改进的预涂敷铝合金零件制备方法及据以制备的零件的制作方法

专利名称：改进的预涂敷铝合金零件制备方法及据以制备的零件的制作方法
技术领域：
本发明涉及制备预涂敷、铝合金基的零件。具体地说，本发明涉及采用流化床涂敷工艺方法来涂敷铝合金飞机结构零件。
近来发现，某些铝合金飞机零件的腐蚀防护和安装与加工的简易性可以通过在安装之前用一种有机涂层处理予以改进。这种预处理可以减少加工时间和相应费用，而又避免了通常使用有毒溶剂所造成的困难和昂贵的处理问题。
这种进展乃是共同拥有的美国专利第5,614,037号的主题，其全部内容在此引入作为参考。如其中所述，一直的作法是，以有机涂层涂敷某些类型的固紧件以防护固紧件的基底金属不受腐蚀损害。在这种通常的方法中，首先制作出固紧件，而后热处理到其所需的强度。热处理之后，固紧件用一种苛性钠浴予以酸洗或另外予以清洗以除去在热处理中生成的垢皮。任由选择地，固紧件予以或最好是予以阳极化处理。涂敷材料，溶解在一种挥发性载体液剂之中，利用喷涂、浸渍或类似方法施加于固紧件。载体液剂随后予以气化。经过预涂敷的固紧件加热到某一高温而保持一段时间以热处理此合金，并同时固化此涂层。完成的固紧件随后用于制作飞机结构。
一如美国专利第5,614,037号所说明的那样，一直的作法是，不用可固化的涂料来涂敷高强度铝合金固紧件和其他结构零件，因为观察到，通常可接受的涂层固化处理会对零件强度造成不良影响。未涂敷的铝合金零件因此比起另外的情况来易更腐蚀。
没有涂层意味着诸如铆钉、固紧件等零件必须使用一种湿式密封剂予以安装以便防护腐蚀和易于安装。湿式密封剂一般包含一些有毒组分并因此为了保护使用人员和为了环境保护而需要各种预防措施。操作起来这也是既肮脏而又艰难的，并需要使用苛性化学溶液大力清洗固紧件周围的区域。
美国专利第5,614,037号之中说明的技术进展论及许多这种需要。不过，对于某些飞机零件来说，包括固紧件在内，涂层均匀性是最为重要的。虽然涂料可以以许多方式施加，但许多已知的施加技术，包括滑轨和圆筒装置，传送装置或等离子蒸气沉积在内，不会形成非规则形状的诸如铆钉和其他固紧件这样的铝合金飞机零件所需要的耐性和均匀性。比如，如果涂料太厚地沉积于铝合金，涂层的弹性(亦即涂层的强度或整体性)就减弱了。如果涂料沉积得太薄，腐蚀防护和整个零件性能就可能受损。其次，其中一层涂料经过多次单独施加而予以发送的涂料施加方法是不可接受的，因为在各次涂料施加之间造成的多个粘合层不能可靠地固化以生成必需的适当交联而达到所需的最佳强度等级。
这样的涂层耐性，原先使用已知的用于诸如铆钉和其他固紧件的小型非规则形铝合金零件的方法，是难以获得的。
因此，需要一种改进的方法以便向诸如铆钉、固紧件、小型和非规则形零件等的铝合金飞机结构零件，以及装接于前述这些零件的机械的、飞机结构施加防腐涂料。
本发明提供一种经过改进的方法，用于预涂敷和预处理诸如固紧件、铆钉和、小型和非规则形零件等的铝合金飞机结构零件以及装接于前述这些零件的机械的、飞机结构。可热处理的零件均予以热处理以获得合格的机械性质，而且由一固化的有机涂层予以保护。冷作的和/或不可热处理的零件具有一施加于零件并予以固化的涂层，而在最终的零件中仍然达到所需的变形状态。施加涂层对于完成的零件的所需最终性质并无不良影响。
在本发明的一项优选实施例中，一铝合金固紧件是通过向一具有一流化床或雾气的设备提供一铝合金零件母体而予以制备的。此设备被启动以便以一预定速度发送气体而造成一股气流。气流冲击零件而沿铅直方向悬浮和举起它们。处于一种蒸气、雾化状态之中的涂料被送向此设备，以致涂料冲击悬浮的零件并在一预定的时段期间均匀地沉积在零件上达到某一受到控制的厚度。零件在气化的涂料在设备中予以中断之后仍然处在气体流动气流之内以使涂层干燥。气体流动随后予以关断，而经过均匀涂敷的零件接着从设备中取出。
根据一项实施例的最佳涂敷设备是一种包括三个沿铅直方向邻接的分段的流化床设备，上部分段构成一膨胀区域。中间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，随着向下伸展并终结在一底部气体入口上而呈截圆锥状地向内渐缩。中间和下部分段构成一流化床容器。第二壁板具有一划分为一上部和一下部的壁板内部表面。上部由一转盘的铅直运动区域形成，在向上方向上呈截圆锥状地加宽。转盘基本上是扁平的并可在铅直方向上移动。此设备具有一真空装置，设置在上部分段以上并与之流体连通以通过一围绕转盘周边的环形间隙把某一气流抽进容器。此设备还具有一阀门，用于释放有待处理的材料进入转盘上方的流化床。许多设置在膨胀区域以下的喷嘴把涂料送至有待处理的材料。
零件最好是小型、非规则形飞机结构零件，包括固紧件、铆钉、铰链、配件等，任何可以提供给一流化床或雾气设备并经由引入的气体压力和流量被举升到一种被悬浮的状态的小型、非规则形邻件，都可以按照本发明予以处理。最好是，零件在涂敷过程期间保持完全悬浮在气流之中。不过，可以理解，零件可能随机地触及容腔器壁或底板。因此，本发明还预期涂敷完全悬浮的和基本上悬浮的飞机结构零件。
小型零件能够在流化床或雾气设备中成批或分堆地予以涂敷，每批从大约25000到大约30000件或更多一些，运作时间从大约10到15分钟或更长一些，取决于所需有待释放到设备中去的气化涂料的容积和密度，以及零件的质量和密度。
在另一优选实施例中，一种涂料发送到铝合金飞机零件的表面而零件不彼此接触以达到从大约0.00015英寸到大约0.0003英寸的一种最终涂层厚度容许极限。
本发明的其他一些特点和优点，从结合附图所作的、各项优选实施例的以下较为详细的说明中将会显而易见，这些实施例借助于范例表明了本发明的各项原理。


图1是一种流化床设备的截面图；图2是本发明方法的一项实施例的工艺流程图；图3、4和5是表明本发明各最佳方法的其他各项实施例的工艺流程图；以及图6-9是一些预涂敷铆钉的纵向截面视图。
本发明的工艺方法把均匀的涂层涂在铝合金上并在安装和组装期间不需使用湿式密封剂。就飞机铆钉和固紧件而言，为一大型货机中的700,000只铆钉免除湿式密封剂安装方法这一技术，可为每架飞机节省成本几百万美元。免除使用湿式密封剂还提高了固紧件安装的工作质量，因为不可能象施用湿式密封剂时那样漏掉某些固紧件。其次，经过涂敷的铆钉和其他固紧件在服役期间比起未经涂敷的湿式安装的固紧件更具有抗腐蚀能力。
所有这些实施例在结合诸如铆钉、固紧件、铰链、小型非规则形状零件等高强度铝合金零件使用时会产生惊人和出乎意料的技术和经济效益。这些铝合金零件表现出通过在施用涂料之后所采用的后续热处理而产生的其所需的充分强度。重要的是达到某一规定的强度级别，因为这些零件的用户，诸如飞机行业，将不允许牺牲机械性能以取得腐蚀防护方面的改进。过去，这种用户一直是既要求合格的机械性能，也要求使用湿式密封剂以达到合格的腐蚀防护。相反，在本方法中，飞机零件既具有合格的机械性能，也具有用于抗腐蚀防护能力的预涂层，不需要湿式密封剂。
图1表明采用一流化床或雾气装置的一种已知的涂层施用设备。这样一种设备是转让给Werner Glatt的Binzer Germany的美国重新公布专利第Re32,307号的主题。其全部内容在此引用作为参考。本发明的工艺方法不局限于任何具体类型的流化床设备。不过，至关重要的是，此设备具有所需的、比如在气流中举升和悬浮被涂敷的零件的能力。一种典型的设备示于图1，具有一流化床或雾气容器1，在向上方向上呈圆锥形渐缩并接连一圆筒形扩展区2。一计量泵3通过容器与扩展器2之间的一喷嘴环圈4把粒化液剂或雾气供向此流化床容器1。在其底面上，流化床容器1由一多孔底部5限定，此底部可以由各气动活塞6使之作振荡运动。一水平多孔转盘8在多孔底部上方离开比如从大约0.5至大约20mm并在中间配置一圆锥形中心芯体9。转盘8适合于由一马达10驱动。一涡轮11用以在流化床装置中生成空气流通。涡轮11从扩展区2推动或吸取的空气流过一过滤器12，后者配置一倾斜机构13用于清洗目的。一侧面槽道15沿侧向设置得靠近流化床容器1、扩展区2和过滤器12。废气和新鲜空气分别在空气出口和入口18处由一舌帘式废气调节风门16和一滑板式新鲜空气调节风门17予以调节。返回空气通过侧面槽道15之中的预过滤器19和空气加热器20，而后通过多孔底部5，被重新循环到流化床容器1之中。
装在流化床或雾气容器之中的有待涂敷的铝合金零件由上升的气体或空气气流向上传送。它们随后在重力作用下朝着转盘8向内落下。由转盘8产生的离心力把零件再次推送到从下向上流动的气流之中。这样，零件的均匀转动和流通运动得以获得。
在一项优选实施例中，转盘的转动速度是可调节的，对于诸如固紧件和铆钉这样的、具有从大约0.2克到大约0.9克的个别质量的小型铝合金零件，最好是3500-3600r.p.m。对于较大的零件，可以理解，转盘速度将按照有待施用的所需涂层厚度和被施用的涂料类型而予以调节。同样，送入容器以造成气流的气体或空气气流的压力是可以调节的并只取决于有待悬浮在气流之内的零件的(既是个别的，又是集体的)质量。
本发明设想一流化床或雾气涂料施用方案以便用任何所需的涂料制剂来涂敷任何铝合金飞机零件。最佳的涂料是一种有机的防腐涂料组成。涂料可能需要一个随后在或是高温或是室温环境下进行的一段时效/固化时间以促进固化。一当固化，最好是，涂层不粘手以能触摸。本发明所能达到的涂层厚度可以按照被涂敷零件的最佳最终特性而变化。最好是，涂料涂在零件上的厚度在从大约0.00015到大约0.0003英寸的范围之内。
附加的一些涂层可以施用于第一防护涂层上。在另一最佳实施例中，涂敷过一次的铆钉重新送入容腔用于施用各附加涂层。这些附加的涂层可以是“粘接剂”涂层；即最好是包含保持在悬浮状态之中的粘接剂颗粒的涂层。同样，随后设置一段或是高温或是室温时效/固化时间以形成一不粘手的表面。
在本发明中，类似于在激光喷墨领域中的已知技术，设想利用微悬浮滴技术。在此方法中，施用于经过一次涂敷的零件的第二涂料在冲击下突然喷发而在一从大约0.0003至大约0.0005英寸的薄薄的最终涂层之中产生一比较均匀的粘接剂界面。可以设想，这一微球或滴状发送系统可以用来发送不同类型的触发剂或催化剂到一飞机结构零件。这种触发剂可以是Friedcl-Crafts离子催化剂，诸如但不限于金属卤化物、酸、胺、三氟化硼、乙醚三氟化硼等。所选择的催化剂最好是匹配于时效/固化要求。
在本发明的各项实施例之一中，本发明的优先选定的热固化方式将由活性催化剂/触发剂的可贵应用性和催化剂/触发剂与包括第一涂层的单体或有机化合物的反应性予以制约。比如，过氧化苯酰是在诸如苯乙烯这样的某些乙烯基单体的自由基聚合反应中的、一种适当的聚合反应触发剂，如果被加热到大致80℃的话。不过，过氧化苯酰也可结合较高压力而用于较低温度。此外，为第二涂层所选定的催化剂可以是一种活性催化剂；即可在室温下分解的，诸如过氧化物液剂。不过，往往必需使这些反应单体或诸如粘接剂(低分子量聚合体)等其他物质掺混并施用于一就位的基底，而后它再经受对于另一粘接表面的某种反应，诸如聚合反应、固化、粘合等。因此最好是，在基底涂敷之前掺混所有组分以获得一种相对匀质的状态。这一点适用于带有催化剂的单体，以及所施用的，用于后续的粘合的粘接薄膜。
用于本发明工艺方法之中的涂料最好是施用得以致直到需要时通过施加一必需的催化剂或诸如某一温度或压力变化这样的反应条件，才发生化学反应。换句话说，将要从事反应的粘接薄膜活性材料受到“防护”而不致过早反应。因此，在本发明的一项具体实施例中，所有的“活性”涂料都装在一种惰性介质中，但需要时可供使用在室温之下。一种最佳方法是，把这种“活性”材料囊封在一种防护性胶质球形丸粒之中，这些丸粒在经受某一特定的温度或压力变化时，以一种可预计的方式破裂开来。
结合本发明是特别有用的、在此所说明的最佳技术可以用以往铝合金零件上涂覆用于任一反应(诸如聚合反应)的任一催化剂或触发剂、交联聚合物(诸如粘接剂)、粘合于基底的粘接剂、固化合成橡胶，或者用于任一别的、其中应要求而需要一种催化剂、特别是一种室温催化剂的反应之中。上述技术是多用的，足以用来涂覆固态、液态或气态涂敷材料，包括金属盐，或其他诸如BF3这样的化合物。此外，囊封起来的粘接剂可以潜在地予以使用以便于释放，诸如通过施加压力或变化湿度。
如果需要把囊封的涂料涂覆到铝质基底上去，则可以理解，施用于零件基底的丸粒在组装期间或之后以任何所需方式使之破裂。包括在装配中简单地将两个零件压在一起。一当这种丸粒层由于所施加的压缩力而“爆裂”，就在各零件之间获得一种所要的以粘接方式结合的界面。这样一种粘合工艺方法曾被发现以大大地提高了两个配合结构零件之间界面处的初始涂层的完整性而导致腐蚀防护能力的提高。
用最佳有机涂料来预涂敷铝合金飞机结构零件，可以免除使用多种麻烦的和不利于环境的湿式密封剂。此外，按照本发明，用不粘手的防护涂料“预涂敷”零件可以产生经过改进的不沾手表面。这些表面能使飞机零件以一种比较灵活的自动组装工艺方法予以装卸搬运，从而大大地降低生产成本和循环时间。
虽然本发明的一项最佳实施例涉及制备固紧件，诸如铆钉，但本发明设想采用一种流化床装置来涂敷其他小型的、非规则形的零件，只受限于此装置的尺寸和产生一种能够举升和流通零件的气流的能力。因此，本发明的应用不限于固紧件和铆钉，而相反是比较广泛适用的。不过，用之于固紧件会提供一些特殊的优点，这将详细说明如后。
比如，图2-5所示，提供一铆钉20。可以理解，本发明设想涂敷铆钉、固紧件或其他小型非规则形物件。图6-8表明三种类型的铆钉40，在安装于第一和第二工件之后、但在镦粗之前的其安装的一中间状态下，以接合一第一工件42于一第二工件44。图6的铆钉40在一端上具有一预制的突头46。图7的铆钉40′，即一棒状铆钉，在两端上均无预制的头部。图8的铆钉40″在卧于工件42上的一沉头孔之中的一端上具有预制的平头46″。本发明可以普遍地用于这些或其他类型的铆钉、固紧件或零件。
最佳的铆钉是由一种铝基合金制成的。一如在此所用，“铝合金”或“铝基”指的是，合金具有以重量计50％以上的铝，但以重量计100％以下的铝。一般，铝基合金具有大约以重量计85-98％的铝，剩余部分是一些合金元素和少量杂质。合金元素以受到精确控制的数量予以添加以便按需要改进铝合金的性质。组合起来添加于铝以改进其性质的合金元素包括比如镁、铜和锌等。
铝合金物件最好是可热处理的。物件首先制作成所需的形状，诸如一固紧件或铆钉。各合金元素选定得以致制成的形状可予以处理以具有一种相对较软的状态，最好是通过将其加热到高温持续一段时间并随后将其淬火到某一较低温度；这是一种称之为溶液处理/退火的处理方法。在溶液处理/退火处理方法中，溶质元素溶入合金基体(即溶液处理)和由快速淬火保持在溶液中，而基体本身同时受到退火(即退火)。
在物件经过溶液处理/退火之后，还可以予以处理以增大其强度几倍而具有所需的高强度使用特性。这种进一步处理，一般通过一种淀析硬化时效过程，可以或是加热到某一高温持续一段时间-称作人工时效，或是保持在室温下经过较长一段时间-称作自然时效，来予以实现。在通常的铝业协会的技术术语中，不同的人工时效淀析处理，有一些与中间形变相结合，会产生T6、T7、T8或T9回火条件，以及一自然时效淀析处理会产生T4条件。(关于热处理、合金类型以及类似方面铝业协会技术术语为本技术领域广泛接受，并将在此采用)。某些合金要求人工时效，而其他一些合金可以以任一方式作时效。由这两种类型的材料制成的诸如铆钉这样的紧固件通常均有。
在两种类型的时效中，由于在铝合金基体中形成一般称作淀析物的第二相颗粒而出现强化。总合起来说，所有导致材料强化的处理步骤一般称作“热处理”，其中物件承受一段或几段时间的高温作用，而加热或冷却速度选定得有助于产生所需的最终特性。达到特定性质所需的温度、时间和其他参数，在标准铝基合金的参考文件中可以获知并可供使用。
最为有利于铆钉应用场合的一种具体的、人工时效过的铝基合金是7050合金，其组成是以重量计大约2.3％的铜，以重量计大约2.2％的锰，以重量计大约6.2％的锌，以重量计大约0.12％的锆，余下的铝加上少量杂质。其他适当的合金包括但不限于2000、4000、6000和7000系列的可热处理的铝合金。运些合金都在市场上可从几家铝公司得到，包括ALCOA、Reynolds和Kaiser公司。在制作成诸如示于图6-8之中的那些所需形状之后，7050合金可以完全予以溶液处理/退火以具有大约34,000到35,000psi的剪切强度极限。这种状态通常是在经过包括机加工、锻制或其他方式成形为所需形状的固紧件制作加工之后而获得的。这种状况在此称作“未处理状态”，因为它进行在为优化材料强度和其他性质所需的最终时效、热处理循环的前面。物件可以在强化淀析热处理过程之前承受多次成形作业并周期性地随需要而予以重新退火。
成形(并任由选择地重新退火)之后，7050合金可以在大约250°F的温度下热处理达4-6小时。此后，温度从250°F直接增高到大约355°F，持续时间为8-12小时，后接以环境大气冷却。这一热处理最终状态，称作T73条件，在7050合金中造成大约41000到46000psi的强度，适合于固紧件应用场合。
如图2中所示，未经处理的固紧件可任由选择地作化学酸洗、喷砂清理或以其他方式予以处理以清洗和糙化其表面，而此后，在编号30的步骤上，在铬酸溶液中作阳极化处理。铬酸溶液可在市场上得到或在水中溶解三氧化铬而予以制备。铬酸溶液最好是具有的浓度为水中大约4％的铬酸盐并处在从大约90°F到大约100°F的温度之下。作阳极化处理的物件在施加的DC电压从大约18到大约20伏的情况下在适度搅拌的铬酸溶液中被作为阳极。阳极化最好是继续30-40分钟，但发现较短的时间也是可行的。阳极化作业会在铝合金物件上产生一种从大约0.0001到大约0.0003英寸厚的致密，坚固而强粘性的氧化物表面层。此种表面层可取地提高了陆续施加的有机涂料的粘附力。也可以以化学方式密封铝质物件的氧化物表面层来进行阳极化过程中的最后一个步骤。在此情况下，曾经发现，以这种化学方式密封此表面并不合乎要求，因为化学密封这一最后阳极化步骤趋向于妨碍陆续施加的涂料强固地粘合于铝合金物件。
其他的阳极化介质也曾针对不同的阳极化时间作了测试。硫酸、磷酸、硼酸和化学酸洗也可以采用，但铬酸优先。
如图2中所示，提供一种涂敷材料，最好是溶液(步骤22)，以致可以容易、均匀地予以施用。涂敷材料的通常功能是保护它施用所在的基底金属不受腐蚀，包括比如，晶间腐蚀、电化点蚀、应力腐蚀裂纹、疲劳和裂隙腐蚀。最佳的涂敷材料是这样一种构成，即基本是一种有机制剂，可以包含一些添加剂以提高最终涂料的性质。希望的是，最初把各种添加剂溶解在一载体液剂之中，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实现有机组分之内的结构变化；一般是交联各种有机分子以提高涂料的粘附力和结合力。
这样一种可固化的涂料与某种不可固化的涂料(比如，一种油漆)是显然不同的，后者具有不同的性质，并且不适合于本应用场合的腐蚀防护。与使用可固化涂敷材料相关联的过度时效问题，由本发明予以解决而不会出现。
阳极化处理(步骤30)，最好是在铬酸之中于施用涂料之前进行，用以促进有机涂料对于铝合金物件基底的强固结合。这种结合显然是既由一种物理的互联效应，也如前所述，由不被密封而形成一种氧化物和一种铬酸盐活化的化学结合效应的经过阳极化的表面来予以促进的。为获得这种物理的互联效应，如前所述，此经过阳极化的表面在阳极化过程中并不以化学方式予以密封以防止水侵。陆续施用并固化的有机涂料可密封经过阳极化的表面。
一种典型的和最佳的可固化有机涂敷材料具有混有一或多种增塑剂的酚醛树脂、其他诸如聚四氟乙烯这样的有机组分，以及诸如铝粉和/或诸如铬酸锌、铬酸钡、铬酸锰、铬酸锶等的铬酸盐这样的无机添加剂。这些涂料组分最好是溶解和弥散在一种以一定数量提供的溶剂之中以产生所需的施用稠度。对于刚才说明过的涂料，溶剂是一种乙醇、甲苯和甲基乙基酮(MEK)的混合物。一种典型的最佳的可喷涂的涂料溶液具有以重量计大约30％的乙醇、以重量计大约7％的甲苯和以重量计大约45％的甲基乙基酮作为溶剂，以及以重量计大约2％的铬酸锶，以重量计大约2％的铝粉，而其余部分则是酚醛树脂和增塑剂。少量聚四氟乙烯可以任由选择地予以添加。这样一种产品可作为“Hi-Kote 1”在市场上从加利福尼亚州，托伦斯市的海-歇尔公司(Hi-Shear-Corporation，Torrance，CA)得到。如厂商所推荐那样，其标准的高温固化处理是400°F±25°F下一小时。
此涂敷材料最好是施用于未经处理的固紧物件(步骤编号24)。此涂敷材料采用诸如图1中所示装置那样的一种流化床或雾气装置予以施用。如上所示，采用一种流化床或雾气装置，比起采用通常可能的涂敷方法，诸如喷涂、浸涂或刷涂，可以提高涂层耐性并允许涂敷较大批量的零件。溶质通过或是在室温或是在稍高温度下从事干燥而从已施用的涂层中除去，以致涂敷过的物件干燥到可以触摸。干燥作业是在流化床或雾气室1之内通过在保持涂敷过的物件处在悬浮状态中的同时终止涂敷材料流进室1而予以实现的。气体流动气流可驱动涂敷过的物件。此时，涂敷过的物件不适于使用，因为涂层未经充分固化和粘附于铝合金基底金属，并因为涂层不是充分凝聚的以抵抗使用中的机械损伤。有待涂敷的最佳飞机零件在形状上可能是不规则的。“不规则的”一词指的是复杂的和不同于通常在一流化床中予以涂敷的具有比较简单几何形状的物体(亦即丸粒和胶囊)的任何形状。本发明设想涂敷任何尺寸的物体，但尤其适用于涂敷具有比较小的表面面积和不规则形状的物体。
一旦从流化床或雾气装置中取出，铆钉物体的基底金属和施用的涂层一起加热到一适当的高温(步骤26)以同时达到两种效果。在此单一步骤中，铝合金由人工时效作淀析热处理到其最终所需的强度状态，而且此涂层被固化到其最终所需的结合状态。最好是，步骤26的处理温度和时间选定为为了获得铝合金基底金属所需性质而需要的温度和时间，正像在适于该具体铝基金属的、为行业接受并得以证实的工艺标准所提供的那样。这种处理不是由涂料厂商规定的，并且不可能产生涂层的最佳固化状态，但已经确定的是，金属的热处理比有机涂料的固化处理更少容忍偏离最佳处理的些微变动。亦即，本发明显示，涂层的固化比基底金属的热处理更能够以可接受的效果经受时间和温度方面较大的变动。与期望和厂商的规定相反，由非荐用的过程所固化的涂层在使用期间表现出对于铝合金基底令人满意的粘着力和其他性质。因而，采用荐用的金属热处理会产生金属的最佳物理性质以及非常良好的涂层性质。
在优选的7050铝基合金和上述Hi-Kotel涂料的情况下，最佳热处理是7050合金在250°F下4-6小时的T73淀析处理时效工艺方法，后随以250°F到355°F的升温并保持在355°F下8-12小时，以及环境大气冷却到室温。
因而，人工时效过程的淀析处理(步骤26)(图2)涉及比厂商为有机涂料荐用的在加温下的时间显著较长而温度有所不同。起初令人惊异地存在一种担心，即超过为涂层标准固化所需的，这种较高温度和较长时间或许会在使用期间使涂层及其性质变坏。这种担心令人惊异地被证实是没有根据的。最终的涂层48，示于图6-8中，强固地粘附于基底金属铝合金，而且也具有强固的内部凝聚作用。在图6-8中，涂层48的厚度被夸大了，以致可以看到。实际上，在步骤26(图2)中处理之后，涂层48的厚度典型地从大约0.0003到大约0.0005英寸。
经过涂敷和处理的铆钉40然后予以安装(步骤28)。固定件是以适合于这一类型的方式予以安装的。在铆钉40的情况下，铆钉安放得穿过以紧密接触方式设置的两个匹配工件42和44之中的对中孔眼，如图6中所示。铆钉40的突出远端50予以镦粗(塑性变形)，以致工件42和44以机械方式被锁紧在铆钉的预制端头46与一新制成的端头52之间。图9表明针对图8平头铆钉情况的已镦粗的铆钉40″。有关其他类型铆钉的铆钉镦粗部分的总体形状是类似的。涂层48甚至在镦粗之后还被保持在铆钉上，如图9中所示。
此安装步骤反映出本发明的一项优点。假如涂层未施用于此固紧件，则必须在铆钉被镦粗时往孔眼里面和紧密接触表面上面装放粘性的湿式密封材料以涂敷相接触的配合表面。湿式密封材料对工人是有潜在毒性的，肮脏并难以操作，而且需要在铆钉安装之后用苛性化学溶液对工具和工件42和44的外露表面作大量清洗工作。
再者，已经观察到，残余湿式密封剂的存在会妨碍后加的油漆面层粘附于铆钉端头。在本发明之前，湿式密封剂方法曾是获得充足腐蚀防腐能力的唯一可行的技术，即使此前曾经作了多年努力想取而代之。本发明的涂敷方法克服了湿式密封剂的各种问题。此外，后加的油漆面层会很好地粘附于经过涂敷的铆钉端头，这也是一项重要的优点。
由7050合金制成的铆钉是特别可取的。这种铆钉，最初处在未经处理的状态之中，用Hi-Kote 1和另一种为非铬酸盐涂敷材料的Alumazite ZY-138。Alumazite ZY-138是一种可从加利福尼亚州亨廷顿滩市Tiodize公司(Tiodize Co.，Huntington Beach，CA.)得到的类似涂敷制剂。其组成包括2-丁酮溶剂、有机树脂和铝粉。经过涂敷的铆钉以250°F下人工时效4至6小时作淀析热处理而达到T73条件，随之以从250°F到355°F的升温和保持在355°F温度下8至12小时，而后作环境大气冷却而达到室温。
经过涂敷的铆钉按照MIL-R-5674作机械测试以证实它们符合由未经涂敷的铆钉所达到的每平方英寸41,000至46,000磅的所需极限双剪切强度要求。在测试中，极限双剪切强度是42,500至43,500磅每平方英寸，在许可范围之内。每一类型经过涂敷的铆钉的圆柱段被镦粗到其初始直径的1.6倍，以评估驱进能力。未注意到涂层有何裂纹或剥落，即使在镦粗区域的周边上，周边本是经受最大变形的部位。铆钉还经过安装和接着卸掉以使用电子扫描显微镜来评估涂层坚固性。涂层没有表现出任何裂纹、剥落或其他不可接受的状况和反常。涂层即使在由于镦粗作业所造成的严重变形之后也仍保持在铆钉上。因而，涂层保留就位以防护铆钉在安装之后不受腐蚀，毫不需要使用湿式密封剂。
当铝合金借助关于图2所说明的方法处理到天然时效回火时，铝合金由于所需固化有机涂层的加热步骤26而将会是过度时效的。对于某些固定件应用场合，铝合金的过度时效是可以接受的。在其他应用场合，过度时效会导致不可接受的特性而必须避免。图3-5描述了用于获取一种施用于处理到天然时效回火的合金的、可固化有机涂料的各种便利的一些过程。
在一种描述于图3中的方法中，提供铝合金铆钉坯料选定用于热处理到天然时效回火。提供的此铆钉坯料，与如不采用可固化涂料的通常处理所提供的尺寸相比，稍微尺寸过大(亦即直径较大)。用于通过自然时效热处理到T4条件的最佳铝合金是2117合金，具有的标准组成是以重量计0.4至0.8％的镁，以重量计3.5至4.5％的铜，以重量计0.4至1.0％的锰，以重量计0.10％的铬，以重量计0.2至0.8％的硅，以重量计0.7％的铁，以重量计0.25％的锌，以重量计0.15％的钛，以重量计0.05％的其他各元素中的最多者，连同以重量计不大于0.15％的其他各元素的总和，其余部分是铝。2117合金可以在市场从几家铝公司得到，包括Alcoa、Reynolds；和Kaiser公司。这种合金可以通过在室温下自然时效至少大约96小时而达到T4条件来予以硬化，产生大约26000至30000psi的剪切强度。(这一自然时效热处理步骤随后在图3和4的步骤37中进行)。这种方法也用于其他可以以自然时效热处理从事时效的合金，诸如2017、2024和6061合金。
固紧件要使之变形到一不同于，一般大于所需的最终尺寸(步骤34)，即一种由发明者称作“超出正常尺寸”的状态。在圆柱对称铆钉的情况下，铆钉坯料最好是拉制到超出正常尺寸的直径，一般大约大于所需最终尺寸的10至15％。此超出正常尺寸的拉制铆钉坯料按照为铝合金推荐的工艺过程予以溶液处理/退火(步骤36)。在优选的2117合金的情况下，溶液处理/时效在大约890°至大约950°F下进行一小时，随之以淬火。铆钉坯料在2117合金的情况下按照关于被处理合金的推荐值在室温下自然时效最少大约96小时(步骤37)。拉制的和经过溶液处理/退火的并经过时效的坯料此后通过冷作，一般是拉制使之变形到其最终所需直径(步骤38)，此步骤称作重新拉制或冷作。(不过，与提出的目的等同，步骤34可以用于使铆钉坯料变形到比所需最终尺寸较小的尺寸，而步骤38可以用于使铆钉坯料变形到较大的最终尺寸，比如通过一种冷镦作业。)这种冷作赋予铆钉以轻微变形。经过冷作的铆钉可以任由选择地采用较早所述的方法予以阳极化，最好是在铬酸溶液之中，并最好是留下不作密封(步骤30)。涂敷材料提供在溶液之中(步骤22)并施用于铆钉坯料(步骤24)。此前关于图2所述的步骤30、22和24在此予以引入。
经过涂敷的固紧件坯料予以固化(步骤26)。最佳的固化是由厂商荐用的那种，最为可取的是如前所述的在400°F下一小时。不过，取决于在步骤38中固紧件上所从事的冷作程度，可以采用一种改进的固化作业。此改进的固化过程是375°F下45分钟，并已经显示出可产生与对于涂敷材料的要求相符合的可接受的效果。此固化作业具有趋向于过度时效铝合金的效应，此铝合金一般只要求自然(室温)时效以实现其全部强度。不过，最为意外的是，已经发现，步骤38的附加冷作作业，在步骤36的溶液处理/退火和步骤37的自然时效之后进行，抵消了步骤26的过度时效效应并在经过涂敷和时效的最终铆钉中造成可接受的铝合金特性，但不是过度时效的。
如图4中所示，铝合金铆钉坯料是在过度尺寸条件下提供的(步骤32)。在这一用于热处理和涂敷物件的另外模式之中-这些物件被处理到一种经过自然时效的回火，铆钉坯料被拉制或成形为其最终尺寸(步骤34)(这与图3的步骤34截然不同，在后者中，铆钉坯料被变形到超出正常尺寸的直径。)拉制过的铆钉坯料经受溶液处理/退火(步骤36)以及自然时效(步骤37)。不需要图3过程之中那样的拉制到最终直径的步骤38。余留的步骤22、30、24、26和28一如先前关于图3所述，并在此予以引入。
图4的方法也已经采用2117铝合金成功地得以实施。与一通常的起始直径0.185至0.186英寸相比，铆钉坯料曾以一大约0.200至0.205英寸的过度尺寸直径予以提供(步骤32)。此过度尺寸铆钉坯料在步骤34中拉制到一0.185至0.186英寸的直径并在步骤34中冷镦到一0.187至0.188英寸的直径。在图4的各步骤，如前所述，用于2117铝合金。T4回火所需的强度得以获得，而铆钉另外由粘性涂层予以保护。
在图3和4的过程中，在包含于步骤34和38的、自步骤32的起始过度尺寸直径的变形过程中的铆钉坯料额外机械冷作，与包含固化步骤26的格外加热相配合，可导致符合这一类型固紧件所需的标准和规格的最终强度和其他机械特性。额外的机械冷作趋向于把机械特性提高到可接受的限度以上，而在固化期间的格外加热可把机械特性回降到可接受的范围。这些效应的精确均衡甚至允许机械特性被设定在大多数标准所允许的范围的偏高一侧或偏低一侧。各项工艺过程的改进可产生其他重要的效益，即固紧件涂以经过固化的涂层，防护固紧件不受腐蚀。
有些合金在使用前不作溶液处理/退火和淀析热处理，而代之以在经过冷作的状态之中应用以具有最低程度的变形引致强度。这些合金被称作可加工硬化的或锻造合金。这些合金所需的变形状态可能明显地不相容于加热至高温以固化涂层。不过，已经证实，诸如针对本发明另一最佳实施例示于图5中的一种工艺过程允许这种合金用于由变形引致的强化状态之中，并也允许涂以一种可固化的涂料。最佳的这样一种合金是5056-H32，具有的标准组成是以重量计4.5至5.6％的镁，以重量计0.10％的铜，以重量计0.05至0.20的锰，以重量计0.30％的硅，以重量计0.40％的铁，以重量计0.05至0.20％的铬，以重量计0.10％的锌，以重量计0.05％的任何其他元素中的最多者，连同以重量计0.15％的其他各元素的总合，以及其余部分为铝。5056合金，在通过以大约2至3％的缩减而达到H32状态的冷作使之变形时，表现出26,000至28,000psi的极限剪切强度。不过，如果5056此后在400°F下加热一小时，即可固化涂敷材料的标准固化处理，则极限剪切强度降低到大约24,000至26,000psi，这处在由强度规范允许的范围的极低一侧，而对于工业规模的作业来说，这被认为是太低了，这是由于对于某些被处理的物件来说，工艺过程中的变化可能导致低于强度规范的强度之故。
图5表明一种过程，借此为铆钉的最佳情况达到所需的机械特性而又具有一种经过固化的涂层的各项优点。5056铝合金材料在一初始的过度尺寸条件予以提供(步骤70)。比如，通常，一具有一最终直径0.187至0.188英寸的铆钉是由最初具有一直径大约0.190至0.191英寸的坯料拉制而成的。在图5方法的最佳实施例中，原始坯料最初是大约4％至大约5％的过度尺寸(比如，对于一铆钉最终直径是大约0.187至0.188的情况，-0.195英寸的直径)。此过度尺寸坯料，最好是用冷作，被变形到所需的最终直径(步骤72)。此铆钉坯件，由于已经经过冷作和因此从一大于所需的尺寸予以变形而达到H32条件，具有的强度大于H32条件中所要求的强度。涂敷材料予以提供(步骤22)并施用于已经过变形的铆钉坯件材料(步骤24)。任由选择地，铆钉坯件材料可在施用涂敷材料之前予以处理以糙化和清洗其表面，并最好是在铬酸中予以阳极化处理(但最好是不用化学密封)，如前所述。
经过涂敷的铆钉坯件材料予以加热以实施在400°F下一小时的标准固化过程或在375°F下45分钟的改进固化过程。固化过程具有两种效应。第一，涂层予以固化，以致它凝聚和粘接于铝合金铆钉。第二，铝合金材料部分退火以使之软化。部分软化或退火处理可把铆钉中的冷作变形从在过度加工作业(步骤72)中所达到的状态降低到通常由H32处理所达到的状态。因此，铆钉可以利用对于5056-H32铆钉为已知的各过程予以安装。不过，此铆钉不同于通常的5056-H32铆钉之处在于，它具固化在它上面的涂层。
图5的方法已经利用前所说明的材料和尺寸予以实施。在步骤70中所提供的最初过度尺寸的铝合金坯料具有25,000-26,000psi的极限剪切强度。在步骤72中拉制之后，坯料具有27,000-28,000psi的极限剪切强度。在步骤74中加热之后，最终铆钉具有26,000-27,000psi的极限剪切强度，这妥善地处在H32机械特性规范所要求的范围之内。通过对比，如果铝合金坯料最初不是过度尺寸的，而具有通常的起始直径，经受其余各步骤72、22、24和74的最终铆钉具有24,000-26,000psi的极限剪切强度，处在H32规范所要求的强度的非常低的一端，而这一点，一如早先所述，对于大批生产的作业是太低了。
虽然为了例证目的详细地说明了本发明的一项具体实施例，但多种改进和提高可予以作出而不偏离本发明的精神和范畴。因而，本发明除了所附各项权利要求是不受其他限制的。
权利要求
1.一种用于制备一铝合金飞机零件的方法，包括以下各步骤提供一铝合金零件；配置一涂敷装置，具有一腔室；把零件送入腔室；吹入气流流经零件，力量足以使零件基本上悬浮在气流流束之内；释放一种涂敷材料进入腔室；以及当零件基本上悬浮在腔室之中时涂敷零件到一定的厚度。
2.按照权利要求1所述的方法，其中提供一铝合金零件的步骤包括提供一飞机结构零件的步骤。
3.按照权利要求2所述的方法，其中飞机结构零件是不规则形状的。
4.按照权利要求2所述的方法，其中提供一飞机结构零件的步骤包括提供一选自由铰链、铆钉、固紧件和配件构成的一组中的零件。
5.按照权利要求1所述的方法，其中铝合金零件是由2000、4000、6000和7000系列的可热处理合金制成的。
6.按照权利要求1所述的方法，其中铝合金零件是由一种可加工硬化的合金制成的。
7.按照权利要求1所述的方法，其中铝合金是由一种5000系列的可加工硬化的合金制成的。
8.按照权利要求1所述的方法，其中铝合金包括以重量计从大约4.5至大约5.6％的镁，以重量计大约0.10％的铜，以重量计0.05至大约0.2％的锰，以重量计大约0.30％的硅，以重量计大约0.40％的铁，以重量计从大约0.05至0.2％的铬，以及以重量计大约0.10％的锌。
9.按照权利要求1所述的方法，其中涂敷零件坯件的步骤包括涂敷到从大约0.00015至大约0.00030英寸的厚度。
10.按照权利要求1所述的方法，其中提供一铝合金零件坯件的步骤包括提供一处于其充分经过溶液处理和退火的状态的铝合金零件。
11.按照权利要求10所述的方法，其中零件具有一从大约41,000至46,000psi的剪切强度。
12.按照权利要求1所述的方法，其中提供一种涂料的步骤包括提供一包括一种酚醛树脂的可固化的有机涂敷材料的步骤。
13.按照权利要求12所述的方法，其中酚醛树脂选自苯酚、乙醛和酚醛清漆。
14.按照权利要求12所述的方法，其中提供一种涂料的步骤包括提供一种选自由苯酚/甲醛和烷基苯酚/甲醛构成的一族中的酚醛树脂。
15.按照权利要求12所述的方法，其中酚醛树脂涂料包括以重量计大约30％的乙醇、以重量计大约7％的甲苯，以重量计大约45％的甲基乙基酮，以重量计大约7％的铬酸锶和以重量计大约2％的铝粉。
16.按照权利要求1所述的方法，还包括以下各步骤提供一第二涂敷材料，以及当零件至少部分地悬浮在腔室中的同时以第二涂敷材料涂敷零件。
17.按照权利要求16所述的方法，其中第二涂料包括一种粘接剂。
18.按照权利要求16所述的方法，其中第二涂料包括囊封物。
19.按照权利要求16所述的方法，其中提供一种第二涂料的步骤包括提供一种选自由聚丙烯粘接剂、氨基甲酸乙酯粘接剂、酚醛粘接剂和密胺粘接剂构成的一族中的粘接剂。
20.按照权利要求16所述的方法，其中提供一种第二涂敷材料的步骤包括提供一种催化剂的步骤。
21.按照权利要求16所述的方法，其中提供一种第二涂料的步骤包括提供一种选自由阳离子催化剂、阴离子催化剂和自由基催化剂构成的一族中的催化剂。
22.按照权利要求20所述的方法，其中所述催化剂是一种Friedel-Crafts催化剂，选自卤化金属、酸、胺、三氟化硼，三氟化硼醚，以及其各种混合物。
23.按照权利要求1所述的方法，其提供一种铝合金零件的步骤包括提供一具有一紧密接触表面的零件。
24.一种按照权利要求1所述的方法予以涂敷的铝合金零件。
25.按照权利要求24所述的零件，其中所述零件是一飞机零件。
26.一种按照权利要求16所述的方法予以涂敷的铝合金零件。
27.按照权利要求26所述的零件，其中所述零件是一飞机零件。
28.一种用于制备一铝合金飞机零件的方法，包括以下各步骤提供一铝合金零件坯件；提供一种涂敷装置，包括三个在铅直方向上连续的分段，一上部分段构成一扩展区，一中间分段具有一向上伸展的第一壁板，以及一下部分段包括一随着其向下伸展而呈截圆锥状向内渐缩的第二壁板，并终结在一底部气体入口上，所述中间和下部分段构成一流化床容器，而所述第二壁板具有一划分为一上部和一下部的内壁表面，所述上部形成在一转盘铅直运动的区域之内，所述上部在向上的方向上呈截圆锥状地加宽；一基本上水平的转盘，具有一基本上的平底并设置得用于铅直运动，所述转盘设置在所述容器的所述底部入口以上和所述下部分段的顶部以下并沿径向靠近所述下部分段的所述内壁表面的所述上部；一调节器，用于调节转盘的铅直高度；一转子，用于转动转盘；一真空装置，位于上部分段以上并与之流体连通，用于把一股气流通过底部入口和通过一围绕转盘周边的环形间隙吸进容器，以致气流顺随下部分段的向外加宽的壁板表面；一阀门，用于把有待处理的材料释放到转盘以上的流化床里面以形成由转盘推动的流化床，而气流是通过环形间隙吸入的；许多喷嘴，位于扩展区以下，用于把一种涂料送入流化床容器，从而气体以一初始气流速度被释放，以及气流的速度被调谐于此坯件的质量，或密度、颗粒大小和表面区域特征，办法是，相对于容器内壁上部改变转盘的高度以减小间隙和增大气流速度，以及或者增大间隙和减小气流速度；把零件送入装置；向装置内部通入一股气流；把一种涂敷材料送入装置内部；使装置从事一种可操作的功能；以及涂敷所述坯件以达到一所需的涂层厚度和均匀性。
29.一种按照权利要求28所述的方法予以涂敷的铝合金零件。
30.一种按照权利要求28所述的方法予以涂敷的铝合金飞机零件。
31.按照权利要求28所述的方法，其中零件是不规则形状的。
32.按照权利要求28所述的方法，零件选自由铰链、铆钉、固紧件和配件所构成的一组中。
全文摘要
一种经过改进的、预涂敷铝合金飞机零件,制备方法是:把铝合金零件坯件提供给一具有一流化床或雾气装置的涂敷装置,使零件在沿铅直方向离开装置底部某一距离处悬浮在流化床装置之中,以及把一种涂料送入装置,以便当零件悬浮在流经装置的气流之中时涂敷这些零件。这种非接触式、流化床或雾气涂敷方法为在较短时间内批量规模加大而涂层厚度和均匀性方面的变异减小的涂敷作业创造了条件。
文档编号B05D7/14GK1254621SQ9912449
公开日2000年5月31日 申请日期1999年11月24日 优先权日1998年11月24日
发明者斯蒂文·G·基纳, 诺曼·R·伯德 申请人:波音公司