航空鈦合金緊固件鋁涂層性能規(guī)范研究

徐 良

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

現(xiàn)今大部分鋁合金航空結(jié)構(gòu)使用高強(qiáng)度的鈦合金緊固件進(jìn)行安裝連接。鈦合金材料本身耐蝕性很好，基本不需要進(jìn)行防護(hù)措施，但由于鈦合金鈍態(tài)電位較高，易和連接件鋁合金結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電偶腐蝕，造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)破壞，因此通過防護(hù)的措施阻止電偶腐蝕就尤為重要。

電鍍鎘以及濕裝配是防止鈦合金緊固件與連接件之間產(chǎn)生電偶腐蝕的傳統(tǒng)方法。但由于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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力脆裂的現(xiàn)象，另外濕裝配會(huì)增加安裝成本和帶來相應(yīng)的產(chǎn)品適應(yīng)性問題，故而在某種程度上限制了鈦合金緊固件在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[1]。

鋁涂層目前逐漸成為代替鍍鎘工藝的方法。鋁涂層也稱鋁顏料，是由純金屬鋁制備的一種片狀產(chǎn)品[2]，它不僅能夠阻隔緊固件基體與腐蝕介質(zhì)相接觸，而且在犧牲本身的同時(shí)對(duì)周圍的構(gòu)件起到了陽極保護(hù)作用[3]。

各種鋁涂層的成型原理各不相同，目前應(yīng)用于鈦合金緊固件較多的有電沉積鍍鋁、真空沉積鋁以及樹脂基涂層等。

1 鋁涂層性能規(guī)范

目前，國(guó)內(nèi)外涂鋁鈦合金緊固件制造商以及飛機(jī)制造商和空軍一般會(huì)選用美國(guó)宇航標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)頒布的NAS 4006 ALUMINUM COATING、波音公司的BMS 10-85 Aluminum Pigmented Coating for Fasteners以及美國(guó)Hi-Shear公司的Hi-Shear 294 Aluminum Pigmented Coating for Fastener Systems這3份標(biāo)準(zhǔn)作為航空鈦合金緊固件鋁涂層評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)。

NAS 4006是美國(guó)宇航標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)頒布的航空鈦合金緊固件鋁涂層規(guī)范，適用于一切緊固件及緊固件系統(tǒng)的鋁涂層的性能評(píng)價(jià)，NAS 4006一般被美國(guó)軍方選用。

BMS 10-85是波音公司在采購(gòu)?fù)夸X緊固件時(shí)制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，適用于鈦合金、不銹鋼以及低合金鋼緊固件或緊固件系統(tǒng)鋁涂層的評(píng)價(jià)。

Hi-Shear 294是美國(guó)Hi-Shear公司自己研制的鈦合金緊固件鋁涂層的產(chǎn)品規(guī)范。Hi-Shear公司鈦合金緊固件涂鋁的技術(shù)上非常先進(jìn)，其開發(fā)酚醛基鋁涂層完全符合嚴(yán)酷的美國(guó)宇航標(biāo)準(zhǔn)NAS 4006 的規(guī)定，已經(jīng)廣泛用于美國(guó)空軍及波音飛機(jī)鈦合金緊固件上。Hi-Shear 294只適用于它自己研制的一種酚醛基鋁涂層的評(píng)價(jià)。

以上3份標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)鈦合金緊固件或緊固件系統(tǒng)的鋁涂層性能要求和評(píng)價(jià)項(xiàng)目進(jìn)行了規(guī)定，總的來看，主要包括物理性能、冶金性能以及電化學(xué)性能，具體評(píng)價(jià)項(xiàng)目見表1。雖然各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的具體性能要求及用來驗(yàn)證其性能的檢測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目大體相似，但具體的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)上還是有區(qū)別的，我們將針對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)之間的區(qū)別進(jìn)行討論。

表1 鈦合金緊固件鋁涂層項(xiàng)目評(píng)價(jià)表

我國(guó)目前還沒有用于航空鈦合金緊固件鋁涂層的規(guī)范，而先進(jìn)國(guó)產(chǎn)飛機(jī)對(duì)涂鋁鈦合金緊固件的需求非常大，各個(gè)航空緊固件制造廠也在大量的生產(chǎn)涂鋁鈦合金緊固件，我國(guó)航空緊固件行業(yè)極其需要自己的鋁涂層規(guī)范。

2 鋁涂層性能要求

2.1 物理性能

2.1.1 涂層厚度

3份標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，鈦合金緊固件的鋁涂層在所有可視表面厚度要求為5～12μm。NAS 4006及Hi-Shear 294中明確規(guī)定用NASM 1312-12金屬涂層厚度規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試，而BMS 10-85則要求相對(duì)寬松，只要精度可以達(dá)到±2.5μm的任何方法都可以使用。

考慮到一些有機(jī)鋁涂層采用噴涂方式成型的情況，因緊固件都存在銳邊，其涂層厚度往往會(huì)薄一些，而像一些如十字槽、齒輪槽及特殊頭型或螺紋牙底等位置可能會(huì)出現(xiàn)涂層過厚的情況，故只可對(duì)緊固件可視表面的涂層進(jìn)行厚度規(guī)定。NAS 4006中定義可視表面為可被5.08 mm直徑小球接觸到的表面，BMS 10-85定義可視表面為可被19.05 mm直徑小球接觸到的表面，Hi-Shear 294中未定義可視表面而只規(guī)定緊固件的銳邊可以達(dá)不到最小涂層厚度要求，但需要被涂層完全覆蓋。

相比之下，NAS 4006及BMS 10-85嚴(yán)格定義了可視表面，相對(duì)Hi-Shear 294更加嚴(yán)謹(jǐn)一些，以一定直徑小球接觸緊固件是定義可視表面比較好的方法，但實(shí)際操作卻比較困難。如何簡(jiǎn)便易行的測(cè)量出緊固件可視表面的涂層厚度是一個(gè)值得深入研究的問題。

2.1.2 外觀

NAS 4006對(duì)于鋁涂層外觀的要求是涂層應(yīng)光滑、均一并且沒有針孔、松孔、起泡、結(jié)塊、凹坑或其他有害缺陷。

Hi-Shear 294對(duì)于鋁涂層的外觀要求與NAS 4006大致相同，但因?yàn)榍罢咧会槍?duì)其公司生產(chǎn)的Hi-Kote涂層即酚醛基鋁涂層進(jìn)行規(guī)范，所以Hi-Shear 294還要求涂層的顏色為金黃或者黃色。

BMS 10-85對(duì)于鋁涂層的外觀要求也與NAS 4006大致相同，但還附加規(guī)定了緊固件的螺紋和鎖緊槽區(qū)域可以有符合一定限制的夾具夾持痕跡或小裸露疵點(diǎn)。

3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于涂層外觀的基本要求是大致相同的，Hi-Shear 294之所以規(guī)定了涂層的顏色是因?yàn)樗会槍?duì)酚醛基鋁涂層而不包括其他鋁涂層，比如通過離子氣相沉積（IVD）方式得到的白色鋁涂層。除了對(duì)顏色的規(guī)定，我們認(rèn)為BMS 10-85因考慮到了夾具夾持痕跡等問題而更加全面，這也給緊固件鋁涂層外觀評(píng)價(jià)提供了實(shí)際操作的依據(jù)。

2.1.3 結(jié)合力

NAS 4006中規(guī)定可以通過刮掉鋁涂層至露出緊固件基體，在4倍放大下觀察基體裸露邊緣是否有明顯涂層剝落現(xiàn)象；或者可以將緊固件夾在臺(tái)鉗上并凸出一部分，而后前后彎曲它直到出現(xiàn)開裂，觀察開裂的邊緣是否能夠被揭起或在4倍放大鏡下看涂層和基體金屬是否分離。

BMS 10-85和Hi-Shear 294 則區(qū)分了沉頭和凸頭緊固件的評(píng)價(jià)方法。對(duì)于沉頭緊固件，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將緊固件放置在落錘試驗(yàn)機(jī)的靜負(fù)載壓盤上，砸至頭部與桿徑齊平，用大約4倍的放大鏡檢查緊固件頂部看是否有涂層剝落現(xiàn)象發(fā)生，落錘試驗(yàn)前后對(duì)比見圖1。而對(duì)于凸頭緊固件，標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定應(yīng)用3M公司半年內(nèi)生產(chǎn)的No.250膠帶或等同的產(chǎn)品，粘牢緊固件桿部或頭部，垂直撕開膠帶后在4倍放大鏡下觀察看是否有涂層分離。

我們認(rèn)為BMS 10-85和Hi-Shear 294標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于沉頭緊固件鋁涂層結(jié)合力的測(cè)試規(guī)定即應(yīng)用落錘試驗(yàn)的方法可重復(fù)性較好，但落錘試驗(yàn)的缺點(diǎn)就是不能應(yīng)用于凸頭緊固件；通過刮掉涂層、在臺(tái)鉗上彎曲或使用3M膠帶等方法人為因素過多，可重復(fù)性差，一種針對(duì)凸頭緊固件鋁涂層結(jié)合力的測(cè)試方法亟待研究。

圖1 落錘試驗(yàn)前后對(duì)比圖

2.1.4 耐熱性

對(duì)于鈦合金緊固件鋁涂層的耐熱性測(cè)試， Hi-Shear 294與NAS 4006規(guī)定將涂鋁緊固件加熱至190℃±14℃，保溫4h，在空氣中冷卻后進(jìn)行結(jié)合力性能測(cè)試。

BMS 10-85與前兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)基本相同，只是試驗(yàn)溫度規(guī)定為190℃+14℃而非190℃±14℃。2.1.5 耐液壓油

3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了緊固件鋁涂層必須具有在特定液壓油中長(zhǎng)期浸泡而不損失結(jié)合力的性能。浸泡時(shí)間在各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中均為30天，浸泡后結(jié)合力不能損失且涂層不能降低超過兩個(gè)鉛筆硬度（鉛筆硬度指的是用某一硬度的鉛筆（如7H）去刮劃涂層，如果剛好不能劃破而8H的鉛筆又能夠?qū)⑼繉觿澠?，則該涂層的鉛筆硬度就是7H。），但液壓油的種類、浸泡的溫度以及鉛筆硬度試驗(yàn)的操作細(xì)節(jié)有所區(qū)別。

NAS 4006及Hi-Shear 294規(guī)定將涂鋁緊固件浸入磷酸酯液壓油（Aerosafe 2300 或相當(dāng)產(chǎn)品）中，溫度65.6℃±2.7℃放置30天，而BMS 10-85則要求將涂鋁緊固件浸入要求使用BMS 3-11 HYDRAULIC FLUID，F(xiàn)IRE RESISTANT規(guī)定的液壓油中，溫度21.1℃±2.8℃放置30天。

NAS 4006中未對(duì)鉛筆硬度試驗(yàn)做出詳細(xì)規(guī)定；BMS 10-85規(guī)定每次測(cè)試前都應(yīng)將鉛筆削成方頭；Hi-Shear 294則要求以45°的角度用鉛筆對(duì)涂層刮劃來進(jìn)行測(cè)試。我們認(rèn)為3份標(biāo)準(zhǔn)中鉛筆硬度試驗(yàn)的人為影響因素過多，一種適用于緊固件的涂層鉛筆硬度測(cè)試方法將是一個(gè)研究方向。

2.1.6 耐脫漆劑

NAS 4006及Hi-Shear 294規(guī)定將涂鋁緊固件在23.9℃±2.8℃浸入符合MIL-R-81294 Remover，Paint，Epoxy System標(biāo)準(zhǔn)的脫漆劑中浸泡24h，取出后結(jié)合力不能損失且涂層不能降低超過兩個(gè)鉛筆硬度。

BMS 10-85中對(duì)此項(xiàng)性能的規(guī)定與前兩份標(biāo)準(zhǔn)基本一致，只是浸泡溫度為21.1℃±2.8℃，并且選用的脫漆劑限定為了德國(guó)漢高公司的Turco 5351型脫漆劑。因?yàn)門urco 5351也符合MIL-R-81294 ，因此也可用于前兩份標(biāo)準(zhǔn)。

這里所說的脫漆劑實(shí)際上是飛機(jī)清洗劑，其主要用于飛機(jī)機(jī)身外表面或機(jī)艙內(nèi)部某些部位的清洗，為了防止在飛機(jī)清洗的過程中鈦合金緊固件的鋁涂層脫落，故而各個(gè)鋁涂層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都設(shè)置了此項(xiàng)試驗(yàn)。根據(jù)我們對(duì)國(guó)內(nèi)一些廠家鈦合金緊固件鋁涂層的評(píng)價(jià)，本項(xiàng)試驗(yàn)的通過率很低，而且各廠家的鋁涂層耐脫漆劑性能可以說是參差不齊，比如有的放入脫漆劑中1～2h涂層就完全脫落，有的則是浸泡24h后有輕微起泡，見圖2，但這些都是不能通過本項(xiàng)性能測(cè)試的。可以說，耐脫漆劑試驗(yàn)是所有鋁涂層性能評(píng)價(jià)項(xiàng)目中比較嚴(yán)酷的一項(xiàng)。

圖2 鈦合金涂鋁緊固件耐脫漆劑試驗(yàn)后形貌

2.1.7 安裝力

BMS 10-85要求對(duì)涂鋁的緊固件進(jìn)行安裝力試驗(yàn)，它通過將按照波音標(biāo)準(zhǔn)潤(rùn)滑后的高干涉配合緊固件壓入指定厚度和孔干涉量的2024-T351板中，壓力機(jī)的壓入力及壓入速率標(biāo)準(zhǔn)中也作出了詳細(xì)規(guī)定，測(cè)量緊固件在頭下圓角的引入線壓入板孔之前的最大壓入力值，所得到的結(jié)果在平均值及最大值都不應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。本項(xiàng)試驗(yàn)主要是考察鋁涂層的潤(rùn)滑性。

NAS 4006及Hi-Shear 294未規(guī)定此項(xiàng)試驗(yàn)。

2.2 冶金性能（脆裂）

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

脆裂性能是通過將涂鋁后的鈦合金緊固件過盈配合裝入7075-T6鋁合金板子中，通過螺母的鎖緊使緊固件的的預(yù)緊力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度的80%，之后將組裝后的鋁板放置在148.9℃±5.5℃的環(huán)境中暴露72h，最后剖開進(jìn)行200倍金相觀察看緊固件是否有裂紋或其他異常金相組織。

NAS 4006及BMS 10-85在緊固件光桿與鋁板孔之間的過盈量上的規(guī)定是25～76μm，而Hi-Shear 294規(guī)定是51～114μm。

總體說來，3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于涂鋁緊固件的脆裂性能要求及測(cè)試方法沒有什么本質(zhì)區(qū)別。前面我們提到過，設(shè)置此項(xiàng)試驗(yàn)的原因主要是由于電鍍鎘會(huì)使鈦合金緊固件產(chǎn)生應(yīng)力脆裂，根據(jù)我們對(duì)國(guó)內(nèi)外廠家鈦合金緊固件鋁涂層的評(píng)價(jià)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)鋁涂層基本不會(huì)引起鈦合金緊固件的脆裂。另外，在使用這3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行脆裂性能評(píng)價(jià)時(shí)，我們還需要注意一點(diǎn)，那就是涂鋁緊固件在進(jìn)行脆裂測(cè)試前就要保證其本身沒有裂紋或異常金相組織，否則脆裂試驗(yàn)就失去了意義。

2.3 電化學(xué)性能（腐蝕保護(hù)性能）

這里所說的腐蝕保護(hù)性能就是鈦合金緊固件的鋁涂層對(duì)與其裝配的鋁合金板的腐蝕保護(hù)性能，換句話說就是鋁涂層防止鈦合金緊固件和鋁合金板發(fā)生電化學(xué)腐蝕的性能。

NAS 4006及BMS 10-85均是通過對(duì)涂鋁緊固件及鋁合金板組裝成的組件進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)后與鍍鎘緊固件的組件的比較來進(jìn)行評(píng)價(jià)的。

NAS 4006要求取6件涂鋁埋頭緊固件和6件同樣規(guī)格的鍍鎘埋頭緊固件，用推薦的螺母或墊圈系統(tǒng)將緊固件安裝在尺寸材料7075-T6 9.525～12.700mm鋁合金板上?？椎某叽缭试S裝配空隙為0.025～0.127mm。裝配的組件按照改進(jìn)后的ASTM B-287進(jìn)行14天醋酸鹽霧試驗(yàn)：

鹽霧試驗(yàn)結(jié)束后去掉緊固件，比較與涂鋁緊固件和鍍鎘緊固件接觸的埋頭區(qū)和頭部周圍鋁板表面的腐蝕程度，我們一般采用金相觀察腐蝕深度，見圖3。埋頭孔和涂鋁緊固件周圍試驗(yàn)塊的表面區(qū)域腐蝕不應(yīng)超過安裝鍍鎘緊固件的相應(yīng)區(qū)域。

圖3 鹽霧試驗(yàn)后鋁合金板埋頭孔金相形貌

BMS 10-85對(duì)于此性能的要求及評(píng)價(jià)與NAS 4006基本相同，只是在鋁板的陽極化處理以及鍍鎘緊固件鍍鎘工藝的規(guī)定上有所不同。

相比之下Hi-Shear 294對(duì)于腐蝕保護(hù)性能的要求就要復(fù)雜一些，除了鹽霧試驗(yàn)，它還要通過嚴(yán)酷的周浸試驗(yàn)來對(duì)緊固件鋁涂層的防電化學(xué)腐蝕性能進(jìn)行測(cè)試。

Hi-Shear 294規(guī)定要對(duì)涂鋁鈦合金螺栓進(jìn)行醋酸連續(xù)鹽霧以及周浸兩項(xiàng)試驗(yàn)，以測(cè)試其腐蝕保護(hù)性能。

Hi-Shear 294中規(guī)定的鹽霧試驗(yàn)與上兩份標(biāo)準(zhǔn)不同之處主要集中在以下幾點(diǎn)：

Hi-Shear 294遵循ASTM G85而非ASTM B-287進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，凸出特點(diǎn)就是其是醋酸連續(xù)鹽霧試驗(yàn)而非ASTM B-287規(guī)定的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)；

Hi-Shear 294規(guī)定試驗(yàn)組件孔徑與緊固件桿徑之間應(yīng)有0.05～0.11 mm的間隙量而非另兩份標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.025～0.127 mm；

Hi-Shear 294規(guī)定試驗(yàn)組件安裝時(shí)每件緊固件頭部中心相距4倍桿部直徑，而另兩份標(biāo)準(zhǔn)則要求頭部邊緣至少相距12.5 mm以上；

Hi-Shear 294規(guī)定只將5個(gè)緊固件安裝在鋁板上，第6個(gè)孔空留，以便觀察未加保護(hù)的7075-T6鋁合金板材暴露在腐蝕環(huán)境下的腐蝕狀況和脫落狀況，其他兩份標(biāo)準(zhǔn)均是安裝6個(gè)緊固件而不空留觀察孔。

Hi-Shear 294中規(guī)定的周浸試驗(yàn)所采用的組件與鹽霧試驗(yàn)相同，它要求按NASM1312-9中的周浸試驗(yàn)程序分別在150、250、500、750和1 000 h 5個(gè)試驗(yàn)階段對(duì)組件進(jìn)行腐蝕情況檢查。Hi-Shear 294中對(duì)每個(gè)階段與緊固件相裝配的鋁合金板腐蝕深度都有定量要求以判別是否合格，周浸試驗(yàn)1000h后鋁合金板埋頭孔腐蝕形貌見圖4，腐蝕深度金相見圖5。

圖4 周浸試驗(yàn)后鋁合金板埋頭孔腐蝕形貌

圖5 周浸試驗(yàn)后鋁合金板埋頭孔金相形貌

周浸試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)說是涂鋁緊固件性能檢測(cè)項(xiàng)目中最嚴(yán)酷的。Hi-Shear公司在自己的工程報(bào)告4-01020中將其涂有HI-KOTE 1鋁涂層的鈦合金緊固件與未涂鋁、鍍鎘、真空沉積鋁以及電沉積鋁的鈦合金緊固件進(jìn)行了周浸對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示按照Hi-Shear 294規(guī)定的判定條件，只有涂有HI-KOTE 1涂層的鈦合金緊固件滿足各階段的腐蝕深度限制要求。

周浸試驗(yàn)與鹽霧試驗(yàn)的目的相似，都是考察鋁涂層在阻隔鈦合金緊固件和與它相裝配的鋁合金板之間電化學(xué)腐蝕的能力。但由于周浸試驗(yàn)比鹽霧試驗(yàn)的時(shí)間長(zhǎng)，而且試驗(yàn)組件一直處于干濕交替的試驗(yàn)條件下，環(huán)境的嚴(yán)酷性必然要比鹽霧試驗(yàn)要高，根據(jù)我們對(duì)國(guó)內(nèi)一些標(biāo)準(zhǔn)件制造廠生產(chǎn)的涂鋁鈦合金緊固件的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)產(chǎn)鋁涂層通過本項(xiàng)試驗(yàn)是非常困難的。

3 結(jié)論

通過對(duì)比分析3份國(guó)外鈦合金鋁涂層性能規(guī)范，我們認(rèn)為在涂層厚度項(xiàng)目上的可視表面定義、外觀項(xiàng)目上的可接受缺陷范圍、結(jié)合力項(xiàng)目上的凸頭緊固件評(píng)價(jià)方法、鉛筆硬度試驗(yàn)方法以及脆裂項(xiàng)目上空白試樣的無裂紋及異常金相組織檢測(cè)等細(xì)節(jié)還有待進(jìn)一步討論和研究。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)件制造廠家鋁涂層性能的評(píng)價(jià)工作，我們認(rèn)為目前國(guó)產(chǎn)鋁涂層最不容易通過的評(píng)價(jià)項(xiàng)目是耐脫漆劑及周浸兩項(xiàng)試驗(yàn)，這也是國(guó)產(chǎn)鋁涂層和像Hi-Shear公司等國(guó)外先進(jìn)緊固件制造廠的技術(shù)差距所在，我們的標(biāo)準(zhǔn)件制造廠應(yīng)針對(duì)這兩項(xiàng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

目前我國(guó)航空緊固件行業(yè)還沒有自己的鋁涂層規(guī)范，一份適應(yīng)我國(guó)航空緊固件行業(yè)發(fā)展特點(diǎn)的鋁涂層規(guī)范亟待編制。