前言

緊固件是一種量大面廣的通用基礎(chǔ)件，包括螺栓、螺釘、螺柱、螺母、自攻螺釘、木螺釘、墊圈、擋圈、銷、鉚釘、連接副和組合件及其他12大類，廣泛用于通用機(jī)械、工程機(jī)械及國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域。緊固件的品質(zhì)和可靠性對(duì)主機(jī)的工作性能和結(jié)構(gòu)安全性起著重要作用，一些重要的連接，可能因?yàn)檫@種失效釀成重大事故。

某些防蝕措施也會(huì)影響零件的性能，例如，常用的電鍍緊固件可能出現(xiàn)氫脆；較厚的表面涂鍍層將影響螺紋的旋合性，也有可能影響連接強(qiáng)度。

鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐腐蝕性、良好的耐高溫性能等，在航空、航天、船舶、地面武器裝備等國(guó)防工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。鈦合金緊固件（鈦合金螺絲）連接件是飛機(jī)及地面武器裝備上的典型結(jié)構(gòu)件，其失效破壞包括緊固件自身的疲勞、連接板材緊固孔處的疲勞及腐蝕疲勞等埋J。一般情況下鈦及鈦合金表面可生成一層致密的氧化膜，起到防腐蝕的作用，但是在惡劣的環(huán)境中或者氧化膜破裂以及發(fā)生縫隙腐蝕的情況下，鈦合金的耐腐蝕性能將大大降低。在海洋或潮濕環(huán)境中，緊固件材料都存在不可預(yù)見的腐蝕性和由此帶來 的故障風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)鈦合金與結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金等異種金屬接觸時(shí)，由于電偶腐蝕，常常會(huì)加速其他金屬及其自身的腐蝕，造成緊固件及緊固孑L周圍產(chǎn)生破裂。因此，必須采取合適的防護(hù)措施以保證其環(huán)境耐久性滿足在實(shí)際應(yīng)用中尤其是國(guó)防工業(yè)中的安全性要求。本工作旨在探討鈦合金緊固件的腐蝕及其控制技術(shù)。

1、鈦合金結(jié)構(gòu)件的腐蝕分析

1.1腐蝕性能

由于緊固件安裝時(shí)自然形成間隙，那些易受影響的金屬材料常會(huì)在金屬與金屬間或金屬襯墊間，或在表面涂層裂紋下發(fā)生縫隙腐蝕。鈦合金具有良好的抗腐蝕性，是海洋環(huán)境中常用的緊固件材料，本身不受天然水、海洋環(huán)境及80℃以下海水的腐蝕影響。鈦具有良好的抗腐蝕性是因?yàn)槠浔砻婢o密附著了一層防護(hù)性氧化膜，膜一旦受損，在有氧的情況下，可瞬時(shí)自動(dòng)修補(bǔ)。但實(shí)際使用中，當(dāng)環(huán)境條件改變時(shí)(如溫度的升高、某種介質(zhì)濃度的增加及發(fā)生了與其他易腐蝕金屬的接觸等)，腐蝕就可能發(fā)生。在涂層下，由于涂層破裂或失效，可能會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕。對(duì)于表面有鈍化膜的鈦合金而言，在靜止或低流速的海水中由于氧的供應(yīng)不足，鈦合金表面鈍化膜的作用降低，這時(shí)點(diǎn)蝕也可能發(fā)生。鈦緊固件對(duì)純的非氧化酸(如鹽酸、稀硫酸等)、氫氟酸、高溫的稀磷酸和室溫濃磷酸也不耐蝕。

鈦合金緊固件同其他易鈍化金屬一樣，易產(chǎn)生縫隙腐蝕、氫脆，只是縫隙腐蝕通常發(fā)生在高溫含鹵素離子的溶液中。鈦合金緊固件與更惰性的金屬結(jié)合在一起時(shí)，會(huì)受到電偶腐蝕，而影響較大的是犧牲陽(yáng)極或陰極保護(hù)的吸氫引起的脆性晶間斷裂腐蝕[3,4]。

1.2幾種可能產(chǎn)生的腐蝕情形

1.2.1應(yīng)力腐蝕斷裂(SCC)

應(yīng)力腐蝕斷裂是緊固件技術(shù)人員最為關(guān)心的問題之一。不同的鈦合金材料對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性不一樣，如在室溫海水環(huán)境中Ti-5111幾乎不受SCC影響，而在海水中Ti-6Al-4V的斷裂韌性卻會(huì)降低，尤其當(dāng)采用該材料的鈦緊固件處在海水中，再加上持續(xù)拉伸力的作用時(shí)，應(yīng)力腐蝕斷裂就會(huì)產(chǎn)生。

1.2.2氫脆斷裂

海水腐蝕或海洋陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生的氫可使緊固件由于氫脆而斷裂。鈦合金雖然適應(yīng)普通海洋條件，當(dāng)其與活性金屬結(jié)合后表面會(huì)產(chǎn)生氫，在溫度為80℃以下，氫不會(huì)擴(kuò)散到鈦金屬內(nèi)部，而當(dāng)溫度在80℃以上時(shí)，氫脆就可能產(chǎn)生。

1.2.3電偶腐蝕

鈦合金可安全地與耐蝕金屬連接，如惰性不銹鋼和石墨增強(qiáng)的復(fù)合材料等。但應(yīng)用在鋁構(gòu)件中時(shí)，則往往是鈦緊固件周圍的局部腐蝕引起斷裂。選擇合適的材料可以避免電偶腐蝕，如耐磨的螺紋涂層一般是非導(dǎo)電的，通過減少鈦緊固件面積有效降低動(dòng)電電流，實(shí)際限制了鈦合金緊固件的電偶腐蝕[5]。

1.2.4縫隙腐蝕

鈦合金緊固件（鈦標(biāo)準(zhǔn)件）的縫隙腐蝕常常是由幾何原因、材料原因、環(huán)境原因引起。由于鈦合金緊固件自身具有的幾何形狀，在緊固件與螺栓、螺母之間自然形成了一定的縫隙。鈦合金緊固件自身材質(zhì)狀態(tài)、合金元素種類與含量、表面光潔度等因素都會(huì)影響到鈦合金材料發(fā)生縫隙腐蝕的行為和過程[6]。鈦合金縫隙腐蝕在一些環(huán)境因素如特定的介質(zhì)和溫度等環(huán)境中都可能產(chǎn)生，如在含氯離子溶液中最易發(fā)生。在溫度低于85℃的環(huán)境中，在實(shí)驗(yàn)室階段未發(fā)現(xiàn)鈦合金的縫隙腐蝕，但縫內(nèi)的電位同步監(jiān)測(cè)試驗(yàn)顯示，隨著溫度升高，發(fā)生縫隙腐蝕時(shí)的縫內(nèi)電位也變負(fù)，說明縫隙腐蝕的驅(qū)動(dòng)力在增加。

2、鈦合金緊固件腐蝕控制方法與思路

如前所述，鈦合金就材料本身而言具有好的耐蝕性。但當(dāng)鈦合金做成幾何件(如緊固件等)或與其他金屬接觸或特殊的環(huán)境條件下，鈦合金自身或?qū)εc之偶對(duì)的金屬的腐蝕就可能發(fā)生。

2.1縫隙腐蝕及控制

縫隙腐蝕的主要因素可概括為三個(gè)方面，即材料、接觸和環(huán)境，因而控制這類腐蝕的根本措施也要從這三個(gè)方面著手。首先應(yīng)合理地選擇材料，適當(dāng)?shù)刈鞅砻娓男耘c表面涂覆層處理，以降低或消除接觸腐蝕的接觸因素。在緊固件配合的設(shè)計(jì)上要盡量減少和避免異種材料的接觸，必須接觸的也要進(jìn)行隔離處理。隔離處理時(shí)要注意保證緊密的配合，盡量避免縫隙的形成。在環(huán)境因素方面要避免潮濕、水蒸氣、鹽霧環(huán)境，加強(qiáng)通風(fēng)，另外還可以通過密封膠或密封漆將緊固件與工作環(huán)境隔離。

2.2電偶腐蝕及控制

(1)采用合理的鍍層 采用電鍍等方法對(duì)材料表面進(jìn)行改性，使相接觸的材料具有相近的電位，從而降低金屬間的電偶電流，可有效地防止電偶腐蝕。

(2)陽(yáng)極氧化或化學(xué)轉(zhuǎn)化處理[7,8]鈦合金陽(yáng)極氧化后，膜層電阻增大，接觸電阻增加，則降低了電偶效應(yīng)。研究表明，鈦合金TC2陽(yáng)極化可以有效地降低與30CrMnSiA的電偶電流[7]。

當(dāng)鈦合金與其他材料偶對(duì)時(shí)，鈦合金經(jīng)陽(yáng)極氧化處理與無(wú)陽(yáng)極化膜的鈦合金相比，其電偶腐蝕速度可降低約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

(3)涂漆或涂膠 涂覆化學(xué)覆蓋層最好配合涂漆或涂膠，或者二者同時(shí)使用，以將接觸件絕緣、封閉，從而有效地消除由于接觸而造成的電偶腐蝕。用環(huán)氧鋅黃底漆、雙組分密封膠防護(hù)，可以有效地防止0Crl3Ni8M02AI與LYl2和TCA接觸時(shí)的電偶腐蝕。

2.3氫脆的控制

前述所知，鈦合金與活性金屬結(jié)合后表面會(huì)產(chǎn)生氫，另外在高溫環(huán)境下(如在80℃以上時(shí))，也會(huì)產(chǎn)生氫脆。因此，在選用鈦合金材料作緊固件時(shí)，首先要考慮采用未添加活性金屬的鈦合金材料，另外盡量避免在高溫環(huán)境(如80℃以上)中使用。

2.4鈦合金緊固件間及其與偶對(duì)金屬間的腐蝕控制

2.4.1鈦合金緊固件之間

鈦合金作為緊固件應(yīng)用時(shí)，鈦螺栓常與鈦、結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和鋁合金材質(zhì)的螺母等配對(duì)使用。鈦合金緊固件之間的腐蝕控制是指鈦合金螺栓與螺母及鈦合金螺栓與上述其他金屬材料螺母之間的腐蝕控制問題。研究表明，鈦合金螺栓進(jìn)行脈沖陽(yáng)極化和一般陽(yáng)極化處理后，與進(jìn)行脈沖陽(yáng)極化處理的螺母具有良好的接觸相容性，可見這是一種比較好的組合，優(yōu)于其與不銹鋼螺母配對(duì)使用；當(dāng)對(duì)螺母連接強(qiáng)度要求不太高、腐蝕條件苛刻性較低時(shí)，可考慮使用陽(yáng)極化LYl2螺母與TC16螺栓連接，這從經(jīng)濟(jì)上和減輕緊固件質(zhì)量上都是有益的[9]。

2.4.2鈦合金緊固件與被緊固金屬之間的腐蝕控制

飛機(jī)蒙皮大量采用鋁合金材料、地面裝備大量使用結(jié)構(gòu)鋼及合金材料等，這些承載結(jié)構(gòu)件用材的連接常用緊固件來完成，這時(shí)緊固件與緊固的承載材料之間產(chǎn)生接觸。鈦合金緊固件緊固的金屬材料以變形鋁合金和高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼為主。為此，主要分析鋁合金與結(jié)構(gòu)鋼作為主要承載材料時(shí)，與鈦合金緊固件之間的電偶腐蝕行為及控制方法。

(1)與鋁合金被緊固材料之間

已經(jīng)有研究者對(duì)帶包鋁層和去包鋁層陽(yáng)極化LYl2兩種緊固金屬試件的極化行為及與其偶對(duì)材料的標(biāo)準(zhǔn)電偶腐蝕試驗(yàn)和組合試樣的中性鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)進(jìn)了研究，結(jié)果表明，

帶包鋁層陽(yáng)極化鋁合金LYl2的單獨(dú)對(duì)比試件的耐蝕性要優(yōu)于去包鋁層試件，當(dāng)它們用鈦合金脈沖陽(yáng)極化螺栓和螺母連接時(shí)，由于脈沖陽(yáng)極化鈦合金和陽(yáng)極化鋁合金之間存在非常大的電極電位差，因而它們之間存在嚴(yán)重的電偶腐蝕傾向，帶包鋁層的試件首先出現(xiàn)腐蝕跡象，但是整個(gè)腐蝕周期內(nèi)，帶包鋁層的試件耐蝕性優(yōu)于去包鋁層的，即包鋁層可以提高陽(yáng)極化膜層的耐蝕性；采用鈦合金鍍鋁鈍化螺栓，配合使用陽(yáng)極化LYl2螺母，從電化學(xué)角度來看，鍍鋁鈍化膜和鋁合金陽(yáng)極氧化膜之間的電極電位差很小，具有非常好的電偶相容性，組合試件的鹽霧加速試驗(yàn)檢驗(yàn)也證實(shí)，沒有明顯的電偶腐蝕發(fā)生，接觸相容性非常好。因此，鈦合金緊固件與鋁合金緊固材料之間的電偶腐蝕控制可以采取這樣的控制方法。

(2)與結(jié)構(gòu)鋼被緊固材料之間從鈦合金與結(jié)構(gòu)

鋼偶對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電偶腐蝕數(shù)據(jù)分析知，結(jié)構(gòu)鋼與鈦合金緊固件不能直接接觸(結(jié)構(gòu)鋼與鈦合金裸件的之間的電偶電流為6.165μm/cm²)，因此有必要對(duì)它們進(jìn)行表面改性處理。對(duì)結(jié)構(gòu)鋼自腐蝕的耐蝕性研究表明，結(jié)構(gòu)鋼鍍鎘鈍化的耐蝕性最好，其次為結(jié)構(gòu)鋼鍍鋅鈍化。不論自腐蝕還是電偶腐蝕，都比結(jié)構(gòu)鋼裸件與鈦合金緊固件接觸時(shí)的耐蝕性好[10]。當(dāng)鈦合金緊固件與結(jié)構(gòu)鋼裸件接觸時(shí)，不同的鈦合金緊固件經(jīng)不同的表面處理后，具有不同的電偶電流，由小到大順序?yàn)椋好}沖陽(yáng)極化<一般陽(yáng)極化<裸件，因而選擇鈦合金脈沖陽(yáng)極化螺栓是相對(duì)合理的，但是從組合試件的試驗(yàn)結(jié)果知，二者之間的電偶效應(yīng)比較大，因此，不推薦直接用脈沖陽(yáng)極化螺栓連接結(jié)構(gòu)鋼裸件，可以采用封絕緣膠或加絕緣墊片等方法來降低或消除二者之間的電偶腐蝕。由此可知，控制鈦合金緊固件與結(jié)構(gòu)鋼之間的電偶腐蝕的最佳方案為結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行鍍鎘鈍化處理，鈦合金緊固件再進(jìn)行鍍鋁鈍化處理。

此外，還有很多方法可以有效降低鈦合金緊固件與被緊固材料的電偶腐蝕。如通過使用非導(dǎo)電性墊圈和套筒螺栓形成鈦緊固件的電絕緣，使用特殊的潤(rùn)滑脂和凝脂也可以絕緣鈦緊固件；對(duì)較易發(fā)生反應(yīng)的結(jié)構(gòu)材料可采用陰極保護(hù)；對(duì)于結(jié)構(gòu)中的自攻螺釘、螺栓的固定部位及所有異金屬材料的連接處，可加防腐蝕隔離層或采用“濕裝配”方法裝配，然后涂密封膠；對(duì)于電偶腐蝕敏感性高的材料，可以通過表面處理或者涂絕緣膠來降低電偶腐蝕的敏感性。如對(duì)于鈦合金TC2與LYl2接觸時(shí)，可以通過鋁合金陽(yáng)極化(使平均電偶電流降低一個(gè)數(shù)量級(jí))后與鈦合金螺栓接觸；對(duì)于部分碳鋼材料可以通過鍍鎘磷化與陽(yáng)極化鈦合金TC2的接觸方案，這樣可以降低二者偶合的電偶電流。

3、鈦合金緊固件防護(hù)處理及注意問題

鈦合金的表面防護(hù)處理技術(shù)大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：以電鍍、熱擴(kuò)散為代表的傳統(tǒng)表面技術(shù)階段，以等離子體、離子束、電子束的應(yīng)用為標(biāo)志的現(xiàn)代表面技術(shù)階段和現(xiàn)代表面技術(shù)的綜合應(yīng)用和膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段。多層涂層是提高鈦及鈦合金表面性能的有效途徑之一，這種方法可以改善韌性、提高耐腐蝕性、提高抗開裂性和細(xì)化晶粒等。具體做法是在鈦合金的表面處理中在鈦金屬表面先預(yù)鍍上一層韌性較好的TiN作為間隔層，然后將TiC、(Ti，A1)N、Ti(C，N)、TiB和CrN等鍍?cè)赥iN層上形成多層結(jié)構(gòu)。由此得到的多層鍍層可以極大地改善鍍層的韌性、耐腐蝕性和耐磨性。多組元涂層、多層涂層以及多組元和多層涂層的結(jié)合正在成為鈦合金表面處理研究的新方向。通過對(duì)多組元元素的選擇以及多層涂層的設(shè)計(jì)可以得到質(zhì)量高、性能好的復(fù)合表面涂層[11]。

緊固件防護(hù)涂層的要求與一般的防護(hù)涂層不同，它不僅需要有良好的耐腐蝕性能，而且應(yīng)具有較低的摩擦系數(shù)和良好的抗咬死性能。另外，涂層應(yīng)厚度適宜且均勻一致，以保證螺栓與螺母或構(gòu)件之間的良好配合。施加防護(hù)涂層的緊固件的力學(xué)性能應(yīng)符合要求，避免產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。鈦合金緊固件的主要防護(hù)處理方法及特點(diǎn)見表1[12,13]。

據(jù)悉，美國(guó)已將飛機(jī)零件和宇宙飛行器上的鈦合金零件的連接件全部采用離子鍍鋁代替以前所采用的電鍍鎘。與電鍍鎘相比，鍍鋁不但耐蝕性好，且不會(huì)引起鈦合金脆化，使用溫度也由原來鍍鎘的230℃提高到500℃，同時(shí)避免了鎘污染所帶來的危害，利于環(huán)保。這是提高鈦合金緊固件綜合性能較為有效的一種防護(hù)方法。對(duì)于陽(yáng)極化鋁合金LY12材料，不論是單獨(dú)對(duì)比試件還是用鈦合金緊固件連接的組合試件，電化學(xué)腐蝕和鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)均表明，帶包鋁層陽(yáng)極化LY12的耐蝕性優(yōu)于去包鋁層陽(yáng)極化試件。

根據(jù)不同的應(yīng)用要求選擇不同的方法對(duì)鈦及鈦合緊固件表面防護(hù)層的種類很多，且各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，所以緊固件防護(hù)層的選用要根據(jù)使用部位和功能要求進(jìn)行合理匹配，才能獲得最佳效果。

4、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)不同應(yīng)用要求選擇不同的方法對(duì)鈦及鈦合金進(jìn)行防護(hù)處理是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、鈦合金緊固件應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)展和使用條件的變化，耐超高溫、超高強(qiáng)度、超塑性、超耐磨性、多功能的鈦合金緊固件必將出現(xiàn)[14]。另外，隨著鈦合金表面防護(hù)處理技術(shù)的日臻完善，納米技術(shù)、等離子體技術(shù)、高頻電磁技術(shù)、激光技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，特別是加弧輝光離子滲金屬技術(shù)、雙層輝光離子滲金屬技術(shù)等新技術(shù)研究的進(jìn)一步深化，一些經(jīng)過表面 處理的強(qiáng)耐蝕、強(qiáng)耐磨鈦合金緊固件也必將隨著使用條件更加復(fù)雜的要求而出現(xiàn)。鈦合金結(jié)構(gòu)件及其所接觸的金屬都不腐蝕的理想結(jié)果，是腐蝕控制研究者努力的方向。

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