FR46-3外防热涂层自动喷涂工艺方法研究

高金凤 李 兵 王 静 王 蒙 王 德

（内蒙合成化工研究所，内蒙古 呼和浩特 010010）

当飞行器在大气层中高速飞行时，由于恶劣的气动热环境[1,2]，导致飞行器结构材料的高强度金属和复合材料的力学性能下降。外防热涂层的使用，有效起到了防热隔热的作用，保证了高温条件下结构材料的强度和刚度[3,4]。内蒙合成化工研究所作为热防护材料领域的专业研究所，先后研制出外防热、电磁屏蔽、抗激光、防静电和防腐蚀等多种功能性涂层材料，产品已逐步实现系列化，并在多个型号上得到了批产应用。其中，FR46系列外防热材料包括低密度隔热材料、抗热流冲刷材料、复合型抗高热流的防热材料等多个产品，能够满足不同型号的防热需求。FR46-3是一种新型外防热涂层材料，该材料抗热流冲刷能力强，具有较高的韧性，能够满足各种复合材料壳体的变形匹配要求，其主要性能见表1。

表1 FR46-3外防热涂层的技术指标

将FR46-3涂层涂覆于Ф540复合材料的小型试验器表面，并开展了水压爆破试验。结果表明该涂层表面没有裂纹，其韧性可满足复合材料壳体的变形要求。

利用等离子烧蚀装置和背温在线测试系统，模拟一定的热流密度条件（454kW/m2×130s），对FR46-3涂层及其他单位性能较好的防热涂层进行了热流烧蚀试验。试样采用铝板表面涂覆外防热涂层，其中铝板尺寸80×80×1.8 mm，涂层厚度3.5 mm。试验表明，FR46-3涂层烧蚀试样的表面状态、背壁温升等与其他单位性能较好的防热涂层相当，因此由于该涂层较高的韧性而使其应用范围更为广阔。FR46-3外防热材料的制备工艺成熟，施工工艺一直靠实物成型经验积累，没有可量化的工艺参数范围和标准。在喷涂成型前，无法判定涂层的工艺参数范围，严重影响了外防热层生产工艺的可操作性和生产进度。本文为解决外防热涂层自动喷涂工艺参数无法判定的问题，结合已成型的工件表面自动喷涂的工艺参数及材料本体性能，确定了不同直径工件表面防热涂层的自动喷涂工艺参数范围。

1 实验部分

1.1 试件制备

1.1.1 外防热涂料制备

FR46-3涂料制备按照《FR46-3外防热材料规范》制备，将涂料搅拌均匀后置于塑料瓶中，自然散射光下，目测物料为棕黄色粘稠物。

1.1.2 喷涂准备

准备长1500mm，直径分别为Φ450mm、Φ760mm、Φ1100mm、Φ1400mm的三个工件，工件表面用聚四氟乙烯粘贴式脱模布进行保护处理。自动喷涂设备：非标往复式喷涂机。供压系统：高压柱塞泵。试样制作：按照喷涂工艺参数，将防热层成型至约2.2 mm。

1.1.3 固化条件

喷涂完毕后，晾置8h以上，转至（55±5）℃烘房内，固化（12±2）h。

1.2 性能测试

外观检查：目视涂层表面平整、无流挂。

密度测试：电子天平（AX205，瑞士METTLE TOLEDO），执行标准QJ 917A。试件在（5～35）℃条件下固化（5～7）d，或涂层表干后在（70±5）℃下固化（4～6）h，邵氏硬度大于80即可进行送样测试。硬度测试：邵氏A型硬度计（北京时代之峰科技有限公司）。试件在一定温度下晾置或固化一定时间后，自然冷却至室温，室温控制在（23±5）℃，试件和硬度计在此温度下放置24h以上，才可进行硬度测试。测试时试件底部垫2mm以上平整铝板或铁板，以减小误差。压针距离试样边际至少12mm，每个试件取五个不同位置的点进行测试，每点相距5mm以上，压足和试样接触后1s内读数，测试结果取算术平均值作为试件硬度值，图1。

图1 邵氏A型硬度计

2 结果与讨论

2.1 工艺参数影响分析

自动喷涂工艺的主要参数有：雾化压力、上料压力、喷枪移动速度和工件转动速度，同时防热涂层材料的粘度、喷枪与壳体的距离也会影响喷涂质量和效果。自动喷涂系统的供气压力分为上料压力和雾化压力两部分。上料压力主要影响出料量，压力过小会导致供料不足，难以喷涂到工件表面，压力过大则会导致出料量大，无法雾化。而雾化压力主要影响涂料的雾化效果，压力过小会导致涂料无法雾化或雾化范围太窄，壳体表面某些部位涂层难以全部覆盖，压力过大会导致轻质填料飞散，导致密度超差。

2.2 不同直径工件涂层喷涂工艺研究

在长1500mm，直径分别为Φ760mm、Φ1100mm、Φ1400mm的三个工件表面，分别喷涂FR46-3防热涂层，以目视涂层表面平整、无流挂为判定原则，对固化后的防热层进行密度及硬度测试。三个工件表面FR46-3防热层的自动喷涂工艺参数见表2。

从表2中可以看出，涂料粘度、喷涂距离、雾化压力、上料压力这四个工艺参数与材料本体有关，基本不受工件直径影响，因而这四个工艺参数范围也可用于任何直径工件FR46-3防热涂层材料自动喷涂工艺中。喷枪移动速度和工件转动速度的控制主要影响涂层的均匀性。如果喷枪移动速度较快而工件转动速度较慢就会出现涂料不能全覆盖壳体的现象；而工件转动速度过快而喷枪移动速度过慢会因上料量偏大而造成流挂，因此应确定喷枪移动速度和工件转动速度的合理控制范围，使两者能够有效匹配。表3列出了自动喷涂设备中工件转速与喷枪移动速度对应关系。表4列出了三个不同直径工件转速与喷枪移动速度对应关系。

表3 工件转速与喷枪移动速度对应关系

表4 不同直径工件转速与喷枪移动速度对应关系

从表3可以看出，不同直径的工件转一圈喷枪移动距离均在9～11mm之间。这样可以达到较好的防热涂层材料喷涂效果。按照壳体转一圈喷枪移动最佳距离，计算Φ450mm工件的转速与喷枪移动速度的匹配数据，见表5。

表5 Φ450mm工件转速与喷枪移动速度

从表4可以看出，符合计算条件的Φ450mm工件转速与喷枪移动速度的匹配数据共四组。根据Φ760mm、Φ1100mm、Φ1400mm的三个工件的实际应用情况，可以看出，随着工件直径的变小，工件转速需要相应增大，才能保证涂料不会堆积、流挂。Φ450mm工件外径比Φ760mm小将近300mm，因而，选择第三组和第四组工艺参数更为适合。对Φ450mm工件进行自动喷涂试验，应用的工件转速与喷枪移动速度分别为（40～50）Hz和2000Hz。

3 结论

通过对不同直径工件FR46-3外防热涂层的自动喷涂工艺参数、性能数据进行总结分析，计算得出FR46-3外防热材料的自动喷涂工艺参数范围，经Φ450mm工件上自动喷涂工艺试验，验证了理论工艺参数的可行性，可推广至不同直径工件表面进行FR46-3防热涂层自动喷涂成型。