專利名稱：改進的預涂敷鋁合金零件制備方法及據以制備的零件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制備預涂敷、鋁合金基的零件。具體地說，本發(fā)明涉及采用流化床涂敷工藝方法來涂敷鋁合金飛機結構零件。
近來發(fā)現，某些鋁合金飛機零件的腐蝕防護和安裝與加工的簡易性可以通過在安裝之前用一種有機涂層處理予以改進。這種預處理可以減少加工時間和相應費用，而又避免了通常使用有毒溶劑所造成的困難和昂貴的處理問題。
這種進展乃是共同擁有的美國專利第5,614,037號的主題，其全部內容在此引入作為參考。如其中所述，一直的作法是，以有機涂層涂敷某些類型的固緊件以防護固緊件的基底金屬不受腐蝕損害。在這種通常的方法中，首先制作出固緊件，而后熱處理到其所需的強度。熱處理之后，固緊件用一種苛性鈉浴予以酸洗或另外予以清洗以除去在熱處理中生成的垢皮。任由選擇地，固緊件予以或最好是予以陽極化處理。涂敷材料，溶解在一種揮發(fā)性載體液劑之中，利用噴涂、浸漬或類似方法施加于固緊件。載體液劑隨后予以氣化。經過預涂敷的固緊件加熱到某一高溫而保持一段時間以熱處理此合金，并同時固化此涂層。完成的固緊件隨后用于制作飛機結構。
一如美國專利第5,614,037號所說明的那樣，一直的作法是，不用可固化的涂料來涂敷高強度鋁合金固緊件和其他結構零件，因為觀察到，通?？山邮艿耐繉庸袒幚頃α慵姸仍斐刹涣加绊憽Ｎ赐糠蟮匿X合金零件因此比起另外的情況來易更腐蝕。
沒有涂層意味著諸如鉚釘、固緊件等零件必須使用一種濕式密封劑予以安裝以便防護腐蝕和易于安裝。濕式密封劑一般包含一些有毒組分并因此為了保護使用人員和為了環(huán)境保護而需要各種預防措施。操作起來這也是既骯臟而又艱難的，并需要使用苛性化學溶液大力清洗固緊件周圍的區(qū)域。
美國專利第5,614,037號之中說明的技術進展論及許多這種需要。不過，對于某些飛機零件來說，包括固緊件在內，涂層均勻性是最為重要的。雖然涂料可以以許多方式施加，但許多已知的施加技術，包括滑軌和圓筒裝置，傳送裝置或等離子蒸氣沉積在內，不會形成非規(guī)則形狀的諸如鉚釘和其他固緊件這樣的鋁合金飛機零件所需要的耐性和均勻性。比如，如果涂料太厚地沉積于鋁合金，涂層的彈性(亦即涂層的強度或整體性)就減弱了。如果涂料沉積得太薄，腐蝕防護和整個零件性能就可能受損。其次，其中一層涂料經過多次單獨施加而予以發(fā)送的涂料施加方法是不可接受的，因為在各次涂料施加之間造成的多個粘合層不能可靠地固化以生成必需的適當交聯而達到所需的最佳強度等級。
這樣的涂層耐性，原先使用已知的用于諸如鉚釘和其他固緊件的小型非規(guī)則形鋁合金零件的方法，是難以獲得的。
因此，需要一種改進的方法以便向諸如鉚釘、固緊件、小型和非規(guī)則形零件等的鋁合金飛機結構零件，以及裝接于前述這些零件的機械的、飛機結構施加防腐涂料。
本發(fā)明提供一種經過改進的方法，用于預涂敷和預處理諸如固緊件、鉚釘和、小型和非規(guī)則形零件等的鋁合金飛機結構零件以及裝接于前述這些零件的機械的、飛機結構?？蔁崽幚淼牧慵枰詿崽幚硪垣@得合格的機械性質，而且由一固化的有機涂層予以保護。冷作的和/或不可熱處理的零件具有一施加于零件并予以固化的涂層，而在最終的零件中仍然達到所需的變形狀態(tài)。施加涂層對于完成的零件的所需最終性質并無不良影響。
在本發(fā)明的一項優(yōu)選實施例中，一鋁合金固緊件是通過向一具有一流化床或霧氣的設備提供一鋁合金零件母體而予以制備的。此設備被啟動以便以一預定速度發(fā)送氣體而造成一股氣流。氣流沖擊零件而沿鉛直方向懸浮和舉起它們。處于一種蒸氣、霧化狀態(tài)之中的涂料被送向此設備，以致涂料沖擊懸浮的零件并在一預定的時段期間均勻地沉積在零件上達到某一受到控制的厚度。零件在氣化的涂料在設備中予以中斷之后仍然處在氣體流動氣流之內以使涂層干燥。氣體流動隨后予以關斷，而經過均勻涂敷的零件接著從設備中取出。
根據一項實施例的最佳涂敷設備是一種包括三個沿鉛直方向鄰接的分段的流化床設備，上部分段構成一膨脹區(qū)域。中間分段具有一向上伸展的第一壁板。下面分段包括一第二壁板，隨著向下伸展并終結在一底部氣體入口上而呈截圓錐狀地向內漸縮。中間和下部分段構成一流化床容器。第二壁板具有一劃分為一上部和一下部的壁板內部表面。上部由一轉盤的鉛直運動區(qū)域形成，在向上方向上呈截圓錐狀地加寬。轉盤基本上是扁平的并可在鉛直方向上移動。此設備具有一真空裝置，設置在上部分段以上并與之流體連通以通過一圍繞轉盤周邊的環(huán)形間隙把某一氣流抽進容器。此設備還具有一閥門，用于釋放有待處理的材料進入轉盤上方的流化床。許多設置在膨脹區(qū)域以下的噴嘴把涂料送至有待處理的材料。
零件最好是小型、非規(guī)則形飛機結構零件，包括固緊件、鉚釘、鉸鏈、配件等，任何可以提供給一流化床或霧氣設備并經由引入的氣體壓力和流量被舉升到一種被懸浮的狀態(tài)的小型、非規(guī)則形鄰件，都可以按照本發(fā)明予以處理。最好是，零件在涂敷過程期間保持完全懸浮在氣流之中。不過，可以理解，零件可能隨機地觸及容腔器壁或底板。因此，本發(fā)明還預期涂敷完全懸浮的和基本上懸浮的飛機結構零件。
小型零件能夠在流化床或霧氣設備中成批或分堆地予以涂敷，每批從大約25000到大約30000件或更多一些，運作時間從大約10到15分鐘或更長一些，取決于所需有待釋放到設備中去的氣化涂料的容積和密度，以及零件的質量和密度。
在另一優(yōu)選實施例中，一種涂料發(fā)送到鋁合金飛機零件的表面而零件不彼此接觸以達到從大約0.00015英寸到大約0.0003英寸的一種最終涂層厚度容許極限。
本發(fā)明的其他一些特點和優(yōu)點，從結合附圖所作的、各項優(yōu)選實施例的以下較為詳細的說明中將會顯而易見，這些實施例借助于范例表明了本發(fā)明的各項原理。


圖1是一種流化床設備的截面圖；圖2是本發(fā)明方法的一項實施例的工藝流程圖；圖3、4和5是表明本發(fā)明各最佳方法的其他各項實施例的工藝流程圖；以及圖6-9是一些預涂敷鉚釘的縱向截面視圖。
本發(fā)明的工藝方法把均勻的涂層涂在鋁合金上并在安裝和組裝期間不需使用濕式密封劑。就飛機鉚釘和固緊件而言，為一大型貨機中的700,000只鉚釘免除濕式密封劑安裝方法這一技術，可為每架飛機節(jié)省成本幾百萬美元。免除使用濕式密封劑還提高了固緊件安裝的工作質量，因為不可能象施用濕式密封劑時那樣漏掉某些固緊件。其次，經過涂敷的鉚釘和其他固緊件在服役期間比起未經涂敷的濕式安裝的固緊件更具有抗腐蝕能力。
所有這些實施例在結合諸如鉚釘、固緊件、鉸鏈、小型非規(guī)則形狀零件等高強度鋁合金零件使用時會產生驚人和出乎意料的技術和經濟效益。這些鋁合金零件表現出通過在施用涂料之后所采用的后續(xù)熱處理而產生的其所需的充分強度。重要的是達到某一規(guī)定的強度級別，因為這些零件的用戶，諸如飛機行業(yè)，將不允許犧牲機械性能以取得腐蝕防護方面的改進。過去，這種用戶一直是既要求合格的機械性能，也要求使用濕式密封劑以達到合格的腐蝕防護。相反，在本方法中，飛機零件既具有合格的機械性能，也具有用于抗腐蝕防護能力的預涂層，不需要濕式密封劑。
圖1表明采用一流化床或霧氣裝置的一種已知的涂層施用設備。這樣一種設備是轉讓給Werner Glatt的Binzer Germany的美國重新公布專利第Re32,307號的主題。其全部內容在此引用作為參考。本發(fā)明的工藝方法不局限于任何具體類型的流化床設備。不過，至關重要的是，此設備具有所需的、比如在氣流中舉升和懸浮被涂敷的零件的能力。一種典型的設備示于圖1，具有一流化床或霧氣容器1，在向上方向上呈圓錐形漸縮并接連一圓筒形擴展區(qū)2。一計量泵3通過容器與擴展器2之間的一噴嘴環(huán)圈4把?；簞┗蜢F氣供向此流化床容器1。在其底面上，流化床容器1由一多孔底部5限定，此底部可以由各氣動活塞6使之作振蕩運動。一水平多孔轉盤8在多孔底部上方離開比如從大約0.5至大約20mm并在中間配置一圓錐形中心芯體9。轉盤8適合于由一馬達10驅動。一渦輪11用以在流化床裝置中生成空氣流通。渦輪11從擴展區(qū)2推動或吸取的空氣流過一過濾器12，后者配置一傾斜機構13用于清洗目的。一側面槽道15沿側向設置得靠近流化床容器1、擴展區(qū)2和過濾器12。廢氣和新鮮空氣分別在空氣出口和入口18處由一舌簾式廢氣調節(jié)風門16和一滑板式新鮮空氣調節(jié)風門17予以調節(jié)。返回空氣通過側面槽道15之中的預過濾器19和空氣加熱器20，而后通過多孔底部5，被重新循環(huán)到流化床容器1之中。
裝在流化床或霧氣容器之中的有待涂敷的鋁合金零件由上升的氣體或空氣氣流向上傳送。它們隨后在重力作用下朝著轉盤8向內落下。由轉盤8產生的離心力把零件再次推送到從下向上流動的氣流之中。這樣，零件的均勻轉動和流通運動得以獲得。
在一項優(yōu)選實施例中，轉盤的轉動速度是可調節(jié)的，對于諸如固緊件和鉚釘這樣的、具有從大約0.2克到大約0.9克的個別質量的小型鋁合金零件，最好是3500-3600r.p.m。對于較大的零件，可以理解，轉盤速度將按照有待施用的所需涂層厚度和被施用的涂料類型而予以調節(jié)。同樣，送入容器以造成氣流的氣體或空氣氣流的壓力是可以調節(jié)的并只取決于有待懸浮在氣流之內的零件的(既是個別的，又是集體的)質量。
本發(fā)明設想一流化床或霧氣涂料施用方案以便用任何所需的涂料制劑來涂敷任何鋁合金飛機零件。最佳的涂料是一種有機的防腐涂料組成。涂料可能需要一個隨后在或是高溫或是室溫環(huán)境下進行的一段時效/固化時間以促進固化。一當固化，最好是，涂層不粘手以能觸摸。本發(fā)明所能達到的涂層厚度可以按照被涂敷零件的最佳最終特性而變化。最好是，涂料涂在零件上的厚度在從大約0.00015到大約0.0003英寸的范圍之內。
附加的一些涂層可以施用于第一防護涂層上。在另一最佳實施例中，涂敷過一次的鉚釘重新送入容腔用于施用各附加涂層。這些附加的涂層可以是“粘接劑”涂層；即最好是包含保持在懸浮狀態(tài)之中的粘接劑顆粒的涂層。同樣，隨后設置一段或是高溫或是室溫時效/固化時間以形成一不粘手的表面。
在本發(fā)明中，類似于在激光噴墨領域中的已知技術，設想利用微懸浮滴技術。在此方法中，施用于經過一次涂敷的零件的第二涂料在沖擊下突然噴發(fā)而在一從大約0.0003至大約0.0005英寸的薄薄的最終涂層之中產生一比較均勻的粘接劑界面。可以設想，這一微球或滴狀發(fā)送系統可以用來發(fā)送不同類型的觸發(fā)劑或催化劑到一飛機結構零件。這種觸發(fā)劑可以是Friedcl-Crafts離子催化劑，諸如但不限于金屬鹵化物、酸、胺、三氟化硼、乙醚三氟化硼等。所選擇的催化劑最好是匹配于時效/固化要求。
在本發(fā)明的各項實施例之一中，本發(fā)明的優(yōu)先選定的熱固化方式將由活性催化劑/觸發(fā)劑的可貴應用性和催化劑/觸發(fā)劑與包括第一涂層的單體或有機化合物的反應性予以制約。比如，過氧化苯酰是在諸如苯乙烯這樣的某些乙烯基單體的自由基聚合反應中的、一種適當的聚合反應觸發(fā)劑，如果被加熱到大致80℃的話。不過，過氧化苯酰也可結合較高壓力而用于較低溫度。此外，為第二涂層所選定的催化劑可以是一種活性催化劑；即可在室溫下分解的，諸如過氧化物液劑。不過，往往必需使這些反應單體或諸如粘接劑(低分子量聚合體)等其他物質摻混并施用于一就位的基底，而后它再經受對于另一粘接表面的某種反應，諸如聚合反應、固化、粘合等。因此最好是，在基底涂敷之前摻混所有組分以獲得一種相對勻質的狀態(tài)。這一點適用于帶有催化劑的單體，以及所施用的，用于后續(xù)的粘合的粘接薄膜。
用于本發(fā)明工藝方法之中的涂料最好是施用得以致直到需要時通過施加一必需的催化劑或諸如某一溫度或壓力變化這樣的反應條件，才發(fā)生化學反應。換句話說，將要從事反應的粘接薄膜活性材料受到“防護”而不致過早反應。因此，在本發(fā)明的一項具體實施例中，所有的“活性”涂料都裝在一種惰性介質中，但需要時可供使用在室溫之下。一種最佳方法是，把這種“活性”材料囊封在一種防護性膠質球形丸粒之中，這些丸粒在經受某一特定的溫度或壓力變化時，以一種可預計的方式破裂開來。
結合本發(fā)明是特別有用的、在此所說明的最佳技術可以用以往鋁合金零件上涂覆用于任一反應(諸如聚合反應)的任一催化劑或觸發(fā)劑、交聯聚合物(諸如粘接劑)、粘合于基底的粘接劑、固化合成橡膠，或者用于任一別的、其中應要求而需要一種催化劑、特別是一種室溫催化劑的反應之中。上述技術是多用的，足以用來涂覆固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)涂敷材料，包括金屬鹽，或其他諸如BF3這樣的化合物。此外，囊封起來的粘接劑可以潛在地予以使用以便于釋放，諸如通過施加壓力或變化濕度。
如果需要把囊封的涂料涂覆到鋁質基底上去，則可以理解，施用于零件基底的丸粒在組裝期間或之后以任何所需方式使之破裂。包括在裝配中簡單地將兩個零件壓在一起。一當這種丸粒層由于所施加的壓縮力而“爆裂”，就在各零件之間獲得一種所要的以粘接方式結合的界面。這樣一種粘合工藝方法曾被發(fā)現以大大地提高了兩個配合結構零件之間界面處的初始涂層的完整性而導致腐蝕防護能力的提高。
用最佳有機涂料來預涂敷鋁合金飛機結構零件，可以免除使用多種麻煩的和不利于環(huán)境的濕式密封劑。此外，按照本發(fā)明，用不粘手的防護涂料“預涂敷”零件可以產生經過改進的不沾手表面。這些表面能使飛機零件以一種比較靈活的自動組裝工藝方法予以裝卸搬運，從而大大地降低生產成本和循環(huán)時間。
雖然本發(fā)明的一項最佳實施例涉及制備固緊件，諸如鉚釘，但本發(fā)明設想采用一種流化床裝置來涂敷其他小型的、非規(guī)則形的零件，只受限于此裝置的尺寸和產生一種能夠舉升和流通零件的氣流的能力。因此，本發(fā)明的應用不限于固緊件和鉚釘，而相反是比較廣泛適用的。不過，用之于固緊件會提供一些特殊的優(yōu)點，這將詳細說明如后。
比如，圖2-5所示，提供一鉚釘20?？梢岳斫?，本發(fā)明設想涂敷鉚釘、固緊件或其他小型非規(guī)則形物件。圖6-8表明三種類型的鉚釘40，在安裝于第一和第二工件之后、但在鐓粗之前的其安裝的一中間狀態(tài)下，以接合一第一工件42于一第二工件44。圖6的鉚釘40在一端上具有一預制的突頭46。圖7的鉚釘40′，即一棒狀鉚釘，在兩端上均無預制的頭部。圖8的鉚釘40″在臥于工件42上的一沉頭孔之中的一端上具有預制的平頭46″。本發(fā)明可以普遍地用于這些或其他類型的鉚釘、固緊件或零件。
最佳的鉚釘是由一種鋁基合金制成的。一如在此所用，“鋁合金”或“鋁基”指的是，合金具有以重量計50％以上的鋁，但以重量計100％以下的鋁。一般，鋁基合金具有大約以重量計85-98％的鋁，剩余部分是一些合金元素和少量雜質。合金元素以受到精確控制的數量予以添加以便按需要改進鋁合金的性質。組合起來添加于鋁以改進其性質的合金元素包括比如鎂、銅和鋅等。
鋁合金物件最好是可熱處理的。物件首先制作成所需的形狀，諸如一固緊件或鉚釘。各合金元素選定得以致制成的形狀可予以處理以具有一種相對較軟的狀態(tài)，最好是通過將其加熱到高溫持續(xù)一段時間并隨后將其淬火到某一較低溫度；這是一種稱之為溶液處理/退火的處理方法。在溶液處理/退火處理方法中，溶質元素溶入合金基體(即溶液處理)和由快速淬火保持在溶液中，而基體本身同時受到退火(即退火)。
在物件經過溶液處理/退火之后，還可以予以處理以增大其強度幾倍而具有所需的高強度使用特性。這種進一步處理，一般通過一種淀析硬化時效過程，可以或是加熱到某一高溫持續(xù)一段時間-稱作人工時效，或是保持在室溫下經過較長一段時間-稱作自然時效，來予以實現。在通常的鋁業(yè)協會的技術術語中，不同的人工時效淀析處理，有一些與中間形變相結合，會產生T6、T7、T8或T9回火條件，以及一自然時效淀析處理會產生T4條件。(關于熱處理、合金類型以及類似方面鋁業(yè)協會技術術語為本技術領域廣泛接受，并將在此采用)。某些合金要求人工時效，而其他一些合金可以以任一方式作時效。由這兩種類型的材料制成的諸如鉚釘這樣的緊固件通常均有。
在兩種類型的時效中，由于在鋁合金基體中形成一般稱作淀析物的第二相顆粒而出現強化?？偤掀饋碚f，所有導致材料強化的處理步驟一般稱作“熱處理”，其中物件承受一段或幾段時間的高溫作用，而加熱或冷卻速度選定得有助于產生所需的最終特性。達到特定性質所需的溫度、時間和其他參數，在標準鋁基合金的參考文件中可以獲知并可供使用。
最為有利于鉚釘應用場合的一種具體的、人工時效過的鋁基合金是7050合金，其組成是以重量計大約2.3％的銅，以重量計大約2.2％的錳，以重量計大約6.2％的鋅，以重量計大約0.12％的鋯，余下的鋁加上少量雜質。其他適當的合金包括但不限于2000、4000、6000和7000系列的可熱處理的鋁合金。運些合金都在市場上可從幾家鋁公司得到，包括ALCOA、Reynolds和Kaiser公司。在制作成諸如示于圖6-8之中的那些所需形狀之后，7050合金可以完全予以溶液處理/退火以具有大約34,000到35,000psi的剪切強度極限。這種狀態(tài)通常是在經過包括機加工、鍛制或其他方式成形為所需形狀的固緊件制作加工之后而獲得的。這種狀況在此稱作“未處理狀態(tài)”，因為它進行在為優(yōu)化材料強度和其他性質所需的最終時效、熱處理循環(huán)的前面。物件可以在強化淀析熱處理過程之前承受多次成形作業(yè)并周期性地隨需要而予以重新退火。
成形(并任由選擇地重新退火)之后，7050合金可以在大約250°F的溫度下熱處理達4-6小時。此后，溫度從250°F直接增高到大約355°F，持續(xù)時間為8-12小時，后接以環(huán)境大氣冷卻。這一熱處理最終狀態(tài)，稱作T73條件，在7050合金中造成大約41000到46000psi的強度，適合于固緊件應用場合。
如圖2中所示，未經處理的固緊件可任由選擇地作化學酸洗、噴砂清理或以其他方式予以處理以清洗和糙化其表面，而此后，在編號30的步驟上，在鉻酸溶液中作陽極化處理。鉻酸溶液可在市場上得到或在水中溶解三氧化鉻而予以制備。鉻酸溶液最好是具有的濃度為水中大約4％的鉻酸鹽并處在從大約90°F到大約100°F的溫度之下。作陽極化處理的物件在施加的DC電壓從大約18到大約20伏的情況下在適度攪拌的鉻酸溶液中被作為陽極。陽極化最好是繼續(xù)30-40分鐘，但發(fā)現較短的時間也是可行的。陽極化作業(yè)會在鋁合金物件上產生一種從大約0.0001到大約0.0003英寸厚的致密，堅固而強粘性的氧化物表面層。此種表面層可取地提高了陸續(xù)施加的有機涂料的粘附力。也可以以化學方式密封鋁質物件的氧化物表面層來進行陽極化過程中的最后一個步驟。在此情況下，曾經發(fā)現，以這種化學方式密封此表面并不合乎要求，因為化學密封這一最后陽極化步驟趨向于妨礙陸續(xù)施加的涂料強固地粘合于鋁合金物件。
其他的陽極化介質也曾針對不同的陽極化時間作了測試。硫酸、磷酸、硼酸和化學酸洗也可以采用，但鉻酸優(yōu)先。
如圖2中所示，提供一種涂敷材料，最好是溶液(步驟22)，以致可以容易、均勻地予以施用。涂敷材料的通常功能是保護它施用所在的基底金屬不受腐蝕，包括比如，晶間腐蝕、電化點蝕、應力腐蝕裂紋、疲勞和裂隙腐蝕。最佳的涂敷材料是這樣一種構成，即基本是一種有機制劑，可以包含一些添加劑以提高最終涂料的性質。希望的是，最初把各種添加劑溶解在一載體液劑之中，以致可以被施用于某一基底。在施用之后，涂敷材料可以固化以實現有機組分之內的結構變化；一般是交聯各種有機分子以提高涂料的粘附力和結合力。
這樣一種可固化的涂料與某種不可固化的涂料(比如，一種油漆)是顯然不同的，后者具有不同的性質，并且不適合于本應用場合的腐蝕防護。與使用可固化涂敷材料相關聯的過度時效問題，由本發(fā)明予以解決而不會出現。
陽極化處理(步驟30)，最好是在鉻酸之中于施用涂料之前進行，用以促進有機涂料對于鋁合金物件基底的強固結合。這種結合顯然是既由一種物理的互聯效應，也如前所述，由不被密封而形成一種氧化物和一種鉻酸鹽活化的化學結合效應的經過陽極化的表面來予以促進的。為獲得這種物理的互聯效應，如前所述，此經過陽極化的表面在陽極化過程中并不以化學方式予以密封以防止水侵。陸續(xù)施用并固化的有機涂料可密封經過陽極化的表面。
一種典型的和最佳的可固化有機涂敷材料具有混有一或多種增塑劑的酚醛樹脂、其他諸如聚四氟乙烯這樣的有機組分，以及諸如鋁粉和/或諸如鉻酸鋅、鉻酸鋇、鉻酸錳、鉻酸鍶等的鉻酸鹽這樣的無機添加劑。這些涂料組分最好是溶解和彌散在一種以一定數量提供的溶劑之中以產生所需的施用稠度。對于剛才說明過的涂料，溶劑是一種乙醇、甲苯和甲基乙基酮(MEK)的混合物。一種典型的最佳的可噴涂的涂料溶液具有以重量計大約30％的乙醇、以重量計大約7％的甲苯和以重量計大約45％的甲基乙基酮作為溶劑，以及以重量計大約2％的鉻酸鍶，以重量計大約2％的鋁粉，而其余部分則是酚醛樹脂和增塑劑。少量聚四氟乙烯可以任由選擇地予以添加。這樣一種產品可作為“Hi-Kote 1”在市場上從加利福尼亞州，托倫斯市的海-歇爾公司(Hi-Shear-Corporation，Torrance，CA)得到。如廠商所推薦那樣，其標準的高溫固化處理是400°F±25°F下一小時。
此涂敷材料最好是施用于未經處理的固緊物件(步驟編號24)。此涂敷材料采用諸如圖1中所示裝置那樣的一種流化床或霧氣裝置予以施用。如上所示，采用一種流化床或霧氣裝置，比起采用通?？赡艿耐糠蠓椒?，諸如噴涂、浸涂或刷涂，可以提高涂層耐性并允許涂敷較大批量的零件。溶質通過或是在室溫或是在稍高溫度下從事干燥而從已施用的涂層中除去，以致涂敷過的物件干燥到可以觸摸。干燥作業(yè)是在流化床或霧氣室1之內通過在保持涂敷過的物件處在懸浮狀態(tài)中的同時終止涂敷材料流進室1而予以實現的。氣體流動氣流可驅動涂敷過的物件。此時，涂敷過的物件不適于使用，因為涂層未經充分固化和粘附于鋁合金基底金屬，并因為涂層不是充分凝聚的以抵抗使用中的機械損傷。有待涂敷的最佳飛機零件在形狀上可能是不規(guī)則的?！安灰?guī)則的”一詞指的是復雜的和不同于通常在一流化床中予以涂敷的具有比較簡單幾何形狀的物體(亦即丸粒和膠囊)的任何形狀。本發(fā)明設想涂敷任何尺寸的物體，但尤其適用于涂敷具有比較小的表面面積和不規(guī)則形狀的物體。
一旦從流化床或霧氣裝置中取出，鉚釘物體的基底金屬和施用的涂層一起加熱到一適當的高溫(步驟26)以同時達到兩種效果。在此單一步驟中，鋁合金由人工時效作淀析熱處理到其最終所需的強度狀態(tài)，而且此涂層被固化到其最終所需的結合狀態(tài)。最好是，步驟26的處理溫度和時間選定為為了獲得鋁合金基底金屬所需性質而需要的溫度和時間，正像在適于該具體鋁基金屬的、為行業(yè)接受并得以證實的工藝標準所提供的那樣。這種處理不是由涂料廠商規(guī)定的，并且不可能產生涂層的最佳固化狀態(tài)，但已經確定的是，金屬的熱處理比有機涂料的固化處理更少容忍偏離最佳處理的些微變動。亦即，本發(fā)明顯示，涂層的固化比基底金屬的熱處理更能夠以可接受的效果經受時間和溫度方面較大的變動。與期望和廠商的規(guī)定相反，由非薦用的過程所固化的涂層在使用期間表現出對于鋁合金基底令人滿意的粘著力和其他性質。因而，采用薦用的金屬熱處理會產生金屬的最佳物理性質以及非常良好的涂層性質。
在優(yōu)選的7050鋁基合金和上述Hi-Kotel涂料的情況下，最佳熱處理是7050合金在250°F下4-6小時的T73淀析處理時效工藝方法，后隨以250°F到355°F的升溫并保持在355°F下8-12小時，以及環(huán)境大氣冷卻到室溫。
因而，人工時效過程的淀析處理(步驟26)(圖2)涉及比廠商為有機涂料薦用的在加溫下的時間顯著較長而溫度有所不同。起初令人驚異地存在一種擔心，即超過為涂層標準固化所需的，這種較高溫度和較長時間或許會在使用期間使涂層及其性質變壞。這種擔心令人驚異地被證實是沒有根據的。最終的涂層48，示于圖6-8中，強固地粘附于基底金屬鋁合金，而且也具有強固的內部凝聚作用。在圖6-8中，涂層48的厚度被夸大了，以致可以看到。實際上，在步驟26(圖2)中處理之后，涂層48的厚度典型地從大約0.0003到大約0.0005英寸。
經過涂敷和處理的鉚釘40然后予以安裝(步驟28)。固定件是以適合于這一類型的方式予以安裝的。在鉚釘40的情況下，鉚釘安放得穿過以緊密接觸方式設置的兩個匹配工件42和44之中的對中孔眼，如圖6中所示。鉚釘40的突出遠端50予以鐓粗(塑性變形)，以致工件42和44以機械方式被鎖緊在鉚釘的預制端頭46與一新制成的端頭52之間。圖9表明針對圖8平頭鉚釘情況的已鐓粗的鉚釘40″。有關其他類型鉚釘的鉚釘鐓粗部分的總體形狀是類似的。涂層48甚至在鐓粗之后還被保持在鉚釘上，如圖9中所示。
此安裝步驟反映出本發(fā)明的一項優(yōu)點。假如涂層未施用于此固緊件，則必須在鉚釘被鐓粗時往孔眼里面和緊密接觸表面上面裝放粘性的濕式密封材料以涂敷相接觸的配合表面。濕式密封材料對工人是有潛在毒性的，骯臟并難以操作，而且需要在鉚釘安裝之后用苛性化學溶液對工具和工件42和44的外露表面作大量清洗工作。
再者，已經觀察到，殘余濕式密封劑的存在會妨礙后加的油漆面層粘附于鉚釘端頭。在本發(fā)明之前，濕式密封劑方法曾是獲得充足腐蝕防腐能力的唯一可行的技術，即使此前曾經作了多年努力想取而代之。本發(fā)明的涂敷方法克服了濕式密封劑的各種問題。此外，后加的油漆面層會很好地粘附于經過涂敷的鉚釘端頭，這也是一項重要的優(yōu)點。
由7050合金制成的鉚釘是特別可取的。這種鉚釘，最初處在未經處理的狀態(tài)之中，用Hi-Kote 1和另一種為非鉻酸鹽涂敷材料的Alumazite ZY-138。Alumazite ZY-138是一種可從加利福尼亞州亨廷頓灘市Tiodize公司(Tiodize Co.，Huntington Beach，CA.)得到的類似涂敷制劑。其組成包括2-丁酮溶劑、有機樹脂和鋁粉。經過涂敷的鉚釘以250°F下人工時效4至6小時作淀析熱處理而達到T73條件，隨之以從250°F到355°F的升溫和保持在355°F溫度下8至12小時，而后作環(huán)境大氣冷卻而達到室溫。
經過涂敷的鉚釘按照MIL-R-5674作機械測試以證實它們符合由未經涂敷的鉚釘所達到的每平方英寸41,000至46,000磅的所需極限雙剪切強度要求。在測試中，極限雙剪切強度是42,500至43,500磅每平方英寸，在許可范圍之內。每一類型經過涂敷的鉚釘的圓柱段被鐓粗到其初始直徑的1.6倍，以評估驅進能力。未注意到涂層有何裂紋或剝落，即使在鐓粗區(qū)域的周邊上，周邊本是經受最大變形的部位。鉚釘還經過安裝和接著卸掉以使用電子掃描顯微鏡來評估涂層堅固性。涂層沒有表現出任何裂紋、剝落或其他不可接受的狀況和反常。涂層即使在由于鐓粗作業(yè)所造成的嚴重變形之后也仍保持在鉚釘上。因而，涂層保留就位以防護鉚釘在安裝之后不受腐蝕，毫不需要使用濕式密封劑。
當鋁合金借助關于圖2所說明的方法處理到天然時效回火時，鋁合金由于所需固化有機涂層的加熱步驟26而將會是過度時效的。對于某些固定件應用場合，鋁合金的過度時效是可以接受的。在其他應用場合，過度時效會導致不可接受的特性而必須避免。圖3-5描述了用于獲取一種施用于處理到天然時效回火的合金的、可固化有機涂料的各種便利的一些過程。
在一種描述于圖3中的方法中，提供鋁合金鉚釘坯料選定用于熱處理到天然時效回火。提供的此鉚釘坯料，與如不采用可固化涂料的通常處理所提供的尺寸相比，稍微尺寸過大(亦即直徑較大)。用于通過自然時效熱處理到T4條件的最佳鋁合金是2117合金，具有的標準組成是以重量計0.4至0.8％的鎂，以重量計3.5至4.5％的銅，以重量計0.4至1.0％的錳，以重量計0.10％的鉻，以重量計0.2至0.8％的硅，以重量計0.7％的鐵，以重量計0.25％的鋅，以重量計0.15％的鈦，以重量計0.05％的其他各元素中的最多者，連同以重量計不大于0.15％的其他各元素的總和，其余部分是鋁。2117合金可以在市場從幾家鋁公司得到，包括Alcoa、Reynolds；和Kaiser公司。這種合金可以通過在室溫下自然時效至少大約96小時而達到T4條件來予以硬化，產生大約26000至30000psi的剪切強度。(這一自然時效熱處理步驟隨后在圖3和4的步驟37中進行)。這種方法也用于其他可以以自然時效熱處理從事時效的合金，諸如2017、2024和6061合金。
固緊件要使之變形到一不同于，一般大于所需的最終尺寸(步驟34)，即一種由發(fā)明者稱作“超出正常尺寸”的狀態(tài)。在圓柱對稱鉚釘的情況下，鉚釘坯料最好是拉制到超出正常尺寸的直徑，一般大約大于所需最終尺寸的10至15％。此超出正常尺寸的拉制鉚釘坯料按照為鋁合金推薦的工藝過程予以溶液處理/退火(步驟36)。在優(yōu)選的2117合金的情況下，溶液處理/時效在大約890°至大約950°F下進行一小時，隨之以淬火。鉚釘坯料在2117合金的情況下按照關于被處理合金的推薦值在室溫下自然時效最少大約96小時(步驟37)。拉制的和經過溶液處理/退火的并經過時效的坯料此后通過冷作，一般是拉制使之變形到其最終所需直徑(步驟38)，此步驟稱作重新拉制或冷作。(不過，與提出的目的等同，步驟34可以用于使鉚釘坯料變形到比所需最終尺寸較小的尺寸，而步驟38可以用于使鉚釘坯料變形到較大的最終尺寸，比如通過一種冷鐓作業(yè)。)這種冷作賦予鉚釘以輕微變形。經過冷作的鉚釘可以任由選擇地采用較早所述的方法予以陽極化，最好是在鉻酸溶液之中，并最好是留下不作密封(步驟30)。涂敷材料提供在溶液之中(步驟22)并施用于鉚釘坯料(步驟24)。此前關于圖2所述的步驟30、22和24在此予以引入。
經過涂敷的固緊件坯料予以固化(步驟26)。最佳的固化是由廠商薦用的那種，最為可取的是如前所述的在400°F下一小時。不過，取決于在步驟38中固緊件上所從事的冷作程度，可以采用一種改進的固化作業(yè)。此改進的固化過程是375°F下45分鐘，并已經顯示出可產生與對于涂敷材料的要求相符合的可接受的效果。此固化作業(yè)具有趨向于過度時效鋁合金的效應，此鋁合金一般只要求自然(室溫)時效以實現其全部強度。不過，最為意外的是，已經發(fā)現，步驟38的附加冷作作業(yè)，在步驟36的溶液處理/退火和步驟37的自然時效之后進行，抵消了步驟26的過度時效效應并在經過涂敷和時效的最終鉚釘中造成可接受的鋁合金特性，但不是過度時效的。
如圖4中所示，鋁合金鉚釘坯料是在過度尺寸條件下提供的(步驟32)。在這一用于熱處理和涂敷物件的另外模式之中-這些物件被處理到一種經過自然時效的回火，鉚釘坯料被拉制或成形為其最終尺寸(步驟34)(這與圖3的步驟34截然不同，在后者中，鉚釘坯料被變形到超出正常尺寸的直徑。)拉制過的鉚釘坯料經受溶液處理/退火(步驟36)以及自然時效(步驟37)。不需要圖3過程之中那樣的拉制到最終直徑的步驟38。余留的步驟22、30、24、26和28一如先前關于圖3所述，并在此予以引入。
圖4的方法也已經采用2117鋁合金成功地得以實施。與一通常的起始直徑0.185至0.186英寸相比，鉚釘坯料曾以一大約0.200至0.205英寸的過度尺寸直徑予以提供(步驟32)。此過度尺寸鉚釘坯料在步驟34中拉制到一0.185至0.186英寸的直徑并在步驟34中冷鐓到一0.187至0.188英寸的直徑。在圖4的各步驟，如前所述，用于2117鋁合金。T4回火所需的強度得以獲得，而鉚釘另外由粘性涂層予以保護。
在圖3和4的過程中，在包含于步驟34和38的、自步驟32的起始過度尺寸直徑的變形過程中的鉚釘坯料額外機械冷作，與包含固化步驟26的格外加熱相配合，可導致符合這一類型固緊件所需的標準和規(guī)格的最終強度和其他機械特性。額外的機械冷作趨向于把機械特性提高到可接受的限度以上，而在固化期間的格外加熱可把機械特性回降到可接受的范圍。這些效應的精確均衡甚至允許機械特性被設定在大多數標準所允許的范圍的偏高一側或偏低一側。各項工藝過程的改進可產生其他重要的效益，即固緊件涂以經過固化的涂層，防護固緊件不受腐蝕。
有些合金在使用前不作溶液處理/退火和淀析熱處理，而代之以在經過冷作的狀態(tài)之中應用以具有最低程度的變形引致強度。這些合金被稱作可加工硬化的或鍛造合金。這些合金所需的變形狀態(tài)可能明顯地不相容于加熱至高溫以固化涂層。不過，已經證實，諸如針對本發(fā)明另一最佳實施例示于圖5中的一種工藝過程允許這種合金用于由變形引致的強化狀態(tài)之中，并也允許涂以一種可固化的涂料。最佳的這樣一種合金是5056-H32，具有的標準組成是以重量計4.5至5.6％的鎂，以重量計0.10％的銅，以重量計0.05至0.20的錳，以重量計0.30％的硅，以重量計0.40％的鐵，以重量計0.05至0.20％的鉻，以重量計0.10％的鋅，以重量計0.05％的任何其他元素中的最多者，連同以重量計0.15％的其他各元素的總合，以及其余部分為鋁。5056合金，在通過以大約2至3％的縮減而達到H32狀態(tài)的冷作使之變形時，表現出26,000至28,000psi的極限剪切強度。不過，如果5056此后在400°F下加熱一小時，即可固化涂敷材料的標準固化處理，則極限剪切強度降低到大約24,000至26,000psi，這處在由強度規(guī)范允許的范圍的極低一側，而對于工業(yè)規(guī)模的作業(yè)來說，這被認為是太低了，這是由于對于某些被處理的物件來說，工藝過程中的變化可能導致低于強度規(guī)范的強度之故。
圖5表明一種過程，借此為鉚釘的最佳情況達到所需的機械特性而又具有一種經過固化的涂層的各項優(yōu)點。5056鋁合金材料在一初始的過度尺寸條件予以提供(步驟70)。比如，通常，一具有一最終直徑0.187至0.188英寸的鉚釘是由最初具有一直徑大約0.190至0.191英寸的坯料拉制而成的。在圖5方法的最佳實施例中，原始坯料最初是大約4％至大約5％的過度尺寸(比如，對于一鉚釘最終直徑是大約0.187至0.188的情況，-0.195英寸的直徑)。此過度尺寸坯料，最好是用冷作，被變形到所需的最終直徑(步驟72)。此鉚釘坯件，由于已經經過冷作和因此從一大于所需的尺寸予以變形而達到H32條件，具有的強度大于H32條件中所要求的強度。涂敷材料予以提供(步驟22)并施用于已經過變形的鉚釘坯件材料(步驟24)。任由選擇地，鉚釘坯件材料可在施用涂敷材料之前予以處理以糙化和清洗其表面，并最好是在鉻酸中予以陽極化處理(但最好是不用化學密封)，如前所述。
經過涂敷的鉚釘坯件材料予以加熱以實施在400°F下一小時的標準固化過程或在375°F下45分鐘的改進固化過程。固化過程具有兩種效應。第一，涂層予以固化，以致它凝聚和粘接于鋁合金鉚釘。第二，鋁合金材料部分退火以使之軟化。部分軟化或退火處理可把鉚釘中的冷作變形從在過度加工作業(yè)(步驟72)中所達到的狀態(tài)降低到通常由H32處理所達到的狀態(tài)。因此，鉚釘可以利用對于5056-H32鉚釘為已知的各過程予以安裝。不過，此鉚釘不同于通常的5056-H32鉚釘之處在于，它具固化在它上面的涂層。
圖5的方法已經利用前所說明的材料和尺寸予以實施。在步驟70中所提供的最初過度尺寸的鋁合金坯料具有25,000-26,000psi的極限剪切強度。在步驟72中拉制之后，坯料具有27,000-28,000psi的極限剪切強度。在步驟74中加熱之后，最終鉚釘具有26,000-27,000psi的極限剪切強度，這妥善地處在H32機械特性規(guī)范所要求的范圍之內。通過對比，如果鋁合金坯料最初不是過度尺寸的，而具有通常的起始直徑，經受其余各步驟72、22、24和74的最終鉚釘具有24,000-26,000psi的極限剪切強度，處在H32規(guī)范所要求的強度的非常低的一端，而這一點，一如早先所述，對于大批生產的作業(yè)是太低了。
雖然為了例證目的詳細地說明了本發(fā)明的一項具體實施例，但多種改進和提高可予以作出而不偏離本發(fā)明的精神和范疇。因而，本發(fā)明除了所附各項權利要求是不受其他限制的。
權利要求
1.一種用于制備一鋁合金飛機零件的方法，包括以下各步驟提供一鋁合金零件；配置一涂敷裝置，具有一腔室；把零件送入腔室；吹入氣流流經零件，力量足以使零件基本上懸浮在氣流流束之內；釋放一種涂敷材料進入腔室；以及當零件基本上懸浮在腔室之中時涂敷零件到一定的厚度。
2.按照權利要求1所述的方法，其中提供一鋁合金零件的步驟包括提供一飛機結構零件的步驟。
3.按照權利要求2所述的方法，其中飛機結構零件是不規(guī)則形狀的。
4.按照權利要求2所述的方法，其中提供一飛機結構零件的步驟包括提供一選自由鉸鏈、鉚釘、固緊件和配件構成的一組中的零件。
5.按照權利要求1所述的方法，其中鋁合金零件是由2000、4000、6000和7000系列的可熱處理合金制成的。
6.按照權利要求1所述的方法，其中鋁合金零件是由一種可加工硬化的合金制成的。
7.按照權利要求1所述的方法，其中鋁合金是由一種5000系列的可加工硬化的合金制成的。
8.按照權利要求1所述的方法，其中鋁合金包括以重量計從大約4.5至大約5.6％的鎂，以重量計大約0.10％的銅，以重量計0.05至大約0.2％的錳，以重量計大約0.30％的硅，以重量計大約0.40％的鐵，以重量計從大約0.05至0.2％的鉻，以及以重量計大約0.10％的鋅。
9.按照權利要求1所述的方法，其中涂敷零件坯件的步驟包括涂敷到從大約0.00015至大約0.00030英寸的厚度。
10.按照權利要求1所述的方法，其中提供一鋁合金零件坯件的步驟包括提供一處于其充分經過溶液處理和退火的狀態(tài)的鋁合金零件。
11.按照權利要求10所述的方法，其中零件具有一從大約41,000至46,000psi的剪切強度。
12.按照權利要求1所述的方法，其中提供一種涂料的步驟包括提供一包括一種酚醛樹脂的可固化的有機涂敷材料的步驟。
13.按照權利要求12所述的方法，其中酚醛樹脂選自苯酚、乙醛和酚醛清漆。
14.按照權利要求12所述的方法，其中提供一種涂料的步驟包括提供一種選自由苯酚/甲醛和烷基苯酚/甲醛構成的一族中的酚醛樹脂。
15.按照權利要求12所述的方法，其中酚醛樹脂涂料包括以重量計大約30％的乙醇、以重量計大約7％的甲苯，以重量計大約45％的甲基乙基酮，以重量計大約7％的鉻酸鍶和以重量計大約2％的鋁粉。
16.按照權利要求1所述的方法，還包括以下各步驟提供一第二涂敷材料，以及當零件至少部分地懸浮在腔室中的同時以第二涂敷材料涂敷零件。
17.按照權利要求16所述的方法，其中第二涂料包括一種粘接劑。
18.按照權利要求16所述的方法，其中第二涂料包括囊封物。
19.按照權利要求16所述的方法，其中提供一種第二涂料的步驟包括提供一種選自由聚丙烯粘接劑、氨基甲酸乙酯粘接劑、酚醛粘接劑和密胺粘接劑構成的一族中的粘接劑。
20.按照權利要求16所述的方法，其中提供一種第二涂敷材料的步驟包括提供一種催化劑的步驟。
21.按照權利要求16所述的方法，其中提供一種第二涂料的步驟包括提供一種選自由陽離子催化劑、陰離子催化劑和自由基催化劑構成的一族中的催化劑。
22.按照權利要求20所述的方法，其中所述催化劑是一種Friedel-Crafts催化劑，選自鹵化金屬、酸、胺、三氟化硼，三氟化硼醚，以及其各種混合物。
23.按照權利要求1所述的方法，其提供一種鋁合金零件的步驟包括提供一具有一緊密接觸表面的零件。
24.一種按照權利要求1所述的方法予以涂敷的鋁合金零件。
25.按照權利要求24所述的零件，其中所述零件是一飛機零件。
26.一種按照權利要求16所述的方法予以涂敷的鋁合金零件。
27.按照權利要求26所述的零件，其中所述零件是一飛機零件。
28.一種用于制備一鋁合金飛機零件的方法，包括以下各步驟提供一鋁合金零件坯件；提供一種涂敷裝置，包括三個在鉛直方向上連續(xù)的分段，一上部分段構成一擴展區(qū)，一中間分段具有一向上伸展的第一壁板，以及一下部分段包括一隨著其向下伸展而呈截圓錐狀向內漸縮的第二壁板，并終結在一底部氣體入口上，所述中間和下部分段構成一流化床容器，而所述第二壁板具有一劃分為一上部和一下部的內壁表面，所述上部形成在一轉盤鉛直運動的區(qū)域之內，所述上部在向上的方向上呈截圓錐狀地加寬；一基本上水平的轉盤，具有一基本上的平底并設置得用于鉛直運動，所述轉盤設置在所述容器的所述底部入口以上和所述下部分段的頂部以下并沿徑向靠近所述下部分段的所述內壁表面的所述上部；一調節(jié)器，用于調節(jié)轉盤的鉛直高度；一轉子，用于轉動轉盤；一真空裝置，位于上部分段以上并與之流體連通，用于把一股氣流通過底部入口和通過一圍繞轉盤周邊的環(huán)形間隙吸進容器，以致氣流順隨下部分段的向外加寬的壁板表面；一閥門，用于把有待處理的材料釋放到轉盤以上的流化床里面以形成由轉盤推動的流化床，而氣流是通過環(huán)形間隙吸入的；許多噴嘴，位于擴展區(qū)以下，用于把一種涂料送入流化床容器，從而氣體以一初始氣流速度被釋放，以及氣流的速度被調諧于此坯件的質量，或密度、顆粒大小和表面區(qū)域特征，辦法是，相對于容器內壁上部改變轉盤的高度以減小間隙和增大氣流速度，以及或者增大間隙和減小氣流速度；把零件送入裝置；向裝置內部通入一股氣流；把一種涂敷材料送入裝置內部；使裝置從事一種可操作的功能；以及涂敷所述坯件以達到一所需的涂層厚度和均勻性。
29.一種按照權利要求28所述的方法予以涂敷的鋁合金零件。
30.一種按照權利要求28所述的方法予以涂敷的鋁合金飛機零件。
31.按照權利要求28所述的方法，其中零件是不規(guī)則形狀的。
32.按照權利要求28所述的方法，零件選自由鉸鏈、鉚釘、固緊件和配件所構成的一組中。
全文摘要
一種經過改進的、預涂敷鋁合金飛機零件,制備方法是:把鋁合金零件坯件提供給一具有一流化床或霧氣裝置的涂敷裝置,使零件在沿鉛直方向離開裝置底部某一距離處懸浮在流化床裝置之中,以及把一種涂料送入裝置,以便當零件懸浮在流經裝置的氣流之中時涂敷這些零件。這種非接觸式、流化床或霧氣涂敷方法為在較短時間內批量規(guī)模加大而涂層厚度和均勻性方面的變異減小的涂敷作業(yè)創(chuàng)造了條件。
文檔編號B05D7/14GK1254621SQ9912449
公開日2000年5月31日 申請日期1999年11月24日 優(yōu)先權日1998年11月24日
發(fā)明者斯蒂文·G·基納, 諾曼·R·伯德 申請人:波音公司