表面处理工艺对TB8钛合金与复合材料胶接性能的影响

王春艳， 周希文， 黄 珺， 洪海华

(1.常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164;2.南京航空航天大学，南京 210016;3.洪都航空工业集团有限责任公司，南昌 330024;4.中航工业直升机设计研究所，江西景德镇 333001)

复合材料能有效减轻飞行器的重量，可广泛应用于航空航天领域［1］。在实际应用中复合材料基板常与钛合金面板胶接而组成钛合金复合材料结构，如直升机桨叶等，但其胶接强度一直是需要解决的关键问题［2］。采用表面处理工艺改善钛合金表面形貌和化学特性是提高钛合金与复合材料胶接强度的一个主要途径［3］。不同表面处理工艺对胶接试样的初始剪切强度、湿热耐久性影响不同［4～6］。Broad等［7］研究表明激光毛化处理的铝合金表面可获得与氢氧化钠、铬酸阳极氧化表面相近的初始胶接剪切强度，且湿热耐久性与铬酸阳极氧化表面相近。Kurtovic等［8］采用硅酸钠(NaTESi)阳极氧化和激光毛化表面处理工艺对钛合金表面的胶接性能进行对比研究，证实激光毛化处理的试样胶接性能较好。Molitor等［9］研究表明激光毛化后的钛合金表面胶接性能随放置时间的延长而下降。Locke等［10］与 Moji等［11］采用铬酸阳极氧化、Kennedy 等［12］与Ingram等［13］采用氢氧化钠(NaOH)阳极氧化处理钛合金表面，获得的表面氧化层有明显的微观粗糙度，胶接耐久性良好;而采用硅酸钠(NaTESi)溶液阳极氧化对钛合金表面进行预处理，同样可获得较好的耐久性［14～16］。

为了研究不同表面处理工艺对TB8钛合金与复合材料胶接强度的影响，本工作采用激光毛化、NaOH阳极氧化两种表面处理工艺在不同参数条件下对TB8钛合金试样进行处理，观察其表面形貌，再将不同表面处理工艺后的TB8钛合金试样与复合材料胶接，进行90°剥离试验，为TB8钛合金与复合材料胶接结构的广泛应用提供参考。

1 实验材料及方法

1.1 材料

挠性材料为厚度0.3mm的TB8钛板，成分如表1所示;刚性材料为厚11mm的CY205/RC10纤维增强树脂基复合材料基板;TB8钛合金与复合材料之间的胶粘剂为EA9309.3A航空专用胶，剥离试样如图1所示。

表1 TB8钛合金成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of TB8 titanium alloy(mass fraction/%)

图1 剥离试样Fig.1 Sample for peeling test

1.2 表面处理

(1)激光毛化

激光毛化试验在BD-JG-600脉冲激光器上进行，试验过程中激光器的离焦量和频率恒定为0和3Hz，分别选用不同脉宽、电流以及毛化点密度对TB8钛合金试样进行表面毛化处理。为防止TB8钛合金氧化，选用氩气作为辅助气体，吹气方向与水平方向成45°夹角，吹气气压为0.1MPa。

(2)阳极氧化

阳极氧化试验所用电源为JC6010A型直流电源，溶液为200g/L NaOH溶液。阳极氧化前先用配方为4%NaOH，5%Na3PO4，3%Na2CO3(均为质量分数)的溶液进行碱洗，再用配方为40% ～60%HNO3，1%HF(均为体积分数)的溶液进行酸洗，去除试样表面的氧化层。然后以TB8钛合金试样作为阳极，不锈钢作为阴极，在NaOH溶液中进行不同电压和时间的阳极氧化试验。

1.3 剥离试样制备

用EA9309.3A航空专用胶对经过表面处理后的TB8钛合金试样与复合材料进行胶接，制备剥离强度试验试样。胶接时试样表面加压0.2MPa，胶体固化温度(60±5)℃，固化时间5h，并放置48h。

1.4 剥离强度试验

采用 90°剥离试验(GB/T 7122—1996)测量不同表面处理工艺对 TB8钛合金与复合材料的胶接强度。90°剥离强度是指将挠性金属片沿着试样胶接平面以90°方向从刚性板上拨开时单位宽度所承受的平均载荷，以N/cm表示。胶接好的试样用如图2所示的90°剥离夹具进行剥离，剥离夹具安装在电子万能拉伸试验机上，TB8钛合金试样以恒定速度100mm/min运动，测量试样剥离所需的力值。

图2 90°剥离试验夹具Fig.2 Clamp of 90°peeling test

2 结果与分析

2.1 激光毛化结果与分析

激光毛化是材料熔化和冷凝的过程。TB8钛合金在高能激光作用下形成熔池，并在试样表面形成凹坑，如图3所示。激光能量的大小直接影响试样的毛化形貌。在恒定离焦量和频率下，改变激光功率可以改变试样表面凹坑的尺寸，激光功率的调节可以通过控制激光器的电流和脉宽来实现。激光器的电流加大，激光单位脉冲能量随之增大;激光器的脉宽加大，激光单位脉冲的作用时间也随之增加。增大激光器的电流和脉宽都能使TB8钛合金表面凹坑的直径和深度增加，但具体效果有所不同，如图4所示。

图3 激光毛化后试样表面形貌Fig.3 Surface profile of laser textured sample

图4 激光能量对凹坑形貌的影响 (a-1)电流对深度的影响(脉宽1ms，激光频率1Hz，离焦量为0，加工速率50mm/min，氩气保护);(a-2)电流对直径的影响;(b-1)脉宽对深度的影响(电流为60A，频率1Hz，离焦量为0，加工速率50mm/min，氩气保护);(b-2)脉宽对直径的影响Fig.4 Effect of laser energy on geometrical morphology of pit (a-1)effect of current on depth(pulse width:1ms，frequency:1Hz，defocusing amount:0，processing speed:50mm/min，argon shielding);(a-2)effect of current on diameter;(b-1)effect of pulse width on depth(current:60A，frequency:1Hz，defocusing amount:0，processing speed:50mm/min，argon shielding);(b-2)effect of pulse width on diameter

由于钛合金试样厚度只有0.3mm，当表面毛化所用的激光能量过高时，在热应力作用下试样会产生变形和翘起，进而影响TB8钛合金试样与复合材料的胶接强度。结果表明，在激光器参数为60A-1ms-3Hz-270mm/min，60A-2ms-3Hz-270mm/min，70A-1ms-3Hz-270mm/min条件下进行毛化，获得的TB8试样基本保持平直;因此，选用上述三种激光毛化工艺参数后的试样进行TB8钛合金与复合材料的胶接性能研究。

2.2 阳极氧化结果与分析

阳极氧化的电压和时间不同，所形成的氧化膜厚度不同，使钛合金试样表现出不同的颜色，如图5所示。电压从5V升高到20V，膜层颜色逐渐向蓝色过渡。而在相同电压下，5～20min内随着氧化时间的延长，膜层颜色逐渐向金黄色过渡。图6所示为NaOH阳极氧化后TB8钛合金的表面微观形貌，阳极氧化工艺在试样表面形成离散分布的颗粒状凹坑，并在凹坑底部形成多孔的氧化膜，氧化膜层厚度在1～5μm(如图7所示)。胶接时过厚的氧化膜层呈现高低起伏状，甚至分层脱落，影响胶接强度，为了研究阳极氧化对试样剥离强度的影响，选用经10V-10min，10V-20min，20V-10min 阳极氧化后的试样进行剥离强度试验。

2.3 剥离试验结果与分析

图5 工艺参数对钛合金氧化膜的影响 (a)电压影响(10min); (b)氧化时间影响(10V)Fig.5 Effect of technological parameters on surface profile of caustic soda solution anodized samples(a)effect of voltage(10min);(b)effect of time(10V)

图6 阳极氧化处理试样表面微观形貌(10V，20min) (a)试样表面SEM图片;(b)B区域SEM图片;(c)C区域SEM图片;(d)D区域SEM图片Fig.6 Surface morphology of the anodized samples(10V，20min) (a)SEM of sample surface;(b)SEM of B area;(c)SEM of C area;(d)SEM of D area

为了获取TB8钛合金试样与复合材料之间的剥离强度，采用等高线法来计算剥离强度，图8所示为试验所得剥离力曲线，具体方法为:(1)剥离载荷从第一个峰值后10mm开始计算，至少取50mm为有效距离计算平均剥离载荷;(2)利用如下公式可测出剥离强度:

式中:σT为剥离强度，N/cm;F为平均剥离力，N;B为试样平均宽度，cm。

为了进行对比，增加了未经表面处理、直接用砂纸打磨后的TB8钛合金试样与复合材料的胶接剥离强度试验。另外，为了研究NaOH阳极氧化工艺对TB8钛合金试样与复合材料胶接剥离强度的提升作用，还对激光毛化后剥离强度最差的试样进行NaOH阳极氧化，然后再测试其与复合材料的胶接剥离强度。各种表面处理工艺后的试样剥离强度见表2。

图7 氧化膜横截面微观形貌(10V，20min)Fig.7 Cross-section of oxide film(10V，20min)

图8 典型剥离力曲线Fig.8 Peeling force-distance curve

表2 不同工艺参数处理的TB8钛合金复合材料剥离强度Table 2 Peel strength of TB8 titanium alloy samples

在胶接过程中，影响胶接强度的因素有胶粘剂与被粘物在接触界面上的相互吸附作用和机械黏合作用，通常可以采用加温、加压的方式来增加胶粘剂与被粘物的吸附作用以提高胶接强度;而胶粘剂与被粘物界面上的机械黏合作用则可通过改变被粘物表面形貌的方式来加强。经400#砂纸打磨后的TB8钛合金与复合材料的剥离强度从3.71N/cm提高到3.91N/cm。这是由于经400#砂纸打磨后的表面形成微小的打磨沟槽，表面粗糙度变大，增大了胶粘剂与试样表面的接触面积，提高了试样的胶接强度，使得剥离试验时胶接表面的破坏形式由“表面破坏”向“表面破坏+胶体破坏”的复合破坏形式转变，如图9a，b所示，打磨后的试样在剥离后留存有部分破坏的胶层。

从表2可知，经小能量激光毛化后，试样表面有明显的微观粗糙度，胶接界面面积增大，TB8钛合金与复合材料的剥离强度较之未经处理的表面有所提升，达到了4.20N/cm。随着激光能量的继续增大，TB8钛合金与复合材料的表面胶接剪切强度虽然能增加［17］，但剥离强度却急剧减小，甚至小于未经表面处理的试样。其原因是随着激光能量的增大，形成毛化点的直径随之增大，胶粘剂在胶接表面形成的“凸起”也就越大，这些“凸起”可以承受较大的剪切力，因此在剪切试验时表现出较好的剪切强度，但在剥离试验过程中，这些“凸起”并不受剪切力的作用，而是从试样表面的凹坑中直接被拉出，所以剥离强度比较低。图9c所示为激光毛化后试样剥离后的表面形貌，仅有少部分胶层残留于试样表面。

图9 剥离试验后试样表面形貌 (a)未打磨;(b)400#砂纸打磨;(c)激光毛化试样;(d)阳极氧化;(e)激光毛化+阳极氧化Fig.9 Surface profile of samples after peeling test(a)unpolished sample;(b)sample polished with 400#abrasive paper;(c)laser textured sample;(d)anodized sample;(e)laser textured and anodized sample

通过阳极氧化表面处理工艺，TB8钛合金试样表面会形成氧化膜。首先，这层氧化膜具有较高的亲水性能，可以提高试样表面与胶粘剂的吸附力;其次，氧化膜具有明显的微观粗糙度，改变了试样表面的形貌，增大了胶粘界面，有利于提高胶接力;另外，由于试样表面的氧化膜呈多孔结构(如图6，7所示)，剥离试验时渗入孔洞之中的胶粘剂以自身剪切断裂的形式进行破坏，比破坏胶接界面需要的力更大;因此，阳极氧化能明显提高TB8钛合金与复合材料的剥离强度。经NaOH阳极氧化处理(10V-20min)的TB8钛合金与复合材料的剥离强度由3.71N/cm上升到5.99N/cm，提高了61%，剥离后试样表面残留较多胶层，如图9d所示。而激光毛化(参数为70A-1ms-3Hz-270mm/min)后试样的剥离强度只有1.14N/cm，但相同工艺参数的试样再经过阳极氧化处理(10V-20min)，其剥离强度则上升为4.45N/cm，剥离后表面胶层有明显破坏的痕迹，如图9e所示。

3 结论

(1)与材料的原始状态相比，激光毛化和NaOH阳极氧化均能提高TB8钛合金与复合材料的胶接强度。

(2)激光毛化对TB8钛合金与复合材料的胶接强度提升作用相对较小，经过60A-1ms-3Hz-270mm/min激光毛化后，TB8钛合金与复合材料的胶接剥离强度可达到4.20N/cm;但在激光毛化处理过程中TB8钛合金试样容易产生因受热而导致的翘曲变形。

(3)相对于激光毛化，NaOH阳极氧化更有利于提高TB8钛合金与复合材料的胶接剥离强度，经过10V-20minNaOH阳极氧化后的TB8钛合金与复合材料的胶接剥离强度最高达到5.99N/cm。

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