面向液體火箭發(fā)動機高溫防護工況的隔熱涂料在不同金屬基體表面粘接性能響應規(guī)律：表面處理方式與涂料組分配比涂覆厚度的協同影響機理探究

隨著國內外防護涂料科技的進步，功能型防護涂料廣泛應用于航空航天、兵器、電子、核電等國防科技工業(yè)領域[1-2]。可大幅提升產品抗電磁、耐濕熱、防輻射、耐老化等性能[3]，其中隔熱防護涂料更是廣泛應用于衛(wèi)星、導彈、火箭等高溫工況下核心/精密部件的防護[4-5]。在液體火箭發(fā)動機生產過程中使用的隔熱涂料，涂覆于零部組件表面起到隔熱防護作用，在300℃溫度場中2mm涂層，冷熱面溫差可達250℃以上[6-7]。在使用過程中，防護涂料與金屬基體需具有良好的粘接性能，才能保證其發(fā)揮優(yōu)異的功能。如耐高溫、耐老化、耐冷熱沖擊、耐腐蝕、防電磁等[8-11]。

本研究以燒蝕隔熱涂料與金屬基體的結合力性能作為研究對象，以隔熱涂料的結合力為考核指標，通過調控固化劑用量、固化環(huán)境、涂料厚度、金屬表面狀態(tài)、板材表面處理方式等因素，對涂料結合力進行測定，通過數據分析明確影響涂層結合力的各因素。

1、試驗部分

1.1　儀器設備

WDW-10C微機控制電子萬能試驗機；VHX-600E三維顯微分析系統(tǒng)；TC-201H恒溫恒濕箱。

1.2　材料試劑

燒蝕隔熱涂料（A、B組分）；KH-550表面處理劑（工業(yè)純）；無水乙醇（分析純）；120#汽油（工業(yè)品）。

1.3　試驗方案1.3.1　涂層制備

試驗所選試片為5A06（LF6）鋁合金板和TC4鈦合金板。

試驗前，對待試件進行表面處理，鈦合金進行表面吹砂，鋁合金進行陽極化處理。用汽油或其他合適的溶劑將產品待涂覆部位清洗。按KH-550∶無水乙醇=(1~3)∶100（wt）配制表面處理劑，用毛刷在板材表面均勻涂覆一遍。按隔熱涂料∶固化劑=100∶2~2.5（wt）配比，配制隔熱涂料。用玻璃棒將配制好的隔熱涂料均勻涂覆在板材表面，搭接后擠出多余涂料，在涂料適用期內合攏試樣加壓室溫固化72 h以上，膠接試件如圖1所示。

1.3.2　測試剪切性能

通過剪切強度考核涂層結合性能，剪切強度按GB/T 7124-2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》進行。

1.3.3　涂層表觀形貌表征

涂層表觀形貌通過三維立體顯微鏡進行表征，分析經剪切強度試驗后涂層表面形貌變化及與試板結合情況。

2、結果與分析

2.1　不同板材及處理工藝對涂層結合力影響結果

分別選擇鋁合金板和鈦合金板作為基體板材，采用不同板材預處理方式對板材進行處理。不同金屬板材表面的處理工藝與涂層結合力強度及涂層脫落情況如表1所示。

表 1 不同板材及處理工藝下涂層的剪切強度

Table 1 Shear strength of coatings underdifferent plates and processing techniques

通過涂層脫落情況及剪切強度值可以發(fā)現，基材不經處理直接制備涂層，其結合力較小，當受到剪切作用時，粘接部位涂層發(fā)生脫落，發(fā)生界面破壞。出現這種現象的原因是板材表面粗糙度太小，涂層與基材之間的機械作用弱，結合力不高。

鈦合金板材吹砂后打磨并使用表面處理劑，剪切強度有所下降，這是因為吹砂造成的粗糙結構不均勻，導致表面處理劑厚度分布不均勻，出現鱗片狀結構，從基材表面翹起的鱗片狀結構帶來應力集中的問題，極易在剪切作用下與涂層脫離，使涂層的剪切強度下降[12-13]。

從不同試板下不同表面預處理方式的對比結果可以看出，鋁板經陽極化處理、鈦合金板經吹砂后打磨，可以保證較大的粗糙度和平整度，有助于提高涂層的結合力。膠結接頭破壞后，鋁合金表面如圖2所示，鈦合金表面如圖3所示。

從圖2(a)可以看出，未處理板材上涂層殘留較少。隨著表面處理工藝步驟的增加，涂層在板材上的粘接情況越好。如圖2(b-c)所示。鋁板經表面陽極化打磨并用表面處理劑處理后，涂層在板材上基本未脫落，具有較好的結合力。

從圖3(a)可以看出，未經吹砂處理的鈦合金板材，由于表面粗糙程度低，涂料與板材的結合能力弱，經拉剪試驗后，在板材表面的殘留少，呈稀疏分散狀態(tài)。試板經吹砂處理后，由于表面粗糙度得到提升，涂層的殘留量進一步增多，如圖3(b)所示。經表面處理劑處理前后的試板，涂層在其表面均有較多殘留，如圖3(c-d)所示。

2.2　稀釋劑添加量對涂層結合力影響結果

隔熱涂料為雙組分，稀釋劑為120#汽油。在涂覆過程中，通過添加一定配比含量的汽油，以保證涂料具有均勻流動性。不同稀釋劑添加量下涂層的剪切強度及涂層脫落情況如表2所示。

表 2 不同稀釋劑添加量下涂層的剪切強度

Table 2 Shear strength of the coating under different diluent addition amounts

當稀釋劑添加量為40%時，涂層在陽極化鋁板上的剪切強度最高，達到2.05 MPa；當稀釋劑添加量為20%時，涂層在吹砂鈦合金板上的剪切強度最高，達到1.85 MPa。對比不同板材，由于板材表面結構和粗糙程度不一致，對涂料的稀釋程度有差異。稀釋劑添加量較多時，涂料流動性較大，固化過程中溶劑揮發(fā)溢出會對涂層內部產生氣孔，殘留較少，影響結合強度[14]。不同稀釋劑添加量下涂層經拉剪試驗后，鋁板板材及鈦合金板材表面涂層殘留情況如圖4和圖5所示。

由圖4可知，隨著稀釋劑添加量增加，涂層在鋁板表面殘留量減少，且成型后涂層較薄。由于鋁板表面較平整光滑，過稀的涂料不利于涂層在板材上的附著，只有板材中部殘存少量涂層。

由圖5可知，當稀釋劑添加量在20%~40%范圍內時，涂層分布呈現均勻致密狀態(tài)，經拉剪試驗后，涂層基本未脫落。隨著稀釋劑添加量的進一步增加，板材局部位置，涂料呈脫落狀態(tài)。

2.3　涂料涂覆層數對涂層結合力影響結果

涂料涂覆層數對涂層結合力會產生一定影響，通過改變涂料的涂覆層數來反映涂料的剪切強度及涂層脫落情況。不同涂料涂覆層數下涂層的剪切強度如表3所示。

由表3可知，對于陽極化鋁板，涂層涂覆層數在2-3層時，剪切強度可達2.27 MPa。對于吹砂鈦合金板，當涂料涂覆層數為2層時，其剪切強度最大，為1.80 MPa。涂覆層數僅為1層時，涂層的剪切強度最低。這是由于當涂層厚度較薄時，最大剪應力位于基體內部或涂層與基體的界面處，極易導致涂層的分層失效；隨著涂層厚度的增加，涂層內部的殘余應力值即斷裂能降低，使得涂層抗接觸疲勞性能提高，結合力強度增高[15-16]。因此可見，施工工藝過程中在一定的范圍內增加涂層的厚度可以提高涂層的結合力強度。在剪切作用下，涂層發(fā)生內聚斷裂，有很大一部分涂層依然與涂層緊密結合。涂層經剪切強度試驗后，涂層在鋁板及鈦合金板材表面殘留情況如圖6和圖7所示。

表 3 不同涂料涂覆層數下涂層的剪切強度

Table 3 Shear strength of coatings under different numbers of coating layer

當涂覆層數較少時，涂層均集中在板材中部，從中部向周圍開始出現較大面積局部脫落，如圖6(a)所示。當涂層厚度進一步增加時，涂層在板材上的分布狀態(tài)趨于均勻，殘留量增大且呈現致密狀態(tài)，這時涂層內部的裂紋密度與涂層厚度成反比。如圖6(c)所示。當涂料涂覆層數為4層時，涂層孔隙率增加，涂層分布疏密區(qū)邊界處出現裂紋，導致涂層的物理機械性能降低，出現脫層，進而影響涂層與板材的結合力強度[17]。

涂層在鈦合金材料上的脫落形貌如圖7所示。當涂層厚度較薄時，涂層在板材中部呈均勻分布狀態(tài)，在不同部位出現不同程度的脫落，脫落周圍涂層出現翹邊情況，此時涂層結合力較低，如圖7(a)所示。隨著涂料涂覆層數的增加，涂層在板材的分布呈層狀堆積狀態(tài)，逐漸由均勻分布態(tài)轉換為起翹魚鱗態(tài)，如圖7(b-d)所示。這是由于過厚的涂層在本身具有一定粗糙程度的板材表面，易分布不均勻而產生堆積，堆積較少區(qū)域則易出現脫層狀態(tài)，堆積較厚區(qū)域則易結塊，造成應力分布不均，使得涂層結合力性能下降。

2.4　固化劑添加量對涂層結合力影響結果

固化劑在涂料使用過程中用于增進或控制固化反應，能有效加快涂料的干燥固化速度，提高涂料的粘合度。不同固化劑添加量下涂層的剪切強度和涂層脫落情況如表4所示。

表 4 不同固化劑添加量下涂層的剪切強度

Table 4 Shear strength of the coating under different curing agent addition amounts

由表4可知，固化劑添加量為1%時，涂層在陽極化鋁板及吹砂鈦合金板上的剪切強度最低，涂層在板材上均勻分布，部分出現脫落。當固化劑添加量為2%~4%時，涂層的剪切強度較大且穩(wěn)定，未發(fā)生明顯變化，涂層在板材上基本未脫落。由此可見，固化劑添加量為2%時最適宜，隨著固化劑添加量的增加，對涂料性能產生一定影響。實際施工過程中，固化劑的添加量對涂料的固化快慢會產生一定影響，因此需根據環(huán)境狀態(tài)，按照合適比例添加固化劑，以保證施工過程的有序進行。經剪切強度試驗后，涂層在鋁板及鈦合金板材表面殘留情況如圖8和圖9所示。

由圖8可知，涂層在鋁板上的脫落情況為：不同固化劑添加量下的涂層均能大面積附著于板材表面。當固化劑添加量為4%時，涂層與板材結合邊緣位置出現開裂、分層和脫落現象，如圖8(d)所示。當固化劑含量過高時，由于涂料的固化時間過快，在板材表面粘接過程中可能會出現面積范圍內不同區(qū)域涂料的固化程度不同，導致涂層與板材接觸的邊緣處出現分層開裂現象[19]。

由圖9可知，固化劑添加量為1%時，涂層在板材中部小區(qū)域產生脫落，脫落周圍涂層起翹，如圖9(a)所示。固化劑添加量增加后，涂層與吹砂鈦合金板材存在著良好的界面結合特性，均勻附著在板材表面，在剪切力的作用下，未出現局部脫落情況，如圖9(b-d)所示。

3、結語

(1) 不同基材采用不同表面處理方式提高涂層結合性能，多種處理方式共用可最大限度提高涂層的結合性能；

(2) 涂膜厚度既不能太薄，也不能太厚，要嚴格按照涂膜的不同用途來采用不同的涂膜厚度，涂覆層數以不超過3層為佳；

(3) 隔熱涂料根據不同基體類型，選擇以稀釋劑添加量為20%~40%，固化劑添加量為2%~3%控制涂料體系組分配比，將會使涂層結合性能達到最佳。

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（注，原文標題：航天發(fā)動機隔熱涂料與金屬基體界面結合性能研究_王宇涵）

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