分析磨料形狀對涂層厚度的影響。用Turco5351脫漆劑測試涂層的耐脫漆劑能力，即將帶涂層的緊固件放入脫漆劑中浸泡24h，然后再次進行結(jié)合力測試。

圖1 不同砂粒尺寸對比結(jié)果Fig.1 Shape of grit shot abrasive

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

按ISO2409對脫漆劑前后的涂層結(jié)合力進行試驗，其判定標準是0級為合格[11]。不同表面粗化工藝處理后的鈦合金緊固件涂層結(jié)合力及脫漆劑試驗后的涂層結(jié)合力的試驗結(jié)果見表1。當鈦合金緊固件表面未經(jīng)粗化處理時，其涂層結(jié)合力為1級；當采用丸粒對表面進行噴射粗化處理后，涂層結(jié)合力及脫漆劑試驗后的涂層結(jié)合力分別為0級和1級；而當采用噴射的顆粒為砂粒時，其涂層結(jié)合力和脫漆劑試驗后的涂層結(jié)合力均達到了0級。通過對比3種工藝粗化處理后的鈦合金緊固件，經(jīng)砂粒噴射的鈦合金緊固件的涂層結(jié)合力更優(yōu)，且滿足標準要求。

表1 不同工藝的結(jié)合力和脫漆劑試驗后的涂層結(jié)合力

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 不同磨料對鈦合金表面粗糙度的影響

針對結(jié)合力試驗的差異，按GB/T10610對兩種磨料的表面進行了粗糙度的測試。表2為3種經(jīng)不同表面粗化工藝處理后鈦合金緊固件樣品表面粗糙度的值。從表2中可以看出，經(jīng)砂粒噴射處理的鈦合金表面粗糙度Ra值均明顯大于丸粒噴射和未經(jīng)處理緊固件的表面粗糙度。

表2 不同磨料噴射處理的表面粗糙度

采用掃描電鏡（SEM）對兩種磨料處理得到的樣品表面進行檢測，其微觀形貌如圖2。通過對比發(fā)現(xiàn)，用砂粒為磨料噴射處理的鈦合金緊固件表面更粗糙，而經(jīng)丸粒噴射處理的鈦合金表面較平整，其檢測結(jié)果與表1相符。經(jīng)分析，如果把鈦合金緊固件表面粗糙度按理想圓錐體進行對比估算，不難發(fā)現(xiàn)砂粒磨料的真實表面積要比丸粒磨料的真實表面積大。因此，在相同的基體面積下，經(jīng)砂粒噴射所得的緊固件與涂層結(jié)合的面積更大，即增大了單位面積上涂層與基體的結(jié)合面積，從而使涂層與基體間的結(jié)合力大大增加。

圖2 不同磨料加工的表面Fig.2 Morphology surface on the part of different abrasive treatments

2.2.2 不同磨料噴射工藝對涂層厚度的影響

將未噴射處理、丸粒噴射和砂粒噴射3種工藝處理的鈦合金緊固件進行涂覆固化，而后進行剖切，對比分析噴射工藝對涂層厚度的影響，涂層厚度截面如圖3所示。未經(jīng)噴射處理與丸粒噴射工藝處理的鈦合金緊固件涂層厚度分別為10.1μm和12.6μm，而經(jīng)砂粒噴射處理的鈦合金緊固件涂層厚度為11.8μm，涂層厚度的偏差，在工藝要求范圍內(nèi)。可見，磨料形狀對涂層厚度影響不大，但砂粒噴射對基體和涂層的分界面影響較明顯，經(jīng)砂射噴射制得的樣品，見圖3（c），其界面的不平整度要明顯大于未經(jīng)噴射處理和丸粒噴射工藝處理的緊固件界面，如圖3（a）和圖3（b）所示，與粗糙度檢測結(jié)果相符。

圖3 不同磨料形狀加工的基體截面圖Fig.3 Section of coating parts under different abrasive treatments

2.3 表面粗化機理討論

從粗糙度測試和掃描電鏡分析可知，在砂粒噴射的表面粗糙度要比丸粒條件下粗糙度要大，從而在噴射壓力、壓縮空氣量、噴射時間、表面覆蓋率等工藝參數(shù)一致的情況下，磨料形狀對涂層結(jié)合力有較明顯的影響。

從圖4的形貌上來看，兩種工藝方法的砂面形成機理不同。丸粒噴射過程中高壓氣體主要使用丸粒對基體表面進行沖擊，使基體發(fā)生一個塑性變形的過程，如圖4 （b） 所示，尖銳處在丸粒的沖擊下變得平整，原本光滑的表面則在丸粒的作用下出現(xiàn)凹坑，最終在鈦合金表面形成具有一定粗糙度的均勻細致麻面。

而砂粒噴射過程中高壓氣體使丸粒對基體主要是一個沖擊切削的過程，如圖4 （c）所示。在沖切區(qū)域，砂粒噴射較丸粒噴射可以造成表面更長的劃痕長度和更大的深度，類似于對表面進行刮擦，多數(shù)尖銳處被削去，砂粒作用面積小，留有一部分尖角，同時，光滑的表面被沖切的長度和深度較丸粒噴射更大，形成更大的粗糙度，從而也有更大的接觸面積。接觸面積的增加，相應(yīng)使基體與涂層的結(jié)合力增加。

3 結(jié)論

良好的結(jié)合力是保證鈦合金緊固件涂層性能的先決條件，而涂層與基體的結(jié)合機理決定了基體表面粗化工藝的重要性。丸粒主要使基體表面發(fā)生一個塑性變形的過程，在鈦合金緊固件表面形成具有一定粗糙度的均勻細致麻面。而砂粒丸粒噴射主要使基體產(chǎn)生一個沖切的過程，類似刮擦作用，這樣造成表面更大的深度，表面粗化效果更明顯，使得涂層與基體的結(jié)合面積增加，更有利于涂層與基體間結(jié)合力的提高，不影響涂層厚度等其他技術(shù)要求。

圖4 不同磨料形狀對基體表面影響示意圖Fig.4 Diagram of the effects of different abrasive treatments on parts

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