鈦合金化學銑切保護涂料的制備及性能研究

孟江燕,王云英,林 翠,劉 楓

(南昌航空大學材料科學與工程學院,南昌330063)

鈦合金化學銑切保護涂料的制備及性能研究

孟江燕,王云英,林 翠,劉 楓

(南昌航空大學材料科學與工程學院,南昌330063)

采用聚苯乙烯,苯乙烯2丁二烯2苯乙烯嵌段共聚物為成膜物質,熱塑性酚醛樹脂溶液為浸蝕比控制劑,優選各種添加劑的配比,制備鈦合金化學加工用保護涂料,選用氫氟酸2硝酸體系的鈦合金化學銑切液,對所制備的保護涂料進行性能測試和對比分析。結果表明:所制備的保護涂料成膜性和可剝性良好,在鈦合金化銑液中的浸蝕比穩定在0.4～0.6,化銑后的主要技術指標(粗糙度)能滿足鈦合金化學銑切的要求。

鈦合金化學銑切;保護涂料;浸蝕比;苯乙烯2丁二烯2苯乙烯嵌段共聚物

鈦及其合金材料密度低,使用溫度范圍寬,比強度高,具有抗拉裂、無磁、透聲、耐蝕性好,與復合材料相容性好等良好的綜合性能,已大量應用于航空、航天及艦艇等軍事工業上。以鈦合金為主體制成的飛機,能提高航速,節省燃料,先進飛機和發動機中鈦合金已達40%,美國第四代戰斗機F222上的鈦合金用量也已達到41%,SR271高空高速偵察機其用鈦量超過90%。我國新一代飛機也進一步擴大鈦合金的使用比例,因此鈦合金加工性能的研究,包括化學銑切加工就顯得非常重要[1-3]。目前有一些關于鈦合金化學銑切的工藝研究報道[4-8]。

化學銑切加工(簡稱化銑)是一種特種加工工藝,它是依靠化學溶液對金屬工件表面溶解的一種加工技術,即利用化學腐蝕和電化學腐蝕原理加工金屬工件[9]。在化銑加工過程中對不需要銑切的部位要進行保護,一般采用可剝性臨時保護涂層,化銑工序完成后再去除該保護涂料,因此對保護涂料的研究工作給予了較大的關注[10-13]。

隨著航空工業的發展我國先后研制了兩代鋁合金化銑保護涂料。第一代是氯丁膠,鋁合金化銑加工工藝的航空工業標準就是采用的這種保護涂料[14],其缺點是容易產生“漏蝕”,溶劑毒性大;第二代是丁苯膠,雖然降低了溶劑的毒性,但工藝復雜且“漏蝕”依然存在。實際上,大多數航空企業未使用上述兩種涂料,而是以進口保護涂料作為鋁合金化銑保護涂料。近幾年國內開展了第三代鋁合金保護涂料的研究[10-12],鈦合金化學銑切的航空工業標準目前尚未制定,而用于鈦合金化學銑切加工保護涂料的研究報道也較少。

熱塑性彈性體SBS是苯乙烯2丁二烯2苯乙烯的嵌段共聚物,采用陰離子自由基聚合,由于結構上的兩相而同時具有塑料和橡膠的性能,適于用作可剝性保護涂料,且無需加溫干燥,可重復利用。

1 實驗

1.1 鈦合金化銑液的配方

本實驗采用氫氟酸2硝酸體系,其配方如表1所示,其中根據研究需要自制了3種用于鈦合金化學銑切的固體添加劑,分別為A,B和C。

表1 鈦合金化銑槽液配方Table 1 The formula of the chemical2milling _________________solution fo r titanium alloy

1.2 鈦合金化銑工藝流程及工藝條件

表面清潔處理→預腐蝕→干燥→施涂保護涂料→固化→刻型→化銑加工→漂洗和干燥→去除保護涂料

關鍵化銑工藝參數:溫度為(25±3)℃,加工時間依據化銑深度而定。

1.3 保護涂料的制備

將50質量份的聚苯乙烯(PS)粉碎過篩后和50質量份的SBS混合,加入250～300m L的汽油和甲苯組成的混合溶劑中(預先加入0.5～1.0質量份的流平劑),攪抖均勻,待其溶解,再加入自行合成的熱塑型酚醛樹脂的甲苯飽和溶液35～50mL。

1.4 保護涂料的施工

將配制好的涂料充分攪拌均勻,可用混合溶劑根據不同的施工方法(噴涂、刷涂或浸涂)調節到施工黏度(用涂24杯測試),在相對濕度低于75%條件下進行施工,每施工完一層后須涼干至表干后再施涂下一層,直至涂層厚度達0.3～0.4mm。

1.5 通過浸蝕比確定PF含量

采用表1的HF2HNO3體系的鈦合金化學銑切液,分別測定PF含量下的浸蝕比變化,以選擇合適的PF含量。

1.6 保護涂料的性能測試

分別按標準測試保護涂料刷涂施工后形成的涂層拉伸強度,斷裂伸長率和剝離強度。

1.7 浸泡性能測試

根據制成的保護涂料對TC24鈦合金進行保護,在22～28℃下測試保護涂料浸泡在鈦合金化學銑切液中不同時間的耐浸泡性能。

2 結果及討論

2.1 PF含量對浸蝕比的影響

采用不同含量的熱塑性酚醛樹脂飽和甲苯溶液制備保護涂料,并在鈦合金化學銑切液中測試試樣的浸蝕比,所測浸蝕比的結果如表2所示。

表2 PF含量對浸蝕比的影響_______________________Table 2 Effect of the content of the PF satuation soluti_____________________________________ onon_the_etchingratio

由表2確定PF的最佳用量為成膜材料(PS和SBS)質量之和的30%～40%(質量分數)。

2.2 保護涂料的力學性能和耐蝕性

涂料的力學性能:拉伸強度為6.8M Pa,斷裂伸長率>600%,剝離強度<3.92N·cm-1。

耐浸泡性能:在室溫下浸泡2,4,6h后,其表面的保護涂料顏色無變化,無起泡或隆起等現象,如圖1所示。

2.3 鈦合金TC24試樣的化銑結果

按浸蝕比的測定方法所測的鈦合金TC24試樣的浸蝕比基本穩定在0.5,試樣的表面粗糙度Ra為0132μm,表面粗糙度低,達到了化學銑切的要求,所加工的TC24鈦合金試樣如圖2所示。

保護涂料干燥后形成涂料剖面,本工作選取了兩個部位,用電子顯微鏡對這兩個部位進行微觀結構觀察,發現為明顯的兩相結構,如圖3所示。苯乙烯段(S)和丁二烯段(B)是不相容的,S段聚集在一起分散在聚丁二烯段中構成相分離結構。其中,S被稱之為分散相(又叫塑料段),B被稱之為連續相(又叫橡膠段)。分散相起固定和增強連續相的作用,所以,保護涂料既具有塑料的可塑性,又具備橡膠的彈性。這樣,保證了加工過程中的保護作用,而且加工之后又很容易整體剝離。

3 結論

(1)選擇PS和SBS作為保護涂料的基體材料,加入了熱塑性酚醛樹脂飽和甲苯溶液作為浸蝕比控制劑,制成的鈦合金化學銑切保護涂料抗拉強度和斷裂伸長率高,剝離強度適中,可剝性好。

(2)保護涂料能夠耐HF2HNO3體系腐蝕,在該化學銑切液中加工的鈦合金零件浸蝕比穩定在0.4～0.6,粗糙度為0.32μm,均滿足鈦合金化學銑切加工的要求。

(3)保護涂料的原材料易得,配制和涂敷工藝簡單,可常溫干燥,且能回收利用。

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[2] 趙樹萍,呂雙坤.鈦合金在航空航天領域中的應用[J].鈦工業進展,2002,(6):18-23.

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[12] 林翠,孟江燕,王云英,等.可剝性化銑保護涂料的研制[J].表面技術,2006,35(3):61-63.

[13] 孟江燕,王云英,林翠.可剝性保護涂料的制備和性能研究[J].南昌航空大學學報:自然科學版,2008,22(2):73-75.

[14] HB5453—2004,鋁合金化學銑切保護規范[S].

Development of Pro tective Coating fo r Chemical2milling of Titanium A lloy

M ENG Jiang2yan,WANG Yun2ying,L IN Cui,L IU Feng
(School of M aterials Science and Engineering,Nanchang
Hangkong University,Nanchang 330063,China)

Polystyrene and styrene2butadiene2styrene(SBS)block copolymer were utilized as the mem2 brane of the p rotective coating,thermosp lastic phenolics saturation solution w as used to contro l etch2 ing ratio,and content of the additive w as op tim ized,and the p rotective coating fo r chem ical2m illing of the titanium w ere p repared,the chemical2milling solution for the titanium alloy is HF2HNO3system. The p roperties of the p rotective coating were measured and analyzed.The results showed that the p rotective coating is easy to fo rm film and easy to be peeled,the etching ratio of titanium alloy after soaked in the solution of the chemical2milling was 0.420.6,and the roughness of titanium alloy could meet its accuracy chemical2milling requirement after it was chemical2milled.

titanium alloy chemical2milling;p rotective coating;etching ratio;styrene2butadiene2styrene block copolymer

TQ630.9

A

100124381(2010)1220005203

航空科學基金資助項目(2007ZE56005)

2009205209;

2010204214

孟江燕(1963—),男,副教授,研究方向為特種涂料和高分子材料的表面改性,聯系地址:江西省南昌市豐和南大道696號南昌航空大學材料科學與工程學院(330063),E2mail:niat_meng@sohu.com