TC4鈦合金表面樹脂基涂層去除技術研究

樊津鈺，李玉琴，文建中

(空軍工程大學 等離子體動力學重點實驗室， 西安 710038)

1 引言

先進樹脂基復合材料因具有高比強度、高比模量以及耐高溫等特點，在航空工業領域的應用日益廣泛[1-2]。然而，由于長期處于超溫、高速氣流沖蝕、熱震、振動等惡劣的服役環境，飛機發動機表面的樹脂基涂層會出現積碳、積油、沉淀物包覆、脫落、起皮、磨損、鼓泡等損傷，對防護性能造成嚴重影響，所以需要對損傷涂層進行去除，以便后續再噴涂[3]。

目前，針對損傷涂層的去除方法主要分為化學去除和物理去除兩大類[4]。化學去除[5]包括化學腐蝕、電化學腐蝕等方法，主要利用涂層和基體材料在去除液中不同的化學活性使兩者分離。由于去除液的配制復雜，去除時間長，容易對環境造成嚴重污染，違背 “綠色環保”的理念，而且不利于局部損傷涂層的去除。物理去除包括打磨、高壓水沖擊、噴砂、激光清洗等方法。打磨去除效率低，去除工藝穩定性較差；高壓水沖擊利用高速水巨大的沖擊作用沖刷和剝離涂層，在去除較厚涂層時容易造成基體表面損傷。激光清洗[6-8]雖然具有許多優點，但清洗過程中高溫引起的燒蝕效應會對基體產生氧化和燒蝕等影響。噴砂[9-11]是利用高壓氣體將磨料高速噴射到工件表面，通過磨料對工件表面的撞擊和切削作用達到材料去除的一種表面處理工藝，具有去除效率高、成本低、容易操作等特點，在合理地選擇磨料和工藝參數后可望一次性去除涂層。

國內在噴砂去除方面進行了大量研究。馬帥等[12]使用噴砂技術對碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料(SiCf/SiC-CMC)表面的環境障涂層進行了去除，研究了噴砂磨料及不同工藝參數對去除效果的影響，結果表明通過合理選擇磨料和噴砂工藝參數，可以在不損傷基體的情況下取得較好的清洗質量。龍袁等[13]使用不同目數的鋼砂作為磨料，對22MnB5熱成形鋼表面的氧化膜進行噴砂去除，研究在不同磨料目數下噴砂對材料表面形貌、表面粗糙度和涂裝性的影響規律，結果表明經過噴砂，材料表面氧化膜可以被有效去除，且得到的磷化膜符合要求。劉鵬安等[14]采用噴砂方法對彈藥表面進行除銹，通過對噴砂除銹中關鍵技術進行分析，在確保彈藥安全性的前提下確定了磨料種類、噴砂角度和噴砂壓力和除銹時間，有效提高了彈藥除銹質量和效率。目前，現有噴砂技術主要用于零件表面除銹、表面薄膜涂層去除等，對樹脂基涂層尤其是厚涂層的去除研究還比較少。

本文針對飛機表面樹脂基防護涂層去除的迫切需求，采用噴砂法對TC4表面樹脂基涂層進行去除試驗，分析不同工藝參數對去除效果的影響，探究其去除機理。

2 試驗

2.1 試驗材料

試驗基體采用30 mm×30 mm×5 mm的TC4鈦合金片，其化學成分見表1所示，基體表面涂層為樹脂基復合材料，厚度約1.0 mm。涂層截面形貌及面能譜圖如圖1所示，可以看到整個涂層是由一層一層堆疊形成的，層與層之間邊界平整清晰，對涂層進行X射線能譜分析發現其含有C、Al、Fe等元素。

表1 TC4鈦合金化學成分表(質量分數/%)

圖1 樹脂涂層截面形貌及面能譜圖 (a)涂層截面形貌(b)(c)(d)涂層面能譜圖

2.2 試驗方法

為了取得良好的去除效果，對噴砂所用的磨料和噴砂工藝參數進行研究。由于基體表面的樹脂涂層能夠輕易的被TC4鈦合金劃傷，所以樹脂涂層的硬度要低于TC4鈦合金。在磨料的選擇上，鑒于涂層和基體硬度之間的差異，一般來說，應選擇硬度介于涂層和基體之間的磨料。如果磨料硬度過高，則去除涂層的同時會對基體造成一定損傷；如果硬度過低，則去除效果不能保證且增加噴砂所用的時間，但考慮到本試驗中TC4鈦合金基體表面涂層較厚，應當選擇高硬度的磨料以降低噴砂過程的時間。磨料的顯微維氏硬度[15]如表2所示。

表2 磨料顯微維氏硬度

材料的維氏硬度可采用式(1)進行換算，式中HV為材料的維氏硬度，重力加速度g取9.8，TC4鈦合金維氏硬度以330HV計算，換算得到TC4鈦合金顯微維氏硬度為3.234 GPa。由于表2中第4種磨料維氏硬度顯著高于TC4鈦合金，故只考慮前3種，結合噴砂去除效率來最終確定。去除效率由式(2)[16]進行計算，其中Er為噴砂質量去除效率，mg·g-1；Δm為試樣質量變化量，mg；mp為磨料消耗質量，g。

HV=(1 000/g)×GPa

(1)

Er=Δm/mp

(2)

在本次試驗中，噴砂距離設為100 mm，噴砂壓力設為0.3 MPa、0.4 MPa、0.45 MPa和0.5 MPa，并在每個壓力下設置60°、75°和90°3個噴砂攻角。以18 s為時間間隔，每個時間間隔后對試件厚度進行測量，以確保試件厚度有明顯變化，并在噴砂結束后對基體表面粗糙度進行測量，最后使用無水乙醇將試樣超聲波清洗5 min并干燥。噴砂示意圖如圖2所示。

圖2 噴砂示意圖

3 結果

3.1 噴砂磨料的選擇

首先分別采用SiO2、Al2O3和SiC三種不同磨料在噴砂壓力為0.4 MPa，噴砂角度為90°時去除樹脂基涂層，圖3表示不同磨料對涂層的去除效率。可以看到SiO2磨料由于硬度較低，完全去除涂層的效率相對較低，但由于SiO2磨料的密度小于Al2O3磨料，所以在相同質量下的SiO2磨料數目更多，去除效率較Al2O3磨料高。由于SiC磨料的密度在三者中最低且硬度最高，所以采用SiC磨料的去除效率最高，在實際去除過程中所用時間較短，因此后續試驗采用SiC磨料。

3.2 不同噴砂壓力和攻角對基體的影響

噴砂處理前后TC4基體的表面形貌如圖4所示。圖4(a)為未噴涂涂層時TC4基體表面形貌，從其中可以看出基體表面相對平整，存在一定的淺坑，有利于噴涂時涂層與基體結合。圖4(b)為0.3 MPa壓力，90°攻角下噴砂去除涂層后TC4基體表面形貌，可以看到經過噴砂后基體表面出現較深的凹坑和溝壑，表面粗糙度增大。

圖3 不同磨料對涂層的去除效率直方圖

圖4 噴砂處理前后TC4基體的表面形貌 (a)未處理 (b)噴砂后

不同噴砂壓力和攻角下基體的表面形貌和平均粗糙度如圖5和圖6所示。

圖5 不同噴砂壓力和攻角下基體的表面形貌Fig.5 Surface morphology of the matrix under different sand blast pressure and angle

可以看到，由于碳化硅硬度高于樹脂基涂層，在高速沖擊下基體表面被磨料撞擊出大量凹坑，并且各個凹坑方向不一，在后續涂覆時可以避免出現應力集中現象，加強涂層與基體的結合。在攻角由60°向90°增加的過程中，可以看到基體表面逐漸由犁劃與凹坑并存變為以凹坑和溝壑為主，這是因為攻角增大，進行水平切削的磨料減少，垂直砸出的磨料增多。隨著攻角和壓強的增大，基體表面出現更多更深的凹坑，基體表面平均粗糙度變大，當噴砂壓力為0.4 MPa，攻角為75°時，基體表面粗糙度Ra為3.336 μm。如圖5(e)所示，當增大噴砂壓力為0.45 MPa時，基體表面的溝壑加深，磨料對TC4基體產生較大磨損；當進一步增大噴砂壓力到0.5 MPa時，如圖5(f)所示，基體表面的凹坑明顯加深，磨料對TC4基體產生明顯磨損，此時基體表面粗糙度Ra為4.366 μm。分別對圖5(b)中區域1和區域2進行X射線能譜分析，如圖7所示，發現在區域2中其他元素的相對含量基本保持不變，而Si元素的含量遠遠高于區域1，表明區域2中的物質為噴砂后殘留的SiC砂粒。

圖6 不同噴砂壓力和攻角下基體的平均粗糙度直方圖

圖8為試樣厚度隨噴砂時間的變化曲線。可以看到當噴砂壓力為0.4 MPa、攻角為75°時，去除速度呈現先慢后快，且最快速度小于同壓力下攻角為90°，完全去除涂層需要約150 s；而相同壓力下攻角為90°時需要100 s，時間提高了33.3%，且去除速度基本恒定。這是由于涂層較厚時，層與層之間的結合作用力大，當受到側向的切削作用時，去除速度較低，隨著剩余涂層厚度的減少，去除速度逐漸提高；而在垂直方向上始終受到撞擊，涂層均勻的情況下，去除速度相對穩定。

圖8 試樣厚度隨噴砂時間變化曲線

3.3 噴砂去除涂層機理

在噴砂的過程中，即使攻角為90°時，由于磨料射出呈噴射狀，一部分磨料撞向材料表面時仍會有水平分量，所以任意狀態下磨料從噴嘴射出撞向材料的速度應當分為垂直分速度和水平分速度。當攻角較大時，磨料撞擊材料表面的速度以垂直分速度為主，通過不斷撞擊材料表面，將粒子的動能轉化為材料的勢能，從而在材料表面形成凹坑；當攻角較小時，磨料產生的水平分速度沖擊材料表面，產生切削和耕犁作用，在此過程中涂層表面硬度較低的區域被首先去除，而后暴露在外的硬度較高的區域隨磨料的沖擊逐漸剝落。

4 結論

1) 在相同條件情況下，分別使用SiO2、Al2O3和SiC三種磨料去除樹脂涂層，SiC磨料的去除效率最高。

2) 噴砂壓力為0.4 MPa、攻角為90°時，去除效果和效率最佳。

3) 在60°攻角下，磨料通過垂直撞擊、切削和耕犁共同作用下去除涂層，在90°攻角下，磨料以垂直撞擊為主去除涂層，去除速度最快且基本保持不變。