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钛合金紧固件由于具有重量轻、比强度大、抗疲劳、耐腐蚀等优良综合性能, 被广泛应用于现代先进飞机机体结构中. 在飞机连接装配中, 钛合金紧固件与铝合金材料存在着较高的电位差, 若连接部位处理不当, 极易产生电位腐蚀, 腐蚀严重则会使结构发生失效破坏. 因此, 解决钛合金紧固件与铝合金结构连接时的电位腐蚀问题, 是保证现代飞机长寿命高可靠性连接的一项重要任务 .
对于铝合金结构装配钛合金紧固件, 防止电位腐蚀的方法有多种, 其中最佳解决方法是在钛合金紧固件表面涂覆一层防腐铝涂层, 目前该方法已被全世界航空制造业大量采用. 本文即针对钛合金紧固件与铝合金结构连接的防护机理、钛合金紧固件涂铝技术和涂铝效果进行阐述, 为国内钛合金紧固件使用于铝合金结构提供高效可靠的涂铝技术、方法.
1 铝涂层防护机理及效果
钛合金装配于铝合金结构时, 由于产生较高的电位差, 在电解质作用下会发生电化学腐蚀, 对于电化学腐蚀防护的基本途径主要有两种: (1) 使阳极或阴极绝缘; (2) 消除阳极或阴极区域的离子导电率. 基于以上两种途径, 主要有以下4种防护方法:(1) 采用镀镉或镀铝镀层的紧固件; (2) 采用有机或无机涂层涂覆的紧固件; (3) 在安装过程中采用湿的底漆或弹性密封胶; (4) 采用锌铬涂层涂覆紧固件或结构元件.
但是, 以上这些方法均不能完全起到防护作用,并且通过其中某些方法产生的表层没有足够的韧性或粘性, 以及存在着过高的制造成本等问题, 这些因素促使人们不断开展研究以获得更好的方法, 如在紧固件或结构的外表面涂一层含铝、含氟和含铬酸盐或含二硫化钼、含氟和含铬酸盐类型的涂料, 从而导致了涂铝技术的诞生.
国外公司研制的钛合金紧固件防腐蚀铝涂料可涂覆出厚度均匀、光滑细腻致密和防护性能较好的涂层, 不仅能够满足235 ℃的高温使用条件, 而且不需要为防止电化学腐蚀而在装配过程中附加密封, 同时与基体材料之间有着极好的结合强度, 不会对基体材料产生不良影响. 另外, 铝涂料用于各种钛合金、高强耐蚀钢紧固件表面的防护, 具有优异的腐蚀抑制作用, 在高温高应力作用下具有较好的抗应力脆化作用, 安装润滑性能优越, 能抵抗各种液压液体、燃油、洗漆剂和清洗剂而不变质, 耐热性好, 粘结性好.
2 涂铝技术
国内以前使用的钛合金紧固件主要采用裸露状态或蓝色阳极极化状态, 而随着国内多种机型发展需要, 对钛合金紧固件涂铝技术也相应地提出了强烈的需求.
钛合金紧固件表面涂铝技术主要包括铝涂料、涂覆方法和涂覆工艺. 铝涂料是涂铝技术的基础, 其好坏关系到能否涂覆到紧固件表面和涂覆到紧固件表面后防腐等性能指标要求能否实现. 涂覆方法关系到产品的质量一致性以及能否实现大批量生产,而涂覆工艺则是铝涂料与钛合金紧固件粘结能力和质量稳定性的关键.
2.1 铝涂料
防腐铝涂料所包含的具体成分、尺寸大小、含量等因素对性能产生主要影响. 成分主要包含铝粉、粘结剂、防腐剂、润滑剂、稀释剂等, 其中所有粉末均有一定的细度要求, 采用的树脂为苯甲醛树脂, 防腐剂为铬盐化合物, 润滑剂为PTFE粉末, 采用稀释剂调好喷涂固化后, 涂层具有较强的结合强度, 表面颜色与国外产品一致, 组织状态也较一致, 具体情况如图1所示.
2.2 涂覆工艺
涂覆工艺须保证涂覆后外观无缺陷、涂层厚度均匀一致. 紧固件涂铝用的铝涂料为液态, 其涂覆方式可以采用喷涂和离心浸涂. 对于民用紧固件表面涂覆, 工业上大都采用离心浸涂和喷涂等方式.
离心浸涂工艺是将工件浸泡在涂料中, 待涂料完全覆盖全部工件后, 将工件取出并放置于离心机中, 通过离心力的作用将附着于工件表面的涂料均匀化, 并将多余的涂料抛出, 从而实现工件的大批量涂覆. 该工艺生产效率高, 劳动强度低, 易于实现自动控制, 是用钢紧固件工业化生产中普遍采用的方法. 但是, 对于钛合金紧固件的表面涂铝, 这种工艺存在以下问题: 工件离心干燥后表面较粗糙, 在离心过程中, 由于工件之间相互接触, 在搭接面上容易造成涂料的堆积或粘掉现象, 不符合标准要求的外观均匀一致的要求.
喷涂工艺分为手工喷涂和设备喷涂, 手工喷涂可以在涂后获得较为均匀的表面, 涂层厚度可控制在某一范围内, 达到标准要求, 但其效率较低, 一般需要靠操作者的熟练程度保证. 综合考虑离心浸涂工艺和喷涂工艺的工作原理, 发展而成了采用涂铝机进行喷涂的工艺方法. 涂铝机涂覆具有生产效率高及涂料利用率高、操作简便、可实现数据采集及打印等特点, 能够满足钛合金紧固件涂覆铝涂层的批量生产需求, 符合涂层性能和质量均匀性要求, 表面均匀且光滑.
对涂铝机涂覆的试验件进行金相检查, 观察并测量螺栓杆部、螺纹部分的涂层厚度, 获得的涂层厚度在 7～10 μm 之间(标准规定涂层厚度为 5～12.5 μm), 完全符合标准要求(图2).
3 涂铝件的性能试验
钛合金涂铝后, 其性能是否合格, 需经过物理、化学、冶金检查, 并对试验件进行安装试验、涂层性能试验以及机械性能试验, 以验证涂层及涂覆工艺的合格性. 通过一系列试验表明, 采用国产铝涂料和涂覆工艺涂覆的产品各种性能指标均满足标准规定要求. 具体试验结果如下:
(1) 安装试验: 试验件干涉安装压入铝板中, 并在安装之后观察其杆部, 未发现涂层脱落现象.
(2) 外观: 涂层表面光滑平整, 具有金黄色光泽,无气孔、气泡、凹坑等不平整缺陷.
(3) 涂层厚度: 被测紧固件所有工作面的涂层厚度均在5～12.5 μm之间, 且零件锐边的涂层覆盖完全.
(4) 结合力试验: 落锤试验结果表明紧固件涂层未出现明显的涂层剥落现象.
(5) 涂漆结合力试验: 按标准进行试验, 试验件均满足指标要求.
(6) 耐流体性: 工件浸入某型流体, 在一定温度下浸泡30 d, 涂层硬度和涂层结合力均达到要求.
(7) 耐脱漆剂: 室温下将紧固件浸入某型脱漆剂中浸泡24 h, 其结合力和涂层硬度均满足要求.
(8) 脆性: 将4个埋头钛合金紧固件按要求干涉装配在高强铝合金垫块里, 并按标准规定加载, 在某温度下至少暴露3 d, 未发现在紧固件头下圆角处和螺纹区域存在裂纹, 因而脆性试验符合要求.
(9) 防腐性: 将 5 个紧固件间隙安装在铝试片上, 进行乙酸-盐雾试验, 试验结果表明, 安装涂铝层钛合金紧固件的铝合金表面腐蚀区域小于安装未涂铝紧固件铝合金, 满足设计要求.
(10) 耐热性: 将试验件加热至某一温度并保温,在空气中冷却, 并对加热后的紧固件试样进行外观检查和结合力试验, 涂层无气泡或裂纹产生, 落锤试验后涂层未出现明显的涂层剥落现象.
(11) 装配压力: 按要求进行的干涉安装装配压力, 试验结果均满足要求.
(12) 力学性能试验: 对涂后试验件和未涂覆涂层的试验件分别以GJB715为依据, 按照HB6568进行剪切试验、拉伸试验、应力持久、高周疲劳, 试验结果均符合要求.
4 结论
对于铝合金结构安装钛合金紧固件, 由于两者具有较高的电位差, 因而如不采用隔离措施, 则会由于电解质的作用, 对铝合金结构产生严重的剥离, 使得结构发生失效. 通过采用紧固件表面喷涂铝涂层技术可很好地解决电位腐蚀问题. 国内通过近年来的研发, 已具有满足性能要求的铝涂料技术和自动化涂覆技术, 所涂覆的工件通过鉴定达到了国外BMS10-85等标准要求, 通过系列化的试验及生产,已能够进行大批量生产, 下一步仍需在其它种类的钛合金紧固件、合金钢紧固件以及其它材料紧固件上进行试验, 以满足飞机装配要求.