(１．航天精工股份有限公司,天津 ３００３００;２．中國民航大學 中歐航空工程師學院,天津 ３００３００)
摘 要:對美國航空航天協(xié)會編制的 NAS４００６:２０１４,美國 HiShear公司的 HiＧShear２９４: ２００８,波音公司的 BMS１０Ｇ８５R:２００４,歐洲航天和國防工業(yè)協(xié)會編制的 DS/EN４４７３:２０１０這４個 行業(yè)應用廣泛的鋁涂層檢測標準進行比較.結果表明:NAS４００６:２０１４與 DS/EN４４７３:２０１０適 用范圍較廣,HiＧShear２９４:２００８與 BMS１０Ｇ８５R:２００４對鋁涂層種類進行了明確與細化,具有較強 的針對性.４個標準分別側重了一些不同的項目,例如 BMS１０Ｇ８５R:２００４對鋁涂層在脆性、安裝 力方面評價十分細致,HiＧShear２９４:２００８對鋁涂層的耐腐蝕性能要求最為嚴苛.BMS１０Ｇ８５R: ２００４充分考慮了飛機緊固件系統(tǒng)中不同類型鋁涂層其測試項目與方法的差異性,DS/EN４４７３: ２０１０雖有從成分層面對鋁涂層進行分類,但沒有根據(jù)涂層工況的差異性配合不同的檢測方法.
關鍵詞:航空緊固件;鋁涂層;標準對比
中圖分類號:TG１７８ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０３Ｇ０１７６Ｇ０８
飛機上成千上萬的零部件通過緊固件連接成一 個整體.制造一架完整的商用飛機,至少需要２０萬 個緊固件.為了保證飛機的飛行安全,不但要求緊 固件具有出色的抗拉伸與剪切的能力,還要求緊固 件具有極強的耐腐蝕性.目前航空緊固件常用的材 料為鈦合金或高強度鋼[１].由于鈦合金密度小,比 強度高,具有較好的耐高溫性能與耐腐蝕性能,已廣 泛用于制造飛機上的各類零部件[２].將鈦合金用作 飛機緊固件材料后,不但提高了緊固件的抗疲勞性 能,提升飛行安全,還可以使飛機減重,降低油耗.在飛機服役過程中,緊固件材料與機身的鋁合金結 構存在電位差,易形成腐蝕原電池,由于鋁合金的電 位較低,因而會導致機體材料發(fā)生腐蝕[３],當飛機經 常在海洋鹽霧性氣候地區(qū)執(zhí)行飛行任務時,這種腐 蝕現(xiàn)象會更加明顯.為了降低這種腐蝕帶來的安全 隱患,常在緊固件表面涂覆一層鋁涂層,以減輕緊固 件與機身的電化學腐蝕. 我國雖然是一個緊固件制造大國,但生產高端緊 固件的起步較晚,對于一系列緊固件功能涂層的性能 測試規(guī)范還不完善,尤其是對于緊固件鋁涂層的性能 評價標準還不完善[４].因此,筆者對國際現(xiàn)行的４個 具有較大影響力的緊固件鋁涂層標準進行了對比分 析,篩選出測試要求嚴格,結果可靠的測試方案,為我 國航空緊固件鋁涂層的性能評價提供參考.
１ 標準介紹與適用范圍
對 NAS４００６:２０１４«鋁 涂 層»,HiＧShear２９４:
２００８Aluminum Pigmented HiＧKoteCoatingfor
Fastener Systems,BMS １０Ｇ８５R:２００４ Boeing
Material Specification: Aluminum Pigmented
CoatingforFasteners 以及 DS/EN４４７３:２０１０«航
空航天系列 鋁顏料的涂料緊固件 技術規(guī)范»４個標
準進行 對 比 研 究. 美 國 宇 航 標 準 委 員 會 頒 布 的
NAS４００６:２０１４適用范圍最廣,適用于一切緊固件
系統(tǒng)鋁涂層的質量鑒定,并且由于其質量要求嚴苛,
已被美國軍方所選用[５].HiＧShear作為緊固件行
業(yè)的巨頭,其頒布的 HiＧShear２９４:２００８只用于鑒
定自己生產的一種特定的鋁涂層,從而在參考性方
面具有一定的局限性.BMS１０Ｇ８５R:２００４是波音
公司對飛機鈦合金、耐腐蝕鋼、合金鋼緊固件或緊固
件系統(tǒng)中的鋁涂層性能要求,并對鋁涂層的種類及
應用范圍進行了具體化,因此質量評價體系也更加
的專業(yè)、完整.歐洲標準 DS/EN４４７３:２０１０適用于
鈦合金、鎳基合金和耐腐蝕鋼緊固件,對鋁涂層進行
了分類并對其成分進行了限定,明確要求鋁涂層中
不得含有鉛、石墨,對于Ⅱ型、Ⅳ型鋁涂層不得含有
六價鉻,由于鉛和六價鉻都屬于有毒物質,對人體與
環(huán)境具有危害性,因此歐盟在鋁涂層的進出口貿易
中禁止含有該成分的鋁涂層.綜上４個標準,NAS
４００６:２０１４與 BMS１０Ｇ８５R:２００４都具有較高的參
考性與可靠性.表１列舉了這４個標準對緊固件鋁
涂層的分類及應用范圍.
２ ４個標準中測試項目的差異性分析
４個標準從涂層制備、涂層外觀、涂層厚度、附
著力、耐熱性、耐液性、耐脫漆劑性、耐腐蝕性、脆性
等方面對航空緊固件鋁涂層進行了要求.
２.１ 涂層制備
表２比較了４個標準中對緊固件鋁涂層的制備
要求.對于緊固件鋁涂層,常用的涂覆工藝有包埋
滲涂、料漿噴涂、熱浸滲涂、等離子噴涂、物理氣相沉
積等[６].上述標準沒有對鋁涂層的制備工藝進行明
確的規(guī)定,但無論采用哪一種涂覆方法都應保證涂
覆前后外觀無明顯缺陷,并且涂層厚度均勻一致.
NAS４００６:２０１４與 HiＧShear２９４:２００８強調了在對
緊固件涂覆前,應對零件進行應力釋放,并對零件進
行清洗與噴砂等預處理,使零件表面無明顯的缺陷
并提高涂層與基體的結合力.另外,兩個標準對涂
覆緊固件的使用溫度上限規(guī)定不一致,這主要是由
于鋁 涂 層 中 不 同 類 型 樹 脂 的 熱 穩(wěn) 定 性 不 一 樣.
BMS１０Ｇ８５R:２００８規(guī)定,Ⅰ型涂層使用溫度不得超
過１７５℃,Ⅱ型涂層使用溫度不得超過３１６℃,允許
噴涂前的零件表面具有一層化學轉化膜或者基礎
膜,并對兩種特定零件的預處理方式進行了規(guī)定,還明確了涂層硫化溫度不應超過底層金屬的最小回火
溫度.DS/EN４４７３:２０１０只要求涂覆工藝能保證
該標準中鋁涂層的質量要求.
２.２ 涂層外觀
涂層的外觀能最直觀地反映出涂層的質量,若
從外觀直接可以觀察到涂層有明顯缺陷,那必然會
極大地影響到涂層的性能.表３列舉了４個標準中
對緊固件鋁涂層外觀的檢測方法與要求.
NAS４００６:２０１４,HiＧShear２９４:２００８,DS/EN
４４７３:２０１０都是規(guī)定通過目視檢查對涂層外觀進行
評價,然而這種檢查方式具有很強的人為因素,所以
結果可靠性不高;而 BMS１０Ｇ８５R:２００４規(guī)定不但需
要對涂層外觀進行目視檢查,還對涂鋁后螺紋與鎖
緊凹槽內小的裸露斑點進行了規(guī)格要求,此外還要
求進行更精準的陽極氧化膜連續(xù)性測試來較為直觀
地判斷涂層表面的缺陷.綜上,BMS１０Ｇ８５R:２００４
對涂層外 觀 的 考 量 更 加 細 致 全 面,具 有 更 好 的 可
信度.
２.３ 涂層厚度
緊固件表面的涂層厚度也直接影響到緊固件
的使用,涂層 厚 度 過 小 難 以 達 到 對 金 屬 基 體 的 保
護作用,厚度 過 大 又 會 一 定 程 度 影 響 基 體 金 屬 的
力學性能[７].由于緊固件一般尺寸較小并且?guī)缀?
形狀較為復 雜,對 緊 固 件 銳 邊 涂 覆 時 涂 層 厚 度 較
難控制,因此 在 其 緊 固 件 表 面 制 備 厚 度 均 勻 的 涂
層難度更大,表 ４ 列 舉 了 ４ 個 標 準 對 鋁 涂 層 厚 度
的檢測方法與要求.
NAS４００６:１０１４,HiＧShear２９４:２００８,DS/EN
４４７３:２０１０均規(guī)定按照 NASM１３１２Ｇ１２Revision２:
２０１２«緊固件測試方法 方法１２ 涂鍍層厚度»進行涂
層厚度測量.NAS４００６:２０１４ 中用球接觸法規(guī)定
緊固件表面不同區(qū)域的厚度,其偶然性誤差大且可
操作性不強.相比較而言,HiＧShear２９４:２００８對于
鋁涂層厚度的要求更為合理,規(guī)定了緊固件所有工
作面的涂層厚度應在５~１３μm,并且對緊固件的非
工作表面進行了明確,降低了非工作表面的涂層厚
度要求.DS/EN４４７３:２０１０ 只對內螺紋與外螺紋
緊固件的涂層厚度范圍進行了規(guī)定.BMS１０Ｇ８５R:
２００４要求涂層厚度精度需要達到±０．０００１″,并只
對不同材料緊固件涂層厚度范圍進行了規(guī)定.綜
上,HiＧShear２９４:２００８中對緊固件鋁涂層厚度的要
求更為合理,可操作性也最強.
２.４ 涂層附著力
附著力是評價涂層與基體材料結合強度的指
標,涂層的附著力直接影響到其壽命以及涂層對基
體保護作用的大小.表５對比了４個標準對緊固件
鋁涂層附著力的評價方法與要求.
對緊固 件 涂 層 附 著 力 的 檢 測,HiＧShear２９４:
２００８與 BMS１０Ｇ８５R:２００４相較于 NAS４００６:２０１４
區(qū)分了緊固件種類,分別對沉頭緊固件和凸頭緊固
件采用不同的附著力測試方法,對于凸頭緊固件,二
者均使用膠帶法測定涂層附著力;對于沉頭緊固件,
HiＧShear２９４:２００８使用落錘法進行測試,試驗的可
重復 性 好 于 BMS１０Ｇ８５R:２００４ 的 碾 壓 法;此 外,
BMS１０Ｇ８５R:２００４相較于 HiＧShear２９４:２００８,對不
同尺 寸 的 沉 頭 緊 固 件 的 測 試 方 法 也 不 一 樣.
DS/EN４４７３:２０１０將按照ISO２４０９:２０１３«色漆和
清漆 交叉切割試驗»對涂層附著力進行測試,這種
測試方法的好處是能夠定量的給予評價等級,但對
于小尺寸或形狀復雜的緊固件,該方法可操作性差,
所以當緊固件形狀尺寸不適合該方法時,推薦使用
膠帶法.綜上４個標準,BMS１０Ｇ８５R:２００４根據(jù)不
同的緊固件類型與尺寸,有更為詳細的測試方案,更
具有說服力.
２.５ 涂層耐熱性
考慮到飛機上緊固件使用工況復雜,部分緊固 件需要面對高溫環(huán)境的考驗,因此耐熱性可以作為 評價涂層熱穩(wěn)定性的重要指標.表６分析了４個標準對鋁涂層耐熱性的評價. 鋁涂層的耐熱性大部分是由涂料中的樹脂所決 定,不同樹脂的耐高溫能力不同[８].DS/EN４４７３: ２０１０在耐熱性測試中,要求一切涂覆緊固件的保溫 溫度為 (３１５±１４)℃,較 NAS４００６:２０１４ 與 HiＧ Shear２９４:２００８的(１９４±１４)℃的保溫溫度有大幅 度提高,因此對涂覆緊固件的耐熱性要求過于嚴苛. BMS１０Ｇ８５R:２００４中,對于不同溫度環(huán)境下使用的 緊固件,對其鋁涂層耐熱性的溫度要求不一,對于使 用溫度不超過１７５ ℃的緊固件所涂覆的Ⅰ型涂層, 要求其保溫溫度為(１９４±１４)℃,對于使用溫度不 超過３１５ ℃的緊固件所涂覆的Ⅱ型涂層,要求其保 溫溫度為(３２９±１４)℃.因此 BMS１０Ｇ８５R:２００４ 在鋁涂層耐熱性評價過程中,考慮了緊固件在不同 工況下的溫度要求,不盲目追求涂層耐熱性,從而更 加合理.
２.６ 涂層耐液性
為了考察涂覆緊固件長時間浸泡在液壓油中涂
層的穩(wěn)定性,表７對４個標準中耐液性測試進行了
對比.對于鋁涂層耐液性的檢測,四個標準均將涂覆
緊固件浸泡于液壓油中,經過固定時間的浸泡后,要
求鋁涂層 附 著 力 仍 滿 足 要 求,除 了 DS/EN４４７３:
２０１０,其他３ 個標準還要求進行鉛筆硬度測試.４
個標準中所選用的液壓油的種類不同,并且浸泡溫
度與浸泡時間也不相同,在這里應該選擇緊固件實
際使用過程中接觸的液壓油進行浸泡,并進行硬度
測試與附著力測試[９].
２.７ 耐脫漆劑性
當對緊固件進行清洗維修時,清洗劑(脫漆劑) 會對緊固件表面的鋁涂層的附著力與硬度造成一定 程度的損害,因此要對鋁涂層的耐脫漆劑性進行評 價.表８列舉了４個標準對緊固件鋁涂層耐脫漆劑 性的評價.
４個標準要求涂覆緊固件在室溫下浸泡于脫漆
劑中２４h后,按照４個標準中各自規(guī)定的方法測試
其硬度與涂層附著力,NAS４００６:２０１４與 HiＧShear
２９４:２００８選用美國軍方標準下的 MILＧRＧ８１２９４或
TTＧRＧ２９１８脫漆劑,BMS１０Ｇ８５R:２００４選用 Turco
５３５１脫漆劑,DS/EN４４７３:２０１０分別在苯甲醇、二
聚酸、二酮溶液中進行脫漆處理.同樣,應使用緊固
件實際維修過程中的脫漆劑對鋁涂層進行試驗.
２.８ 耐腐蝕性
腐蝕失效作為飛機材料與結構的一種常見失效
形式,給飛行安全造成極大的安全隱患,在沿海地
區(qū),飛機將會承受明顯的鹽霧腐蝕[１０].為了評價緊
固件鋁涂層的耐腐蝕性,表９對４個標準中的耐腐
蝕性評價標準進行了對比.
對涂覆緊固件進行鹽霧腐蝕試驗時,均需要將
緊固件安裝在７０７５ＧT６鋁合金工裝上,但是每個標
準對工裝的尺寸及處理要求不一.NAS４００６:２０１４
與 HiＧShear２９４:２００８要求工裝(鋁合金板)鉆孔和
锪鉆之前,應按 MILＧAＧ８６２５F«鋁陽極氧化標準»,
Ⅱ 型 進 行 陽 極 化;BMS１０Ｇ８５R:２００４ 和 DS/EN
４４７３:２０１０ 要 求 工 裝 MILＧAＧ８６２５,Ⅰ 型 進 行 陽 極
化.由相關文獻可知,工裝鋁合金板的陽極化方式
并不會影響到鋁涂層的耐腐蝕能力[８].此外,NAS
４００６:２０１４,BMS１０Ｇ８５R:２００４ 及 DS/EN ４４７３:
２０１０ 對 涂 覆 緊 固 件 均 只 進 行 鹽 霧 腐 蝕 試 驗,而
HiＧShear２９４:２００８不但進行醋酸鹽霧試驗,還進行
了周期浸漬試驗,無間歇的周期浸漬試驗是對鋁涂
層耐腐蝕性的極大考驗,國內鋁涂層廠商通過這項
測試是較為困難的[１１].因此 HiＧShear２９４:２００８對
涂覆緊固件的抗腐蝕性能的要求更為嚴格.
２.９ 脆性
為了確定鈦合金緊固件涂鋁之后是否會發(fā)生 脆斷,因此要對涂覆后的緊固件進行測試.表１０ 列舉了４個標準對涂覆緊固件脆性的測試方法與 要求. NAS４００６:２０１４對鋁涂層的脆性沒有作出要求,HiＧShear２９４:２００８與 BMS１０Ｇ８５R:２００４都是 將涂覆后 的 緊 固 件 安 裝 在 鋁 合 金 工 裝 上,然 后 在 (１５０±５)℃暴露７２h.BMS１０Ｇ８５R:２００４還要求 暴露后,去除涂層并按 ASTM E１４１７進行熒光滲 透檢測,如果發(fā)現(xiàn)有裂紋再繼續(xù)觀察金相,因此檢查 步驟 較 HiＧShear２９４:２００８ 更 加 詳 細.DS/EN ４４７３:２０１０將緊固件處于拉伸載荷為８０％的規(guī)定最 小極限拉伸強度下７２h,沒有對裂紋檢查方法進行 明確,因 此 評 判 標 準 主 觀 性 較 強.綜 上,BMS１０Ｇ ８５R:２００４對涂層的脆性檢查更為全面可靠.
２.１０ 安裝力
安裝力測試是指將緊固件壓入固定厚度與孔干
涉量的鋁合金板中,測定緊固件在頭下圓角的引入
線壓入孔之前的最大壓力值,通過安裝力大小可以
評定緊固件鋁涂層的潤滑性能.安裝力不是 NAS
４００６:２０１４和 HiＧShear２９４:２００８中的測試項目,而
BMS１０Ｇ８５R:２００４與 DS/EN４４７３:２０１０對緊固件
的安裝力都提出了詳細的要求,見表１１.
BMS１０Ｇ８５R:２００４中對６種不同規(guī)格或類型
的緊固 件 的 安 裝 力 標 準 進 行 了 區(qū) 分,而 DS/EN
４４７３:２０１０則根據(jù)不同成分的鋁涂層對安裝力范圍
進行了限定.BMS１０Ｇ８５R:２００４與 DS/EN４４７３:
２０１０ 要 求 鋁 合 金 工 裝 鉆 孔 后 需 要 進 行 倒 角,但
BMS１０Ｇ８５R:２００４ 更 加 細 化 了 倒 角 直 徑 的 選 取.
此外在施加壓力的過程中,BMS１０Ｇ８５R:２００４明確
了加載速度.因此,BMS１０Ｇ８５R:２００４對涂覆緊固
件的安裝力測試更加完整細致.
３ 結束語
目前我國缺乏航空緊固件鋁涂層的相關性能測 試標準,這也導致鋁涂料供應商、緊固件生產企業(yè)、 緊固件需求方３者之間,關于鋁涂層性能評價這一 問題難以達成相同共識.現(xiàn)國內的緊固件制造商生 產的緊固件鋁涂層一般會根據(jù)公司自定的評價標 準,或文中所述的４種鋁涂層性能測試標準中的某 一標準對鋁涂層進行性能評價,因此國產緊固件鋁 涂層由于性能評價標準的不確定性,加大了拓展市 場的難度.筆者通過分析４種國際上較為權威的鋁 涂層性能標準,比較了不同標準測試項目的差異性, 篩選出每個項目下較為嚴格的性能評價標準,得到 如下結論: NAS４００６:２０１４在一些測試項目中(例如外觀, 附著力),測試結果的評定會有一定主觀因素影響,以 至于結果可靠性降低.DS/EN４４７３:２０１０在耐熱性 的測試中,要求過于嚴苛,沒有考慮不同種類緊固件 的實際工作溫度.BMS１０Ｇ８５R:２００４對飛機緊固件 系統(tǒng)不同溫度環(huán)境下的鋁涂層進行了分類,并對不同 種類的鋁涂層實行不同的測試方法.BMS１０Ｇ８５R: ２００４在涂層外觀、附著力、耐熱性、脆性、安裝力等方 面的檢驗方法更加嚴格全面,并盡量規(guī)避了測試方法 可能帶來的主觀性影響.HiＧShear２９４:２００８要求對 涂覆緊固件進行醋酸鹽霧試驗與周期浸漬試驗,對鋁 涂層的耐腐蝕性能的要求最為嚴格.對于鋁涂層耐 熱性與耐脫漆劑性的評價,４個標準選取的試劑不盡 相同,應優(yōu)先選取緊固件實際工作環(huán)境或者維修過程 中的液壓油和脫漆劑進行測試. 結合上述分析,我國在制定航空緊固件鋁涂層 標準時,需要了解４種國外鋁涂層標準中在不同測 試項目上的差異,并根據(jù)現(xiàn)有的生產實際,在力求可 行的基礎上制定出符合航空產品需要的、較為嚴格 的性能指標.
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<文章選自：材料與測試網期刊論文>理化檢驗－物理分冊>55卷>3期(pp:176-183)>