(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協會編制的 DS/EN４４７３:２０１０這４個 行業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生腐蝕[３],當飛機經 常在海洋鹽霧性氣候地區執行飛行任務時,這種腐 蝕現象會更加明顯.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、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定不一致,這主要是由
于鋁 涂 層 中 不 同 類 型 樹 脂 的 熱 穩 定 性 不 一 樣.
BMS１０Ｇ８５R:２００８規定,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格要求,此外還要
求進行更精準的陽極氧化膜連續性測試來較為直觀
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幾何
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 中用球接觸法規定
緊固件表面不同區域的厚度,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 件需要面對高溫環境的考驗,因此耐熱性可以作為 評價涂層熱穩定性的重要指標.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,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,如果發現有裂紋再繼續觀察金相,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種不同規格或類型
的緊固 件 的 安 裝 力 標 準 進 行 了 區 分,而 DS/EN
４４７３:２０１０則根據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、 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.現國內的緊固件制造商生 產的緊固件鋁涂層一般會根據公司自定的評價標 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 系統不同溫度環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,應優先選取緊固件實際工作環境或者維修過程 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,并根據現有的生產實際,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)>