不同前處理方式對鈦合金緊固件鋁涂層附著力性能影響分析

萬冰華 林忠亮 魏亮亮 程艷紅 馬艷云

（航天精工股份有限公司，天津，300300）

鈦合金緊固件以其優(yōu)異的機(jī)械性能廣泛應(yīng)用于航空航天飛行器連接中，因其在使用過程中常與鋁合金零部件接觸連接，故需在其表面涂覆一層鋁涂層，以降低甚至消除接觸腐蝕，提高零部件使用壽命。

對于緊固件鋁涂層的相關(guān)內(nèi)容，萬冰華等已在文獻(xiàn)[1]中進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。而在鋁涂層的實(shí)際加工過程中，勢必面臨著一個(gè)問題，那就是如何提高鋁涂層與鈦合金緊固件基體的附著力，以最大程度地發(fā)揮鋁涂層的作用。本文將對鈦合金緊固件在不同前處理方式下，采用不同附著力試驗(yàn)方法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和評價(jià)，以期為相關(guān)研究及產(chǎn)品加工提供一定的參考借鑒。

1 常見涂覆前處理方式

在緊固件行業(yè)中，常用的鈦合金緊固件鋁涂層涂覆前處理方式主要有磷化、噴砂、藍(lán)色陽極化和脈沖陽極化，相關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)有宇航材料標(biāo)準(zhǔn)AMS2486《鈦合金氟化物-磷酸型轉(zhuǎn)化膜層》 （美國機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)編制）、ISO8080《鈦及鈦合金陽極化處理-硫酸處理》和HB/Z347《鈦及鈦合金陽極氧化工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)》 （航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）。表1詳細(xì)介紹了各種前處理方式以及標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

表1 鈦合金不同前處理方式

除以上幾種常用的表面處理方式外，還有美國公司開發(fā)的Annro-102，其原理與磷化相似，配方并未公開。此外，近幾年來興起的鈦合金微弧氧化技術(shù)也在緊固件型號產(chǎn)品中得到應(yīng)用，成功解決了某些技術(shù)難題。

2 附著力試驗(yàn)方法

檢測涂層附著力的試驗(yàn)方法主要有膠帶法、落錘法、刮擦法以及劃格法。國內(nèi)暫無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可參考，國外的標(biāo)準(zhǔn)主要有Hi-shear294《緊固件系統(tǒng)鋁涂層》 （美國Hi-shear公司產(chǎn)品規(guī)范）、NAS4006《鋁涂層》、EN4473《航空航天系列—緊固件鋁涂層—技術(shù)規(guī)范》，其中Hishear294規(guī)定了落錘法和膠帶法，NAS4006規(guī)定了刮擦法，EN4473規(guī)定了劃格法。相關(guān)試驗(yàn)方法描述見表2。

表2 不同附著力試驗(yàn)方法

3 不同前處理方式對附著力的影響

3.1 試驗(yàn)方案

選取某100°沉頭鈦合金緊固件作為研究對象，以便于各種試驗(yàn)方法在緊固件上的實(shí)施，樣件規(guī)格選為8-8，光桿長度為10mm，頭部端面直徑為11．8mm。具體試驗(yàn)方案見表3。

表3 試驗(yàn)方案

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)檢測，結(jié)果見表4。從表4中可以看出，除脈沖 8μm～10μm前處理方式不能滿足劃格法及落錘法試驗(yàn)要求外，其余前處理方式均能適合現(xiàn)國際常用附著力試驗(yàn)方法，典型圖片如圖1所示。

3.2.2 不同前處理方式微觀組織

鈦合金緊固件涂覆前處理的作用通常為提升漆膜附著力，但原理各不相同。圖2給出了常見前處理方式的微觀組織結(jié)構(gòu)。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

圖1 不同前處理方式附著力試驗(yàn)結(jié)果圖示

圖2 不同前處理方式微觀組織典型圖

從圖2可以看出，不同前處理方式微觀組織有較大差別，其中藍(lán)色陽極化 （圖2 b））僅輕微腐蝕基體表面，并未影響其表面形貌，微觀組織仍可以看出機(jī)械加工車刀痕；磷化 （圖2 c））因磷化液的腐蝕作用，使基體表面呈現(xiàn)出均勻的腐蝕痕跡，并在其表面生成一層具有較為粗糙的磷化膜層；噴砂 （圖2 d））因砂粒的沖擊，導(dǎo)致微觀組織呈現(xiàn)出凹凸不平，其粗糙度大小與砂粒尺寸、噴砂工藝參數(shù)有很大的關(guān)系。藍(lán)色陽極化、磷化、噴砂前處理方式提升漆膜附著力的機(jī)理在于粗化基體表面，使漆膜流掛于其上，提升附著力。

脈沖陽極化 （圖 2 e）、f））將零件作為陽極，施加脈沖電壓，在電場和化學(xué)溶液的共同作用下從零件外表面向內(nèi)生產(chǎn)的，氧化膜層生成過程是最外層表面不斷溶解與內(nèi)層不斷生成的動(dòng)態(tài)過程，當(dāng)向內(nèi)生成速度大于外表面溶解的速度時(shí)，氧化膜形成并逐漸增厚，最終在金屬表面形成一層致密且具有孔狀的脈沖膜層。從圖2中可以看到，脈沖陽極化膜層表面粗糙度較噴砂、磷化以及藍(lán)色陽極化低，即脈沖陽極化前處理方式具有整平基體表面的作用，不能使基體表面變得更加粗糙，反而變得更加平整，由此可以得出脈沖陽極化膜層提高漆膜附著力的機(jī)理在于液體漆膜可充滿脈沖陽極化膜層的孔狀結(jié)構(gòu)[2]，并固化成型，以此來獲得與基體較為理想的附著力，而并非粗化基體表面。

3.2.3 脈沖 8μm～10μm 前處理劃格法及落錘法試驗(yàn)不合格原因分析

正如本文3．2．2中所述，脈沖陽極化膜層具有極細(xì)微的孔狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 鈦合金脈沖陽極化膜層微觀結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)文獻(xiàn)資料記載，脈沖陽極化膜層主要作用有：①提高零件的耐磨性能；②提高零件的硬度；③減緩甚至消除零件與鋁合金材質(zhì)間的接觸腐蝕；④作為涂漆打底層，提高漆膜與基體的附著力。

從相關(guān)資料以及原理上講，零件采用脈沖陽極化作為涂覆前處理，可有效提升漆膜與基體的附著力。然而，在進(jìn)行落錘法檢測漆膜與型號產(chǎn)品基體的附著力性能測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用脈沖陽極化作為涂覆前處理時(shí)，漆膜從型號產(chǎn)品頭部端面脫落。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，型號產(chǎn)品頭部端面漆膜脫落后露出的基體顏色與原脈沖膜顏色差別較大，如圖4所示。

圖4 落錘試驗(yàn)前后頭部端面顏色差異圖示

對產(chǎn)品頭部端面微觀組織分析發(fā)現(xiàn)：經(jīng)落錘試驗(yàn)后，產(chǎn)品頭部端面微觀組織圖5 c）與脈沖膜微觀組織圖5 b）相差較大，反而與未經(jīng)脈沖陽極化產(chǎn)品本色狀態(tài)下微觀組織圖5 a）相似，均能看到機(jī)械加工車刀痕，如圖5所示。

圖5 不同狀態(tài)下產(chǎn)品頭部端面微觀圖

基于此，可以認(rèn)為落錘試驗(yàn)后，脈沖膜層從基體金屬表面脫落。為了進(jìn)一步證實(shí)以上判斷，對僅進(jìn)行脈沖陽極化而未涂覆的型號產(chǎn)品進(jìn)行落錘試驗(yàn)，試驗(yàn)后可以很明顯看出，脈沖膜從基體上起皮脫落。落錘后頭部端面剖面圖也顯示，經(jīng)落錘試驗(yàn)后，頭部端面已觀察不到脈沖膜厚度，如圖6所示。

圖6 落錘試驗(yàn)前后脈沖膜金相微觀圖

從以上分析可以看出，型號產(chǎn)品經(jīng)落錘試驗(yàn)后，脈沖膜從基體上脫落，最終導(dǎo)致漆膜亦從基體上脫落。

從宏觀和微觀分析結(jié)果來看，當(dāng)涂覆前處理方式為脈沖陽極化時(shí)，產(chǎn)品無法滿足落錘附著力試驗(yàn)檢測要求的根本原因?yàn)椋衡伜辖鹈}沖陽極化膜層自身為孔狀結(jié)構(gòu)，這層脈沖膜雖具有較優(yōu)異的耐磨性及硬度，但較脆，塑性能力差，在外界巨大沖擊力的作用下，膜層脆化、破裂，從基體上脫落，最終導(dǎo)致漆膜易從基體上脫落。如圖7所示，越靠近變形區(qū)域 （受外力越大），脈沖膜變形破裂越嚴(yán)重，漆膜脫落越嚴(yán)重。

圖7 頭部端面不同區(qū)域漆膜脫落情況落錘試驗(yàn)

為進(jìn)一步說明變形量與漆膜脫落嚴(yán)重程度的關(guān)系，進(jìn)行了對比驗(yàn)證。試驗(yàn)方案及結(jié)果見表5，相關(guān)試驗(yàn)圖片如圖8所示。

表5 頭部不同變形量與端面漆膜脫落程度關(guān)系匯總表

圖8 頭部端面不同變形量與涂層脫落程度圖示

從圖8可以看出，頭部變形量越大，漆膜脫落越嚴(yán)重，換言之，頭部變形量越大，因脈沖膜塑性變形能力差，越容易破裂，最終導(dǎo)致漆膜從頭部端面脫落越嚴(yán)重。以上試驗(yàn)結(jié)果亦從側(cè)面證明落錘試驗(yàn)時(shí)，漆膜脫落的根本原因在于脈沖膜受到外力影響而變形、破裂。

4 結(jié)論

對于磷化、藍(lán)色陽極化、噴砂、脈沖陽極化2μm～3μm等前處理方式，鈦合金緊固件鋁涂層均能滿足常用膠帶、劃格、落錘、刮擦等附著力試驗(yàn)檢測要求；對于脈沖陽極化 8μm～10μm前處理方式，鈦合金緊固件鋁涂層可以滿足膠帶、刮擦附著力試驗(yàn)檢測要求，但不能滿足劃格、落錘附著力試驗(yàn)檢測要求。

諸多文獻(xiàn)資料顯示，脈沖陽極化前處理方式可以有效地提升基材與漆膜的附著力，但脈沖陽極化膜層較脆、抗變形能力差，當(dāng)型號產(chǎn)品必須使用脈沖陽極化作為前處理方式時(shí)，則應(yīng)考慮采用型號產(chǎn)品在非變形情況下漆膜的附著力性能。