惠阳航空螺旋桨有限责任公司 河北保定 071000
摘要：本文对传统阳极化和喷砂表面的电子束表面处理进行了对比分析，对三种工艺的拉伸试验结果进行了分析，对表面电子束处理的金属复合接头的拉伸强度进行了研究，钛合金表面经喷砂处理后，阳极氧化钠和激光毛化改善了表面粗糙度，激光毛化能有效提高相应接头的拉伸性能，结果表明，金属聚合物复合材料的结合强度高于金属聚合物复合材料，拉伸强度为322mpa，断裂拉伸强度为5.1%，剥离强度为4.70N/cm。
关键词：表面处理，电子束毛化，连接，复合材料
1、前言
金属材料强度高，高分子材料重量轻，而高分子材料与金属材料的结合，在保证产品效率的前提下，可以大大降低产品的质量。复合材料与金属的嵌入式连接技术是一种典型的连接技术。该技术基本上是将金属零件连续连接，对复合材料进行预试验，然后将复合材料固化成一个单元。同时也充分利用了复合材料的一般特性，利用电子束中的高能来控制金属液相的位移，避免了传统机械连接引起的应力集中和纤维断裂的问题。然后空穴随着电子束移动，熔化的金属形成熔池。经过多次碰撞，电子束在焊接结束时形成一个孔，然后在焊接开始时形成一个孔。对于肉眼来说，这些不寻常的突起就像一个有许多毛束的金属表面。
2、实验介绍
金属材料强度高，高分子材料重量轻，而高分子材料与金属材料的结合，在保证产品效率的前提下，可以大大降低产品的质量。它广泛应用于航空等领域，如直升机螺旋桨叶片是由金属和高分子材料制成的复合材料。[1]
但由于金属材料与高分子材料的不相容性，金属材料与高分子材料的粘度一般较低，提高金属与高分子材料的结合强度是保证表面良好结合的前提，提高金属表面粗糙度有助于提高金属与聚合物零件的结合强度。阳极氧化是一种比较常用的方法，例如用氢氧化钠对TB8表面进行阳极氧化，结果表明金属表面粗糙度得到改善，金属聚合物连接器的强度得到有效提高，金属表面氧化层厚度增加，易于分离，当氧化层厚度在1～5um之间时，剥离强度较高，激光拉深金属表面也是提高金属聚合物结合强度的有效方法。对氧化层进行了激光加工，并对金属聚合物接头的相应强度进行了研究，与水玻璃阳极金属聚合物胶粘剂相比，激光加工羊毛更有利于提高接头的强度。[3]
为了进一步提高金属与聚合物的结合强度，对钛合金表面进行喷砂处理，制备碳纤维钛合金（CFC）增强树脂的双组分韧带（BMI），需要研究不同表面处理工艺对接头强度的影响。[3]
3试验
3.1试验材料及设备
实验材料为先进的钛合金/碳纤维复合材料（Ti/CFRP）。以Ti-6Al-4V为粘结剂；采用碳纤维增强芳纶树脂作为粘结剂。
辅助材料包括铝板、油灰、砂纸、丙酮，同时选用一些基础的材料，如纱布、透气毡，最重要的是真空袋、胶带和玻璃布、胶带和绝缘布，因为实验要求较高，所以要选用质量较好，材料强度较高的材料制成的布；试验设备包括高压罐和万能材料试验机。[4]
3.2试验过程
3.2.1金属化合物的制备
金属化合物由三种不同的方法制备，每种方法由三个平行样品组成。
（1）2至3um厚度金属采用酸阳极氧化法制备。
（2）通过喷砂试验，完成了高速喷砂技术的应用。
（3）毛刺高度1.3mm，毛刺数58.7个/cm2。
3.2.2金属和复合材料嵌件的制造
实验采用高压罐。首先，将焊缝金属复合材料分为三部分，由预浸材料制成，然后在高压管中吸收固化。[5]
4、测试与分析
实验在室温下用Z100电子万能材料试验机进行。拉伸速度为1mm/min，可以绘出试样的位移和载荷曲线
（1）三种不同的表面处理工艺对金属及复合材料的阳极氧化有不同的影响，其中阳极氧化的影响最小，喷砂次之，电子束结构的影响最大。从最大位移分析，喷砂表面损伤最大，位移为5，损伤为9.0mm，分别是阳极氧化的3.1倍和1.76倍。因此，断裂载荷和最大位移明显优于其他两种改进工艺，具有良好的力学性能。
（2）喷砂耦合节点的载荷和位移曲线与阳极氧化剂的载荷和位移曲线相似，而comeld节点的载荷-位移曲线差异很大。Comeld连接器不仅具有高载荷，而且具有吸收相当一部分能量的能力，从失效模式分析，传统的连接器表面预处理技术是脆性破坏，与复合材料的金属接头突然损坏，失效后结合面无残留，失效前无迹象；裂纹和分层首先出现在试验复合材料的a部分，然后扩展到复合材料中。
最后当接头达到最大载荷时，会产生毛刺的塑性变形，所以载荷值不能很快变为零，在整个吸能过程中，可以听到明显的声音，可以看到结构的变化。失效后，连接器表面留下了几层复合材料。失效前后的毛刺状态和毛刺的方向差异非常明显。镶嵌在复合纤维的金属表面，与毛刺镶嵌产生相互富集。
（3）通过以上研究发现，虽然激光毛化工艺可以有效地提高金属聚合物接头的拉伸性能，但与之相比，阳极氧化物接头的力学性能得到了改善，氢氧化钠的阳极氧化并没有显著提高接头的拉伸质量，但显著提高剥离强度，先实现金属板的激光变形，然后用氢氧化钠对金属板表面进行阳极氧化，制备出具有高抗拉强度和撕裂强度的金属聚合物接头，频率为3Hz，变形密度为270mm/min，脉冲宽度1ms，电流为70A；氢氧化钠阳极氧化工艺：钛板为阳极，不锈钢为阴极，16.7%氢氧化钠溶液在电解液中，电压10V，处理时间为10分钟。接头的抗拉强度和断裂时的抗拉强度都较高，分别为322mpa和5.1%甚至更高；剥离强度为4.70n/cm，标准差为0.4。[6]
5、工艺处理
镀锌：
作用：主要是防腐蚀，用量占全部电镀零件的1/3至1/2，是所有电镀品种中产量最大的一个镀种。
优势：成本低，抗腐蚀性好，美观和耐储存等优点，在机电，轻工和国防等工业领域得到了广泛应用。
镀镍：
应用：防护装饰性：在钢铁、锌压铸件、铝合金及铜合金表面上，保护基体材料不受腐蚀或起光亮装饰作用。
功能性：防腐蚀——电镀镍层在空气中的稳定性很高，抵抗大气、碱和某些酸的腐蚀。
耐磨性——镍镀层的硬度比较高，用于易磨损产品的修护电镀，有银白色和黑色两种。
镀铬：
优点：铬在大气中能长久保持光泽，在碱液，硝酸，硫酸等许多有机酸中不发生反应。
在空气中极易钝化，表面生成一层极薄的钝化膜。
镀铬层有很高的硬度和优良的耐磨性及较低的摩擦系数
用途：防护装饰性镀层，防治基体金属生锈和美化外观，也常用于提高制品的耐磨性或者修复磨损，镀铬有银白色，黑色，雾色等。
镀装饰性铬：在抛光的镀层表面镀0.25-2um的镀铬层，使得制品表面更加光亮，且具有一定的耐磨性和耐热性，防锈能力不如镀锌，优于氧化。
镀硬铬：在钢铁基体上镀硬铬，镀铬层的厚度一般在5-50um，提升硬度和耐磨性，其硬度一般为800-900HV（维氏硬度）——（轴承、轴、量规、齿轮等）
喷漆与喷塑：
喷漆的概念：利用压缩空气将涂料喷成雾状涂在木器或者铁器上。
喷塑的概念：利用静电发生器使塑料粉末带电，吸附在铁板或者其它产品的表面，然后经过180-220°C烘烤，使得粉末熔化粘附在金属或者其它物件的表面，形成粉末状的涂层。（静电粉末喷涂涂装）
6、结论
以上研究表明，虽然激光毛化工艺能有效地改善金属与聚合物组合件的拉伸性能，但阳极氧化表面的力学性能得到改善，氢氧化钠阳极氧化并不能显著改善的质量过重的问题，不同表面处理对金属性能的影响总结如下：金属表面处理对金属/复合材料性能的影响从小到大依次为阳极氧化、喷砂和电子束挤压，金属表面处理的力学性能明显优于前两种。而且这种方法的缺陷形式不同于阳极化、喷砂预埋的连接器，不属于脆性故障，一旦达到最大载荷，也具有一定的承载能力。
参考文献：
[1]胡胜超；.金属表面处理工艺对橡胶与金属黏合性能的影响[J].云南化工，2019：165-166.
[2]王春艳，周希文，黄珺，洪海华.表面处理工艺对TB8钛合金与复合材料胶接性能的影响[J].航空材料学报，2015：57-63.
[3]戴俊.热处理工艺对硬质合金刀具复合材料组织与性能的影响[J].《热加工工艺》，2016：193-196.
[4]阳灿，曹正华，胡孝才.表面处理工艺对复合材料与金属连接性能的影响[J].航空制造技术，2009：143-145.
[5]张吉秀，胡津，孔令超.激光表面处理对金属基复合材料耐蚀性能的影响[J].材料保护，2005：48-51+7.
[6]黄良平，唐先贺，谭亮红.金属表面处理工艺对橡胶与金属粘合性能的影响[J].特种橡胶制品，2003：36-39.