FR46-3外防熱涂層自動噴涂工藝方法研究

高金鳳 李 兵 王 靜 王 蒙 王 德

（內蒙合成化工研究所，內蒙古 呼和浩特 010010）

當飛行器在大氣層中高速飛行時，由于惡劣的氣動熱環(huán)境[1,2]，導致飛行器結構材料的高強度金屬和復合材料的力學性能下降。外防熱涂層的使用，有效起到了防熱隔熱的作用，保證了高溫條件下結構材料的強度和剛度[3,4]。內蒙合成化工研究所作為熱防護材料領域的專業(yè)研究所，先后研制出外防熱、電磁屏蔽、抗激光、防靜電和防腐蝕等多種功能性涂層材料，產(chǎn)品已逐步實現(xiàn)系列化，并在多個型號上得到了批產(chǎn)應用。其中，F(xiàn)R46系列外防熱材料包括低密度隔熱材料、抗熱流沖刷材料、復合型抗高熱流的防熱材料等多個產(chǎn)品，能夠滿足不同型號的防熱需求。FR46-3是一種新型外防熱涂層材料，該材料抗熱流沖刷能力強，具有較高的韌性，能夠滿足各種復合材料殼體的變形匹配要求，其主要性能見表1。

表1 FR46-3外防熱涂層的技術指標

將FR46-3涂層涂覆于Ф540復合材料的小型試驗器表面，并開展了水壓爆破試驗。結果表明該涂層表面沒有裂紋，其韌性可滿足復合材料殼體的變形要求。

利用等離子燒蝕裝置和背溫在線測試系統(tǒng)，模擬一定的熱流密度條件（454kW/m2×130s），對FR46-3涂層及其他單位性能較好的防熱涂層進行了熱流燒蝕試驗。試樣采用鋁板表面涂覆外防熱涂層，其中鋁板尺寸80×80×1.8 mm，涂層厚度3.5 mm。試驗表明，F(xiàn)R46-3涂層燒蝕試樣的表面狀態(tài)、背壁溫升等與其他單位性能較好的防熱涂層相當，因此由于該涂層較高的韌性而使其應用范圍更為廣闊。FR46-3外防熱材料的制備工藝成熟，施工工藝一直靠實物成型經(jīng)驗積累，沒有可量化的工藝參數(shù)范圍和標準。在噴涂成型前，無法判定涂層的工藝參數(shù)范圍，嚴重影響了外防熱層生產(chǎn)工藝的可操作性和生產(chǎn)進度。本文為解決外防熱涂層自動噴涂工藝參數(shù)無法判定的問題，結合已成型的工件表面自動噴涂的工藝參數(shù)及材料本體性能，確定了不同直徑工件表面防熱涂層的自動噴涂工藝參數(shù)范圍。

1 實驗部分

1.1 試件制備

1.1.1 外防熱涂料制備

FR46-3涂料制備按照《FR46-3外防熱材料規(guī)范》制備，將涂料攪拌均勻后置于塑料瓶中，自然散射光下，目測物料為棕黃色粘稠物。

1.1.2 噴涂準備

準備長1500mm，直徑分別為Φ450mm、Φ760mm、Φ1100mm、Φ1400mm的三個工件，工件表面用聚四氟乙烯粘貼式脫模布進行保護處理。自動噴涂設備：非標往復式噴涂機。供壓系統(tǒng)：高壓柱塞泵。試樣制作：按照噴涂工藝參數(shù)，將防熱層成型至約2.2 mm。

1.1.3 固化條件

噴涂完畢后，晾置8h以上，轉至（55±5）℃烘房內，固化（12±2）h。

1.2 性能測試

外觀檢查：目視涂層表面平整、無流掛。

密度測試：電子天平（AX205，瑞士METTLE TOLEDO），執(zhí)行標準QJ 917A。試件在（5～35）℃條件下固化（5～7）d，或涂層表干后在（70±5）℃下固化（4～6）h，邵氏硬度大于80即可進行送樣測試。硬度測試：邵氏A型硬度計（北京時代之峰科技有限公司）。試件在一定溫度下晾置或固化一定時間后，自然冷卻至室溫，室溫控制在（23±5）℃，試件和硬度計在此溫度下放置24h以上，才可進行硬度測試。測試時試件底部墊2mm以上平整鋁板或鐵板，以減小誤差。壓針距離試樣邊際至少12mm，每個試件取五個不同位置的點進行測試，每點相距5mm以上，壓足和試樣接觸后1s內讀數(shù)，測試結果取算術平均值作為試件硬度值，圖1。

圖1 邵氏A型硬度計

2 結果與討論

2.1 工藝參數(shù)影響分析

自動噴涂工藝的主要參數(shù)有：霧化壓力、上料壓力、噴槍移動速度和工件轉動速度，同時防熱涂層材料的粘度、噴槍與殼體的距離也會影響噴涂質量和效果。自動噴涂系統(tǒng)的供氣壓力分為上料壓力和霧化壓力兩部分。上料壓力主要影響出料量，壓力過小會導致供料不足，難以噴涂到工件表面，壓力過大則會導致出料量大，無法霧化。而霧化壓力主要影響涂料的霧化效果，壓力過小會導致涂料無法霧化或霧化范圍太窄，殼體表面某些部位涂層難以全部覆蓋，壓力過大會導致輕質填料飛散，導致密度超差。

2.2 不同直徑工件涂層噴涂工藝研究

在長1500mm，直徑分別為Φ760mm、Φ1100mm、Φ1400mm的三個工件表面，分別噴涂FR46-3防熱涂層，以目視涂層表面平整、無流掛為判定原則，對固化后的防熱層進行密度及硬度測試。三個工件表面FR46-3防熱層的自動噴涂工藝參數(shù)見表2。

從表2中可以看出，涂料粘度、噴涂距離、霧化壓力、上料壓力這四個工藝參數(shù)與材料本體有關，基本不受工件直徑影響，因而這四個工藝參數(shù)范圍也可用于任何直徑工件FR46-3防熱涂層材料自動噴涂工藝中。噴槍移動速度和工件轉動速度的控制主要影響涂層的均勻性。如果噴槍移動速度較快而工件轉動速度較慢就會出現(xiàn)涂料不能全覆蓋殼體的現(xiàn)象；而工件轉動速度過快而噴槍移動速度過慢會因上料量偏大而造成流掛，因此應確定噴槍移動速度和工件轉動速度的合理控制范圍，使兩者能夠有效匹配。表3列出了自動噴涂設備中工件轉速與噴槍移動速度對應關系。表4列出了三個不同直徑工件轉速與噴槍移動速度對應關系。

表3 工件轉速與噴槍移動速度對應關系

表4 不同直徑工件轉速與噴槍移動速度對應關系

從表3可以看出，不同直徑的工件轉一圈噴槍移動距離均在9～11mm之間。這樣可以達到較好的防熱涂層材料噴涂效果。按照殼體轉一圈噴槍移動最佳距離，計算Φ450mm工件的轉速與噴槍移動速度的匹配數(shù)據(jù)，見表5。

表5 Φ450mm工件轉速與噴槍移動速度

從表4可以看出，符合計算條件的Φ450mm工件轉速與噴槍移動速度的匹配數(shù)據(jù)共四組。根據(jù)Φ760mm、Φ1100mm、Φ1400mm的三個工件的實際應用情況，可以看出，隨著工件直徑的變小，工件轉速需要相應增大，才能保證涂料不會堆積、流掛。Φ450mm工件外徑比Φ760mm小將近300mm，因而，選擇第三組和第四組工藝參數(shù)更為適合。對Φ450mm工件進行自動噴涂試驗，應用的工件轉速與噴槍移動速度分別為（40～50）Hz和2000Hz。

3 結論

通過對不同直徑工件FR46-3外防熱涂層的自動噴涂工藝參數(shù)、性能數(shù)據(jù)進行總結分析，計算得出FR46-3外防熱材料的自動噴涂工藝參數(shù)范圍，經(jīng)Φ450mm工件上自動噴涂工藝試驗，驗證了理論工藝參數(shù)的可行性，可推廣至不同直徑工件表面進行FR46-3防熱涂層自動噴涂成型。