萬冰華張松林林忠亮寧廣西楊軍

（1航天精工股份有限公司，天津，300300；2上海飛機設計研究院標準材料設計研究部，上海，200232）

研究與探討

航空航天鈦合金緊固件鋁涂層評價指標及方法研究

萬冰華1張松林2林忠亮1寧廣西1楊軍1

（1航天精工股份有限公司，天津，300300；2上海飛機設計研究院標準材料設計研究部，上海，200232）

文摘：基于鋁合金結構中鈦合金緊固件的腐蝕問題，對比分析國外常用鋁涂層性能檢測標準的評價指標與方法，結合緊固件鋁涂層實際使用情況及特殊要求，研究相關標準內(nèi)容需要改進的方面，指出我國緊固件鋁涂層性能檢測標準編制的必要性與迫切性。

專用緊固件；鈦合金緊固件；鋁涂層；性能評價。

1 鋁合金結構中鈦合金緊固件對其的腐蝕

鈦合金緊固件以其優(yōu)異的耐腐蝕性能和綜合力學性能廣泛地應用于航空航天領域，鋁合金結構同樣因其具有較高的比強度而廣泛應用于航空航天領域。實際應用中，常常使用鈦合金緊固件與鋁合金結構進行連接。然而，由于鈦合金本身及其在自然狀態(tài)下產(chǎn)生的鈍化膜具有較高的電位，與接觸連接的鋁合金結構形成電位差，在腐蝕介質(zhì)的作用下發(fā)生電化學接觸腐蝕，導致鋁合金結構發(fā)生腐蝕，如圖1所示，嚴重影響著鋁合金結構的質(zhì)量與可靠性。因此需要對鈦合金緊固件進行防護，降低與鋁合金結構間的電位差，進而減緩或消除電化學腐蝕。

在一般情況下，鈦合金自身具有優(yōu)異的耐蝕性能，可以起到一定的防腐蝕作用。但隨著我國海洋戰(zhàn)略的不斷升級，鈦合金緊固件的服役環(huán)境也越來越惡劣，在含有大量氯離子的環(huán)境中，鈦合金緊固件表面會形成微電池和宏觀電池，破壞金屬表面的鈍化膜，形成孔蝕和縫隙腐蝕，在這種條件下鈦合金緊固件存在著不可預見的腐蝕和由此帶來的故障風險[1]。因此，需要對鈦合金緊固件進行表面防護處理，進一步提升其自身耐腐蝕性能。

2 涂覆鋁技術的優(yōu)勢與相關標準

電鍍鎘、離子鍍鋁和陽極化等方式是防止鈦合金緊固件與被連接件之間產(chǎn)生電化學接觸腐蝕及進一步提升其自身耐腐蝕性能的常用方法。然而，電鍍鎘工藝易引起鈦合金氫脆，并且電鍍鎘的鈦合金緊固件在使用過程中會產(chǎn)生應力脆裂的現(xiàn)象，離子鍍鋁、陽極化等方式存在生產(chǎn)成本高、工藝復雜或者效果不理想等諸多問題[2]，不利于鈦合金緊固件在產(chǎn)品結構中的應用。

涂覆鋁技術是指通過噴涂或浸涂的方式在緊固件表面形成一層主要成分為樹脂、純金屬鋁粉、固化劑以及填料致密的涂層。此方法為解決鈦合金緊固件與鋁合金結構接觸腐蝕的最佳方法，已廣泛應用于全世界航空制造業(yè)[3]。根據(jù)航空行業(yè)標準HB 5374《不同金屬電偶腐蝕測定方法》和曹文健等人研究發(fā)現(xiàn)，未涂覆鋁涂層的鈦合金緊固件與鋁合金的接觸腐蝕等級為最嚴重的為E級，鋁合金作為陽極出現(xiàn)嚴重的腐蝕，而涂覆鋁涂層的鈦合金緊固件與鋁合金的接觸腐蝕等級為B級，接近A級，鋁合金只發(fā)生了輕微的腐蝕[4]。這說明鋁涂層能減小鈦合金緊固件與鋁合金結構之間的電位差，從而起到減緩甚至阻止接觸腐蝕的作用。此外，鋁涂層中含有大量的樹脂、填料以及耐蝕性物質(zhì)，再加上其與基體材料之間有著極好的結合強度以及光滑細膩致密的特點，不僅自身具有優(yōu)異的耐蝕性能，而且能有效地阻止腐蝕介質(zhì)滲透至涂層與基體之間構成腐蝕電池，不會對鈦合金基體產(chǎn)生不良影響，同時還起到一定的防腐蝕作用。

對于鋁涂層的物理、化學性能的評判要求，國內(nèi)尚無相應的參照標準，而國外主要有美國宇航標準委員會頒布的NAS 4006《鋁涂層》、美國Hi-shear公司的Hi-shear 294《緊固件系統(tǒng)鋁涂層》以及歐洲標準EN 4473《航空航天系列—緊固件鋁涂層—技術規(guī)范》等3項標準作為航空鈦合金緊固件鋁涂層評判的標準。

以上3項標準對鋁涂層性能評價指標及方法要求各不相同，本文將結合標準的內(nèi)容及筆者對鋁涂層各項性能指標的理解，系統(tǒng)分析鋁涂層性能評價指標及方法，以期為我國緊固件鋁涂層性能評價標準的編制提供借鑒。

3 鋁涂層標準的主要內(nèi)容

3.1 鋁涂料成分要求

由于不同鋁涂料制造廠商使用的樹脂、固化劑類型及含量、鋁粉粒徑及含量、填料類型及含量各不相同，故3項鋁涂層標準并未對鋁涂料的成分作明確的規(guī)定。但EN 4473標準對鋁涂料的成分進行了限定，明確要求鋁涂料中禁止含有鉛、石墨，類型Ⅱ和Ⅳ（Ⅱ型指不含鉻酸鹽且需要涂十六醇潤滑劑的涂層；Ⅳ型指不含鉻酸鹽且不需要額外涂潤滑劑的涂層）不允許含有六價鉻。這主要是因為EN 4473標準屬于歐洲標準，使用國家絕大部分為歐盟國家，而歐盟于2006年7月1日開始實施RoHS《關于限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令》，歐盟范圍內(nèi)進出口產(chǎn)品中禁止含有鉛以及六價鉻等劇毒物質(zhì)出現(xiàn)。而石墨具有一定的導電性，它的存在可能會加劇鈦合金緊固件與鋁合金結構的接觸腐蝕。

因此，我國鋁涂層緊固件產(chǎn)品若要進入歐盟航空市場（如空客），首先要提升鋁涂料加工制造工藝，生產(chǎn)出符合RoHS法令的鋁涂料。然而結合我們對國內(nèi)幾家主要鋁涂料制造廠商的調(diào)研來看，還有很長的路要去探索。

3.2 鋁涂層性能要求

3.2.1 鋁涂層外觀

鋁涂層外觀性能主要包括顏色、表面光潔度、表面有無缺陷等。其中，鋁涂層的顏色與樹脂的類型、固化溫度以及后處理方式有很大關系，標準一般不必對涂層外觀顏色作出明確規(guī)定。Hi-shear 294標準之所以要求鋁涂層顏色呈金色主要是因為，Hi-shear公司生產(chǎn)的Hi-Kote 1鋁涂料樹脂為酚醛，其固化后的顏色為金色。表1為不同鋁涂層標準對外觀要求匯總表。

表1 不同鋁涂層標準對外觀要求

表面光潔度與鋁涂料成分、涂覆工藝有關系，實際使用時為防止緊固件鋁涂層與裝配連接件產(chǎn)生較大的摩擦力，鋁涂層表面光滑、均勻是最為理想的狀態(tài)。

表面有無缺陷與涂覆前處理方式和涂覆工藝參數(shù)（如噴涂距離、噴涂壓力等）是否合理、涂覆緊固件表面和涂覆環(huán)境是否清潔等有很大關系。綜合使用情況來看，鋁涂層應無針孔、氣泡、積瘤或者影響涂層功能的有害缺陷。

3.2.2 涂層厚度

涂層厚度是評價鋁涂層防接觸腐蝕和犧牲陽極防腐蝕性能的重要指標。除EN 4473標準特別要求內(nèi)螺紋產(chǎn)品涂層厚度為5μm～20μm以外，其他2項標準對涂層厚度的要求均為5μm～13μm。3項標準均考慮到緊固件具有批次數(shù)量多、尺寸小、形狀各異以及涂覆方式局限性等實際情況，對緊固件某些部位涂層厚度要求進行了特殊說明，具體見表2。

表2 不同鋁涂層標準對厚度要求

考慮到鋁涂層的主要作用是防止接觸腐蝕，緊固件任何與連接件相接觸部位的涂層厚度均應滿足標準要求，否則就很容易發(fā)生接觸腐蝕，引起質(zhì)量事故?；谶@一點，EN 4473標準對涂層厚度的要求則更為合理，不但定義了功能表面，而且列舉出常用緊固件的功能表面區(qū)域以供使用者參考。

對于涂層厚度的測試方法，3項標準均引用NASM 1312-12，要求采用任意一種方法進行。其標準有很多種測試方法，如點滴法、磁性法、渦流法、顯微鏡法、庫倫法、尺寸轉(zhuǎn)換法以及退膜稱重法等，每種方法均有其優(yōu)點和局限性。因此，如何快速準確地檢測緊固件所有功能表面鋁涂層的厚度將成為后期研究的一個重點。

3.2.3 附著力

附著力是考察鋁涂層與緊固件基體材料之間結合程度的指標，直接影響到鋁涂層與連接件的裝配使用。涂覆前處理方式（如陽極化、磷化、噴砂、凝膠溶膠等）、涂覆工藝參數(shù)以及涂層厚度等對鋁涂層附著力均有很大的影響。3項標準均對鋁涂層的附著力作了詳細規(guī)定，具體要求見表3。

表3 不同鋁涂層標準對附著力要求

綜合來看，Hi-shear 294標準描述的落錘法（如圖2a）所示）更為科學，受人為因素和設備因素的影響較小，重復性較好，但不適用于凸頭緊固件和直徑＞3/8英寸的沉頭緊固件。EN 4473標準描述的劃格法（如圖2b）所示）則要求緊固件具有一定面積的平面區(qū)域，以便于劃格法測試，這對絕大多數(shù)緊固件而言是無法滿足的。NAS 4006標準描述的切割法雖然可適用于所有的緊固件類型，但受人為因素影響巨大，重復性較差；彎曲時很難操作，重復性也較差。因此，如何快速、準確檢測鋁涂層的附著力性能，仍需要進一步研究。

3.2.4 耐熱性

耐熱性是考察緊固件鋁涂層短期內(nèi)在高溫條件下的穩(wěn)定性，鋁涂料中樹脂類型對其影響最為顯著。3項標準均對鋁涂層的耐熱性作了詳細規(guī)定，具體要求見表4。

表4 不同鋁涂層標準對耐熱性要求

3項標準均要求先將緊固件在一定溫度下保溫，然后再進行附著力試驗。所不同的是NAS 4006和Hi-shear294標準要求保溫溫度為（190± 14）℃，而EN4473標準要求保溫溫度為（315± 14）℃，時間均為4h。

具體的保溫溫度和時間應由客戶根據(jù)緊固件的實際使用情況確定，而鋁涂料制造廠商應選用合適的樹脂類型，以滿足鋁涂層耐熱性能要求，防止出現(xiàn)如圖3所示的情況。

3.2.5 耐脫漆劑性

耐脫漆劑性能測試是考察產(chǎn)品在清洗維修過程中，為了防止清洗劑對緊固件表面鋁涂層造成不利影響而設定的。3項標準均對鋁涂層的耐脫漆劑作了詳細規(guī)定，具體要求見表5。

表5 不同鋁涂層標準對耐脫漆劑性要求

對于國內(nèi)各大主機廠而言，并不能完全照搬國外的鋁涂層標準，而應根據(jù)實際產(chǎn)品清洗維修時所使用的清洗劑類型來要求緊固件供應商進行鋁涂層性能的鑒定試驗。

而對于試驗方法，Hi-shear294和NAS 4006標準均要求浸泡脫漆劑后再進行附著力和鉛筆硬度測試，要求涂層附著力不得下降，鉛筆硬度降低不超過2個。而結合筆者在做鉛筆硬度試驗時發(fā)現(xiàn)，人為影響因素很多，包括鉛筆的制造廠家，鉛筆筆頭的形狀及鋒利程度，推壓鉛筆時的角度和力量，以及試驗員評價有無劃破涂層等均會對試驗結果造成一定的偏差。因此，緊固件供應商應與客戶充分協(xié)商鉛筆硬度試驗程序細節(jié)，避免在試驗結果評價出現(xiàn)分歧。

3.2.6 耐液性

3項標準均對鋁涂層的耐液性作了詳細規(guī)定，具體要求見表6。

表6 不同鋁涂層標準對耐液性要求

耐液性測試是考察緊固件長期浸泡于飛機用液壓油中的穩(wěn)定性。與耐脫漆劑性相同，對于國內(nèi)各大主機廠而言，并不能完全照搬國外的鋁涂層標準，而應根據(jù)實際產(chǎn)品使用的液壓油類型要求緊固件供應商進行鋁涂層性能的鑒定試驗。

3.2.7 脆性

除NAS4006標準外，Hi-shear294以及EN 4473均對鋁涂層的脆性作了詳細規(guī)定，具體要求見表7。

表7 不同鋁涂層標準對脆性要求

傳統(tǒng)電鍍鎘的鈦合金緊固件在使用過程中會產(chǎn)生應力脆裂的現(xiàn)象，因此考察鋁涂層是否也會引起鈦合金緊固件的脆裂就顯得格外重要[5]。

Hi-shear 294對脆性試驗的過程進行了詳細描述，而EN4473僅要求按NASM1312-5要求進行，并未對細節(jié)進行描述，尤其是暴露的溫度要求。

由于最初脆性試驗是為考察電鍍鎘對鈦合金基體產(chǎn)品是否會產(chǎn)生應力脆裂而設定的。多年的實際生產(chǎn)經(jīng)驗和理論分析表明，鋁涂層并不會對緊固件基體的冶金特性產(chǎn)生影響，也不會產(chǎn)生應力脆裂，且所有緊固件在表面處理之前均進行過金相檢測，確保緊固件本身無裂紋或異常金相組織。圖4為涂鋁緊固件經(jīng)脆性試驗后典型螺紋金相圖。

從圖4中可以看出，涂鋁緊固件經(jīng)過脆性試驗后緊固件螺紋處并無裂紋出現(xiàn)，即對于緊固件鋁涂層鑒定試驗而言，可以取消脆性試驗項目。因此，NAS 4006標準在2014年進行版本修訂時，取消了脆性試驗項目，說明國外標準認為涂覆鋁涂層并不會對緊固件本身產(chǎn)生有害影響。

3．2.8 耐腐蝕性

3項標準均對鋁涂層的耐蝕性作了詳細規(guī)定，具體要求見表8。鋁涂層（含鉻）交替浸漬標準要求見表9。不同鋁涂層標準耐蝕性試驗工裝要求見表10。

表8 不同鋁涂層標準對耐蝕性要求

表9 鋁涂層（含鉻）交替浸漬要求

表10 不同鋁涂層標準對耐蝕性試驗工裝要求

3項標準均要求將鋁涂層的緊固件安裝在鋁合金工裝中，在一定鹽霧環(huán)境中暴露，然后評價鋁合金工裝沉頭孔的腐蝕程度。所不同的是鹽霧試驗的類型、鋁合金工裝的干涉量及表面處理方式以及鹽霧試驗結果的評價標準。

綜合來看，Hi-shear294對鋁涂層的耐腐蝕性能要求最為嚴格，也最為貼合緊固件鋁涂層的實際使用環(huán)境情況。其不但要求進行間歇試驗（按ASTM G85附錄2），而且還要求進行交替浸漬試驗，并針對含鉻和不含鉻涂層提出了不同的鹽霧評價方式，是最為嚴格的涂層耐蝕性能評價標準。

此外，NAS 4006和Hi-shear 294要求鋁合金工裝板進行硫酸陽極化，而EN 4473要求進行鉻酸陽極化，這與實際使用過程中緊固件所連接的鋁合金板的表面處理方式有很大關系。然而，鋁合金板的表面處理方式對涂層耐蝕性并無任何影響，這主要是因為鋁合金工裝沉頭孔是在表面處理后加工的，整個鹽霧試驗過程中，鋁合金工裝的沉頭孔呈本色狀態(tài)。

3．2.9 安裝力

EN 4473對鋁涂層的安裝力作了詳細規(guī)定，Hi-shear294雖然未對鋁涂層的安裝力矩提出要求，但Hi-shear公司的另外1項標準Hishear397《鈦合金緊固件系統(tǒng)自潤滑鋁涂層》對自潤滑鋁涂層的安裝力矩提出相關要求，具體要求見表11。

表11 不同鋁涂層標準對安裝力要求對比

Hi-shear 397為Hi-shear公司編制的針對自潤滑鋁涂層的鑒定試驗要求，適用于其制造的Hi-kote 4鋁涂層；EN 4473中包含了需要額外涂覆十六醇潤滑劑的非自潤滑鋁涂層，如Ⅰ型和Ⅱ型以及不需要額外涂覆十六醇潤滑劑的自潤滑鋁涂層，如Ⅲ型和Ⅳ型。此外，其最主要區(qū)別在于：Hi-shear 397要求采用1塊2024-T6的鋁合金工裝板進行安裝試驗，而EN 4473要求采用2塊7075-T6的鋁合金工裝板進行安裝試驗。

3．2.10 漆膜附著力

僅EN 4473標準對鋁涂層的漆膜附著力作了詳細規(guī)定，具體要求見表12。

表12 EN4473標準對漆膜附著力的要求

漆膜附著力是考察鋁涂層與航空面漆的附著力性能。由于兩者之間的附著力與很多因素有關系，如涂覆航空面漆前鋁涂層表面的清潔度，涂漆的工藝及后處理方式等。因此，緊固件供應商在進行此項目檢測時應與客戶進行溝通、協(xié)調(diào)，統(tǒng)一涂覆航空面漆的工藝流程，避免此項目的檢測結果出現(xiàn)分歧。

4 結論

a）經(jīng)檢測，國內(nèi)鋁涂料中含有鉻、鉛等有毒有害物質(zhì)，不符合綠色制造理念，相關行業(yè)應加大研發(fā)力度，提升我國鋁涂層在國際上的競爭力。

b）國外鋁涂層檢測標準的內(nèi)容及方法仍存在一定的不足，如無法快速準確地檢測緊固件所有功能表面鋁涂層的厚度以及鋁涂層的附著力性能等。

c）在檢測鋁涂層鉛筆硬度及漆膜附著力性能時，緊固件供應商應與客戶充分協(xié)商試驗程序細節(jié)，避免試驗結果評價出現(xiàn)分歧。

d）緊固件供應商應與主機企業(yè)進行交流溝通，確定耐脫漆劑與耐液性性能檢測所使用的化學物質(zhì)類型及使用方法，以獲得更為貼近實際的數(shù)據(jù)，提高緊固件鋁涂層的質(zhì)量與可靠性及穩(wěn)定性。

e）我國并無相關緊固件鋁涂層性能檢測標準，有關單位及部門應根據(jù)我國緊固件鋁涂層加工及使用實際情況，組織編制鋁涂層性能檢測標準，提升國內(nèi)鋁涂層在國際上的競爭力。

[1]房昺，張鵬飛，原玲，等.鈦合金緊固件用鋁涂料的性能與應用[J].涂料工業(yè)，2013，43（5）,17～22.

[2]謝發(fā)勤，金石，嚴密林，等.離子鍍鋁的鈦合金緊固件的耐蝕性能研究[J].西北工業(yè)大學學報，1995，13（1）.

[3]劉風雷，殷躍軍，劉丹，等.腐蝕科學與防護技術[J].鈦合金緊固件涂鋁技術,2012, 24（4）.

[4]曹文健，湯智慧，原玲，等.裝備環(huán)境工程,鈦合金緊固件用鋁涂層抗電偶腐蝕行為研究[J].2016,13（1）．

[5]徐良.航空鈦合金緊固件鋁涂層性能規(guī)范研究[J].航空標準化與質(zhì)量，2012（1）.

萬冰華（1985年—），男，工程師，現(xiàn)從事材料腐蝕與防護的設計及工藝研究工作。