CN116075643A - 涂覆方法以及具有导电涂层的部件 - Google Patents

Abstract

一种由基底金属和其上的涂层系统(500)制成的金属部件(112)，其特征在于，所述涂层系统包括基底金属上的导电层(502)以及导电层上的树脂基层(504)，所述树脂基层包括导电颜料(508)。所述导电颜料(508)在树脂中形成导电3D网络，这种网络随机分布在树脂中。本发明还提供了一种航空紧固件，所述航空紧固件具有在基底金属上的镍闪镀层以及在镍闪镀层上的包括镍纤维的酚醛树脂基层的涂层系统。此外，本发明公开了一种金属部件的涂覆方法。所述涂层系统(500)可以施加于金属部件，包括航空紧固件，例如销、螺栓、轴环、螺母和螺母板、垫圈，以及螺柱、闩锁、直升机旋翼和起落架结构。

Description

涂覆方法以及具有导电涂层的部件

技术领域

本发明涉及用于航空部件(比如紧固件和其他部件)的表面处理。这些部件摩擦系数低，有助于高过盈装配，并在电接地和电搭接应用中提高导电性(同时在复合材料和/或金属接头中提供电偶腐蚀防护)、提高涂料附着力、抵抗化学品和流体。

该涂层适用于多种不同的基底金属和金属组合。它们特别适用于钛和钛合金、不锈钢和超级合金的涂层。具体应用涉及通常用于航空器等的铝和/或碳纤维增强聚合物(CFRP)结构中的钛紧固件。在一个实施例中，该涂层可用于保护航空器的钛紧固件和铝和/或CFRP结构中的一者或两者。

背景技术

通常的做法是用钛或钛合金(比如Ti-6Al-4V)的高强度紧固件组装铝或铝合金结构，比如航空器的铝或铝合金结构。在其他实施例中，已使用不锈钢(比如A286)和镍铬基超级合金(比如

718)紧固件。此外，已使用碳纤维增强聚合物(CFRP)代替铝基结构。在某些情况下，已采用混合Al-CFRP结构。

各种涂层已用于航空紧固件，主要用于防腐蚀。下面列出了这些涂层以及它们的缺点：

离子气相沉积(IVD)铝涂层：依靠铬酸盐进行腐蚀防护，不适合过盈配合应用，不提高涂料附着力，与CFRP结构电化学不相容。

铝颜料树脂基涂层：导电性差，不满足电搭接和电接地要求。

镉：依靠铬酸盐进行腐蚀防护，与CFRP结构不相容。

钛硫酸阳极氧化(SAA)：不建议用于铝结构，不适合过盈配合应用，不提高涂料附着力。

仍需要一种不含铬酸盐的航空部件涂层，对于电接地和电搭接应用具有低电阻，符合环境机构法规或要求。

发明内容

简要笼统地说，本发明提供了一种应用于飞行器紧固件和其它航空部件和表面且不含铬酸盐的导电涂层系统。受益于本发明的启示的其他航空部件包括但不限于紧固件(比如销、螺栓、轴环、螺母和螺母板、垫圈和螺柱)。举例说明，即使非紧固件应用(比如闩锁、直升机旋翼和起落架结构)也可受益于本发明的启示。涂覆涂层后的航空器部件(比如紧固件)与铝和CFRP结构相容。

因此，本发明的一个方面提供了一种用于由基底金属制成的部件的涂层系统。所述涂层系统包括基底金属上的导电层以及层叠在导电层上的树脂基层，所述树脂基层包括导电颜料。

在一个实施例中，用于由基底金属制成的金属部件的所述涂层系统包括部件的至少一部分金属上的金属闪镀层和金属闪镀层上的树脂基层，包括例如在钛航空部件上。在另一个实施例中，所述涂层系统包括位于基底金属与树脂基层之间的镍闪镀层，包括例如在钛部件上。在又一个实施例中，所述涂层系统包括金属部件上的金属闪镀层，以及金属闪镀层上的树脂基层中的金属纤维，包括例如在钛航空部件上。在另一个实施例中，所述涂层系统包括金属部件上的金属闪镀层和金属闪镀层上的树脂基层(包括导电颜料)。金属部件上的金属闪镀层和金属闪镀层上的树脂基层(包括导电颜料)的一个实施例中，导电颜料以及用于金属闪镀层的金属包括相同的金属，并且在一个实施例中，该金属是镍。

在用于由基底金属制成的金属部件的所述涂层系统的又一个实施例中，所述涂层系统包括部件的至少一部分金属上的金属闪镀层和金属闪镀层上的着色树脂基层。在另一个实施例中，用于由基底金属制成的金属部件的所述涂层系统包括部件的至少一部分金属表面上的金属闪镀层和金属闪镀层上的含有金属颜料的树脂基层，包括例如在钛航空紧固件上。在这种涂层系统的一个实施例中，所述涂层系统具有金属闪镀层和在树脂基层中的金属颜料，两种金属相同；在另一个实施例中，两种金属是镍。在这种涂层系统的又一个实施例中，所述涂层系统具有金属闪镀层和在树脂基层中的金属颜料，金属颜料是镍纤维；在金属颜料的又一个实施例中，金属颜料的干燥前浓度为按溶液重量计的约5％-约15％之间，在另一个实施例中按重量计约为11％。在这种涂层系统的另一个实施例中，所述涂层系统具有金属闪镀层和在树脂基层中的金属颜料，金属颜料由不垂直于金属航空部件表面延伸的金属纤维或长丝形成，并且在又一个实施例中，金属颜料以团块形式随机分布在树脂基层中。在金属部件上的金属闪镀层和金属闪镀层上的树脂基层(包括导电部件)的前述任意实施例中，树脂基层中的金属例如随机分布在3D导电网络中。

在另一方面，由基底金属制成的部件包括它上面的涂层系统，所述涂层系统包括本文所述的任何涂层系统。所述涂层系统包括基底金属上的导电层以及在导电层上的包括导电颜料的树脂基层。

在另一方面，提供了一种用于用涂层系统涂覆由基底金属制成的部件的方法，包括本文所述的任何涂层系统。所述方法包括提供金属部件、在金属部件表面沉积导电层、在导电层上沉积包含分散在树脂中的导电颜料的液态混合物，以及干燥该液态混合物，使导电颜料在树脂中形成3D导电网络，这种网络随机分布在树脂中。

本发明的各方面涉及包含有机树脂的涂层系统，本发明与镉、硫酸阳极氧化和纯铝气相沉积涂层不同，因为那些是纯金属沉积，不含任何有机树脂。与铝颜料树脂基涂层相比，本发明提供了改进的导电性能。

本发明的涂层系统不含铬酸盐，具有足够的导电性，可以满足一些电接地和电搭接应用。它们与全金属结构和CFRP结构或两者的组合(所谓的混合结构)相容。它们可用于过盈配合应用的金属紧固件。

通过下面的详细说明和附图，本发明的这些及其它方面和优点将变得明显，它们以实施例的方式展示了本发明的特征。

附图说明

图1是根据与本文所描述原理一致的实施方式的紧固件组件(包括紧固件)部分分解结构的示意性侧视图。

图2是图1所示紧固件组件的螺柱的侧视图。

图3是根据与本文所描述原理一致的实施方式的图1的螺柱以及可替代地用作图1中紧固件组件的一部分的套筒的纵剖面图。

图4是图3的螺柱和套筒的一部分的详细视图。

图5是图1-图4的紧固件螺柱的又一详细视图。

图6A-图6D是本文所述实施例的部件的高分辨率扫描图像。

图7是根据与本文所描述原理一致的实施方式的航空部件涂覆方法的流程图。

图8是根据与本文所述原理一致的实施方式的在电阻(单位：mΩ)和浓度(单位：重量百分比)坐标系上、具有镍闪镀层和镍着色树脂层的紧固件的电阻随颜料浓度变化的曲线图。

图9是根据与本文所述原理一致的实施方式的各种涂层(包括用于比较的本发明的涂层)的电阻(单位：mΩ)的间隔图。

具体实施方式

在本文中，若名词前无数量限定，则旨在表示本技术领域中的通常含义，也即“一个或多个”。例如，本文中，“航空部件”表示一个或多个航空部件，并且同样，“所述航空部件”表示“所述一个或多个航空部件”。此外，本文对“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“第一”、“第二”、“左”或“右”的任何引用无意作为本文的限制。在本文中，当应用于某个值时，术语“约”或“大约”通常指在用于产生该值(例如层厚度)的设备的公差范围内，或者对于复合物，由于测量的微小误差而导致的成分量变化，或可表示加或减10％，除非另有明确规定。此外，如本文所用，术语“基本”指大多数、几乎全部、全部或约51％至约100％范围内的比例。此外，本文的实施例预期仅用于说明，它出于讨论目的提出，而不是作为限制。

在航空器的设计和组装过程中，OEM可以选择满足多种技术功能的紧固件表面处理。这些功能中的一些可以包括：低摩擦系数属性，例如允许在高过盈配合紧固件插入中使用较低的力并且最小化咬合、防止腐蚀、增加导电性、促进外部涂料粘附和/或耐受化学品和流体。目前没有在不使用铬酸盐的情况下允许结合这些性能并且与金属或全CFRP(碳纤维增强聚合物)或混合CFRP/金属结构相容的解决方案。

过去，金属涂层沉积使用铬酸盐进行腐蚀防护。铬酸盐带来了环境和健康问题，因为它们是已知的致癌物和诱变剂，并对繁殖系统具有毒性。替代涂层系统可以基于本质上电绝缘的有机树脂，但通过添加金属颜料可以提高树脂的导电性。然而，由于制剂的不稳定性或对其他性能(例如摩擦力)的不利影响，有机涂层对可添加的导电元素的量有限制。没有已知的工业着色有机树脂系统具有导电性并且可以满足航空紧固件的预期电搭接和电接地应用。

为了满足电接地和电搭接应用，根据本文所述原理的实施方式，本文公开的解决方案是一种用于航空部件的涂层系统，其组合了导电层和导电层上的树脂基层(包括导电颜料)，以及在其上具有这种涂层系统的航空部件。应当注意，并不意味着只有第一层是导电的，而第二层不是导电的。这两层都具有导电性(尽管不一定相同)，它们共同作用以提供期望的电阻，使其适合于电接地和/或电搭接。

航空部件可以是上面列出的任何航空部件，包括例如紧固件。航空部件可以包括选自由钛或钛合金(例如Ti-6Al-4V)、不锈钢(例如A286)和镍铬基超级合金(例如

718)构成的组的金属。

图1-图5描述了在本发明实施方式的实践中适当采用的紧固件的一个实施例。如图1所示，紧固件组件100包括紧固件110。

在一个实施例中，涂覆组件可以实施于通常用于航空器结构的类型的紧固件110，其中一个实施例可以是典型的螺纹螺栓或螺柱112和螺纹螺母114组合使用，例如，具有如本文所述的外部涂层系统500(图5示意性地显示了涂层系统的细节，但可以理解的是，图中的一个或多个紧固件元件的部分或全部表面都有本文所述的涂层，尽管其涂层在图1-4中不可见，以便于说明)。参考图1和2，螺栓112包括柄部116和位于柄部一端的头部118以及位于柄部另一端的螺纹部分120。在本实施例中，螺栓全部由固体金属制成，其可以是上述类型，并且螺栓和螺母整个表面的全部或部分可以由本文所述的涂层系统500涂覆。涂层系统500还可以提供润滑效果，以减小螺栓112和螺母114相应螺纹之间的咬合效应。进一步如图1所示，紧固件100可用于将飞行器结构的两个部件固定在一起，例如具有对齐开口的第一个部件124和第二个部件126。

螺柱或螺栓112和配合部分114的组件100，如图1所示，或具有拉杆和轴环(未显示)的紧固件是用于多种应用的常见紧固件组件。在另一个替代紧固件组件中，螺柱112可以轴向穿过套筒122(图3-图4)，例如，所述套筒构造成使得套筒以间隙配合的方式单独与结构124和126中的对齐开口配合，而螺柱112则构造成与套筒过盈配合。具有螺母114或其他锁定部件(未显示)的这种配置可以适用于复合结构，或固定到一起的复合结构和金属结构。在图3-图4所示的配置中，螺柱112的头部118提供齐平安装并配合到套筒122的扩口端部128中，尽管可以替代使用其它螺柱和套筒构造。套筒相对于螺柱的材料和几何形状是常规的，除了可能在套筒的一个或多个表面使用本文所述的涂层。

一个或多个紧固件部件或金属部件的所有内外表面或一个或多个部分，包括本文所述的那些，可以用涂层系统500涂覆，帮助提供本文所述的一个或多个益处，包括但不限于导电性、耐腐蚀性或减少材料之间的电流作用。图1-图4所示的部件可以理解为一个或多个表面上包括本文所述的涂层，但为了清楚起见，在那些图中省略了涂层的表示。图5示意性地说明了一个涂层系统的实施例，为了便于观察，涂层系统元件的表示被夸大了。可以从本文的讨论中了解到示例的涂层系统特性，包括涂层系统及其部件的化学组成、厚度以及其它物理特性。图5是螺栓112的放大图，显示了一个涂层系统的实施例，所述涂层系统具有：两层，所述两层502、504施加到螺栓112的外表面。在一个实施例中，第一层502(也称为导电层)是施加到金属部件(在本实施例中，所述金属部件是螺柱112、螺母114和/或套筒122中的一个或多个)的金属表面并且如图5中所示被施加到螺栓的外表面的高导电金属层。导电层材料通常不同于基底金属部件的材料。这里的“高导电性”是指电阻小于或等于1mΩ。图5中的系统的第二层504也称为树脂基层，是含有导电性颜料508的树脂复合物。在一种配置中，第一层502由镍闪镀层组成，第二层504包括树脂复合物506，树脂复合物506含导电颜料508，例如镍纤维。这些层的示意图如图5所示，下面展开更全面的讨论。树脂复合物506的示意图如图5所示，形成具有导电颜料508的层，但应该理解的是，图5中用参考号506标识的树脂复合物不仅指树脂材料，还指除构成树脂基层504的导电颜料508之外的任何其他成分。这样的其它成分可以是粘合剂配方中任何常用成分，如缓蚀剂、诸如聚四氟乙烯(PTFE)的润滑剂和例如对苯二甲酸酯、其它聚合物的增塑剂等。

导电层502可以作为镍闪镀层或冲击层被施加。镍闪镀层可以通过电沉积施加，但也可以采用其他施加或沉积形式，例如无电沉积、刷、粘贴、浸渍、喷涂、印刷、PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气相沉积)或IVD(离子气相沉积)。也可以用其他金属代替镍，包括但不限于铜、锌、锡、银、铅、锡/铅、金和铂。在一个实施例中，根据SAE AMS-QQ-N-290标准，镍闪镀层可以电沉积在氨基磺酸镍溶液中。

树脂复合物506是粘合剂，通常称为载体，并且是第二层504的实际膜成形成分。它能产生粘性，将颜料508粘合在一起，影响例如光泽潜力、耐久性、柔韧性和韧性等性能。

用于树脂基层504的粘合剂可以是酚醛树脂。这是一种热固性树脂，具有耐化学性。酚醛树脂对于紧固件而言是期望的，这是由于酚醛树脂非常坚硬并且具有持久的耐化学性，这非常有用，因为它们经常暴露在液压流体、油等物质中。酚醛树脂也非常耐磨，这是很多紧固件应用的可行选择，尤其是对于过盈配合应用。在一些实施方式中，可以使用苯酚-甲醛树脂。

其他成分可以包括在树脂复合物中，例如次级粘合剂，其可以是热塑性塑料和/或通常用于粘合剂配方的其它添加剂，例如缓蚀剂、如聚四氟乙烯(PTFE)的润滑剂和增塑剂，例如邻苯二甲酸酯。对于许多应用，聚四氟乙烯也可以作为非金属颜料包含在树脂复合物中。聚四氟乙烯用于降低摩擦系数。可以添加用于一个或多个这些功能的其他聚合物包括但不限于PEEK(聚醚醚酮)、聚酰亚胺、PPS(聚苯硫醚)、尼龙和其他聚酰胺、缩醛(聚甲醛、POM)和聚酯及其变体。

导电颜料508可以是任何低电阻材料，包括例如镍、铜、银或铝的金属，或者例如二硫化钼或石墨烯的非金属。为了尽可能减少电化腐蚀，导电层502和导电颜料508可以是相同的金属。发现镍比其他树脂添加剂(例如银和石墨烯)产生了更理想的结果，例如针对导电性更理想的结果，并且镍纤维比镍片和镍球产生的导电性结果更可靠。巧合的是，镍是一种低电阻金属，是一种出色的组合，因为它延缓了自腐蚀和电腐蚀。

在一些实施方式中，镍颜料与液态树脂复合物(也称为液态混合物)在施加到金属部件之前的比例可以是液态混合物的约5％至小于15％重量百分比。在一些实施方式中，镍颜料的最大浓度可以是约11％重量百分比，优选约9％重量百分比。在使用聚四氟乙烯的情况下，PTFE可以是液态混合物的约1％至约10％重量百分比。在一个实施例中，PTFE可以是液态混合物的约2％重量百分比。PTFE、镍和其他成分(例如腐蚀抑制剂)可能有助于CPVC(临界颜料体积浓度；见下文)，因为它们在聚合过程中不会烧结到涂层中(温度不足以使PTFE溶解)。PTFE和/或其他成分(如果添加)的量，除了有助于镍浓度之外，还有助于CPVC。

在一些实施方式中，镍颜料的浓度范围为液态混合物的约9％至约11％重量百分比之间。低于约10％重量百分比通常不具有在一些应用中可能需要的那样高的导电性。另一方面，在约5％至约10％重量百分比范围内的电阻仍低于10mΩ，这在一些应用中可能可以接受。

在液态混合物中镍颜料的浓度在约14％和约15％重量百分比之间，树脂和颜料混合物可以超过配方稳定性(称为临界颜料体积浓度，CPVC)。CPVC是有足够粘合剂用于填充颜料颗粒之间空隙的点；超过这个点，可能没有足够粘合剂用于填充空隙。因此，CPVC可以限制液态混合物中颜料浓度的优选上限值。

有利的是，导电颜料508是随机成形的镍纤维，例如可从Novamet SpecialtyProducts Corp.(田纳西州，莱巴嫩)购买的525导电镍粉。对镍纤维着色树脂基层504的分析表明，镍纤维表现出镍纤维的随机三维结块或附聚，如图6所示。图6A显示了来自扫描电子显微镜的能量色散X射线光谱(EDS)，观察对象是仅具有镍纤维602着色树脂基层604的紧固件600的横截面，其中镍纤维为树脂复合物的22.9％重量百分比。图6B显示了镍纤维着色树脂基层604，其中镍纤维为树脂复合物的30.8％重量百分比，展示了随机性和结块或附聚。(新的附图标记应用到这些图像，因为它们显示了特定的元素，并且具有与本文所述的那些元素相同的特征。)这些图像显示了钛紧固件606的一部分延伸到由虚线608表示的表面，它表示当前放大倍数下显示的变化的表面。钛表面608被树脂基层604直接覆盖，树脂基层604具有由虚线610表示的厚度，其表示当前放大倍数下钛表面的变化的厚度。树脂基层604外部的材料612是用于样品的酚醛树脂安装支撑件。

图6C也是来自扫描电子显微镜的EDS，观察对象是具有沉积在紧固件裸金属表面的镍闪镀层614和镍纤维着色树脂基层604的紧固件620的横截面，其中镍纤维为树脂复合物的30.8％重量百分比，显示相对于颜料分布更连续的闪镀层，镍闪镀层比镍颜料纤维更均匀地沿金属裸基底表面608分布，并且显示镍颜料的随机性和结块或附聚。图6D显示了来自扫描电子显微镜的EDS，观察对象是仅具有镍纤维着色树脂基涂层604的裸紧固件630的平面图，其中镍纤维为树脂复合物的22.9％重量百分比，其中一些紧固件表面通过树脂基涂层604在扫描中显示。该视图还展示了在树脂基层604中的镍纤维602的随机性以及结块或附聚。镍颜料508具有可以基本随机分散在树脂复合物506中的分支状结构。分支状结构提供随机分布在树脂复合物中的有益3D附聚物，一些与导电层接触，另一些仅部分在垂直于导电层502的方向上延伸，例如形成具有导电性的3D网络。

镍是经测试性能最佳的材料。它具有良好的耐腐蚀性和导电性。它是一种铁磁材料，在某些应用中可能有用。镍颜料还显示出一种亲和力，在液体混合物(如基于溶剂的系统)中非常适用。与镍作为元素一样重要，纤维状和/或丝状形态允许可接受的涂层厚度(5μm至20μm)。镍具有极强的抗氧化性，即使在盐雾中也能长时间保持导电性。这些形态允许渗流(网络形成)并以足够低的百分比促进电流，以使其在树脂复合物中的浓度(一旦干燥)低于CPVC，但仍促进电搭接和电接地的导电性。

分散在树脂复合物506中时，纤维状和/或丝状镍颜料508可以进行三维缠绕。颜料的随机空间取向和缠结对于性能所需的导电性有益且有帮助。当与镍闪镀层结合时，镍纤维允许着色涂层低于CPVC，但仍在电搭接和电接地要求范围内。

镍纤维508的平均长度可以为约20μm，长度范围为约1.4至约88μm。镍纤维508的平均直径可以为约2μm，直径范围为约0.5μm至约10μm。

导电层502和树脂基层504组合的总厚度可在约5μm至约20μm的范围内，其中导电层的厚度小于2.5μm，并且树脂基层504的厚度包含剩余部分。该总厚度范围被认为是紧固件的可接受涂层尺寸偏差。用于其它航空部件(例如紧固件)的导电层502和树脂基层504的厚度范围可以具有略微不同的厚度，这取决于它们与这种航空部件结合的特定用途，与该用途的常规做法一致。

根据本文所述原理的实施方式，提供了一种用涂层系统500涂覆航空部件110的方法。图7显示了方法700的流程图，其包括提供航空部件705。航空部件110可以是上面列出的任何航空部件，包括紧固件，例如销、螺栓、轴环、螺母和螺母板、垫圈和螺柱。航空部件110可以由选自由钛或钛合金(例如Ti-6Al-4V)、不锈钢(例如A286)和镍铬基超级合金组成的组的基底金属形成。

该方法700还包括在航空部件100表面沉积710导电层502。表面可以是裸金属、表面阳极氧化的金属，或者机加工、喷砂或以其他方式机械制备的表面。在一个实施方式中，导电层502是沉积在航空部件表面的镍闪镀层。镍闪镀层502可以电沉积在航空部件表面。

方法700还包括在导电层502上沉积715包含树脂和导电颜料508的液态混合物，以形成包含导电颜料的树脂基层504。

导电颜料508悬浮在树脂中，树脂溶解在挥发性溶剂中，使混合物具有液体的稠度，但施加之后快速干燥。例如，可以根据常规研磨技术将颜料508研磨成树脂。

根据常规的涂料混合技术，该液态混合物可以在溶剂中充分且均匀地混合。溶剂可以是分子量较低的烷基醇，例如甲基、乙基、丙基或异丙醇或类似的溶剂，例如甲乙酮或挥发性溶剂范围内的石油馏出物，例如二甲苯或甲苯，或者两种或更多种这些溶剂的混合物。所使用溶剂的量可足以提供所需程度的流动性，这在某种程度上依赖于其是否通过喷、蘸或刷，或者相似的方式施加。

在一些实施方式中，施加液态混合物可以用喷，尽管也可以用蘸或刷来代替。由于溶剂具有挥发性，它很快干燥和固化。在施加之后，航空部件可以干燥720，例如通过加热，以便分离溶剂并形成固体树脂基层504，其中镍纤维508的3D附聚物随机分布在树脂复合物506中。可以按常规方法在足以产生所需结果的温度和时间下进行加热，例如通过所需的交联。温度可以在大约150℃至205℃之间持续所需的时间，例如可以是大约1小时。

涂层系统500在紧固件上固化后的厚度有利地介于约5μm至约20μm之间。这种厚度控制是期望的，特别是对于螺纹紧固件，可以确保适当的螺纹配合，对于航空器，也可以确保高质量的过盈或非过盈类型紧固件。过盈配合紧固件直径通常略大于穿过待紧固结构件的孔的直径。将这样的紧固件零件强行穿过紧固件零件的孔通常会造成紧固件零件涂层表面的磨损，并会损坏孔的表面和紧固件零件强行穿过的周围工件结构。已经发现，根据这些发明施加的涂层系统500能够润滑紧固件部件110，以避免涂层劣化并帮助保持涂层对紧固件零件的粘附。例如，这种涂层系统500可以承受34,000N的安装力，满足EN4473标准的要求。

为了使导电颜料508在空间上随机分散在液态混合物中，最初可以将其置于表面活性剂中，表面活性剂是例如润湿和分散添加剂Anti-Terra-U(一种不饱和多胺酰胺盐和低分子酸性聚酯的溶液，可从得克萨斯州奥斯汀的BYK购买)和/或EFKA 7500(一种改进分散或悬浮稳定性的改性聚醚，可从新泽西州Florham Park的BASF购买)。然后可将带表面活性剂的导电颜料508在机械剪切下(如研磨)放入树脂，如上所述。

现有技术建议不要将电镀钛紧固件用于航空应用，因为钛对氢和氧的拾取非常敏感。这很容易导致钛脆化或引起应力开裂。电镀通常用到氯基盐酸，而氯基盐酸在航空应用中是禁用的。在航空领域之外，有一些实施例是为了增加可焊性、改善热酸环境中的耐腐蚀性、增加润滑性和改善抗咬合性能而对钛进行电镀。然而，本文所采用的导电层502可以利用电镀，显然持续时间足够短，这使氢和氧的拾取最小化或甚至消除。

某些材料(例如钛、不锈钢和镍基合金)会自然钝化(无氧化物的表面与空气或水接触时会在表面形成一层薄氧化膜)，因此，如果不克服这种强韧的氧化膜，就不可能附着电镀。电镀行业已经开发了一种用材料(例如镍或铜)对这些金属进行闪镀的方法，以克服钝化氧化物层并使随后的最终电镀层(例如金)能够附着。

利用镍闪镀层作为树脂基层504的基底金属有违常理。镍闪镀层通常用于克服钝化膜以允许随后的电镀附着；在将树脂基层置于由钛、不锈钢或镍合金制成的金属基部件(如紧固件)上之前进行镍闪镀，是未知的。它不会增强树脂基层的附着力，涂覆之前没有要考虑的功能性用途。涂层通常预期直接涂覆在紧固件基材上，如果需要增强附着力，则一般通过化学或机械表面处理(例如喷砂)或基底涂料(例如底漆)而不是镍闪镀层来完成。

树脂基层504可以在钛紧固件上形成。钛本身是金属，具有高导电性。导电层502也是金属，也具有高导电性。为了能够获得金属涂层的导电性，树脂基层一般不能与该性能相匹配而不超过涂层CPVC。然而，与钛上的导电层502耦合时，由于层502和504的组合而导致导电性的意外增强，涂层系统500的电阻降低，远远低于树脂基层的电阻。虽然导电层502和树脂基层504都是饰面，但将两者组合起来用于在金属基材上实现增强的导电性有违常理。净效应出乎意料，实现电搭接和电接地期望的高导电性(低电阻)，而又保持耐燃料/耐化学的树脂阻隔效果，电化学腐蚀防护以允许材料相容性和低摩擦力，从而有助于高过盈安装以及扭矩-张力。

涂层系统500可以施加在金属部件的整个表面上，或者仅部分施加。例如，如果部件是紧固件组件100，则头部118的顶部表面可以是裸露的，而涂层系统500覆盖柄部116和螺纹部分118的整个表面。在另一个实施例中，头部118和柄部116的相邻环形部分可以是裸露的，涂层系统500覆盖柄部116表面的其余部分和螺纹部分118。在另一个实施例中，螺栓的柄部116和/或套筒122的内表面和/或外表面可以涂覆两个、三个、四个或更多纵向条纹，或一个、两个或更多环形带，或任何其他形状。

涂层系统500所覆盖的基底金属的部分可以是部件整个表面的至少50％，或者部件整个表面的至少60％，或者部件整个表面的至少70％，或者部件整个表面的至少80％。

涂层系统500还可以用低附着力的第三润滑层覆盖，第三润滑层降低安装到结构孔期间紧固件组件的摩擦系数。例如，该第三润滑层可以是润滑脂、鲸蜡醇或专利申请(序列号US16742274，公开为US2020/0149566(通过引用并入本文))中描述的涂层。已经发现，这种低附着力的润滑层不会损害涂层系统500的导电性，因为润滑层在紧固件的过盈安装期间至少部分剥离。

该第三润滑层可以施加在金属部件的整个表面上，或者仅部分施加。它可以施加在涂层系统500未覆盖的部分、涂层系统500涂覆的整个表面，或者部分施加在涂层系统500覆盖的表面。

实施例

实施例1.

用涂层系统500涂覆若干钛基紧固件112。紧固件由Ti-6Al-4V合金组成。第一层502是镍闪镀层，由镍形成，镍通过氨基磺酸镍工艺电镀到钛上，遵循SAE AMS-QQ-N-290标准。

镍闪镀层在紧固件上沉积后，对镍覆盖的表面进行研磨性喷砂，以促进树脂基层504的机械粘附。第二层504是分散有镍颜料508的酚醛树脂复合物506。酚醛树脂复合物还包括常见的成分，例如溶剂、PTFE、缓蚀剂和增塑剂。然后将树脂复合物直接喷到经过研磨性喷砂的镍闪镀层上。然后在204℃下加热航空部件1小时，使涂层交联聚合。镍颜料是镍纤维508，平均长度为20μm，平均直径为2μm。在树脂复合物中使用不同浓度的镍纤维，如下方表I所示。值得注意的是，本文实施例中讨论的镍纤维在树脂复合物中的浓度是基于聚合之前处于液态(湿)的树脂复合物，虽然下方表1还列出了按重量计的等效干浓度，用于考虑将在例如图1-图5所示的紧固件组件中使用的最终产品。

测量每个已涂覆紧固件112的电阻。紧固件通过间隙配合安装在铝制试样中。这样可以使紧固件头部的埋头孔和试样的埋头孔彼此齐平。紧固件头部的顶部剥离，形成进入紧固件的路径，并在那里接触开尔文探针。试样附有一电连接器。电阻使用ATEQ AX60004点(4线式)毫欧表测量。结果列在表I中，并在图8中进行了标示。第二列是液态混合物中的镍颜料浓度，第三列是液态混合物的溶剂蒸发后的树脂复合物中的镍颜料浓度，第四列显示各个紧固件的电阻：

表I.

液态混合物中镍颜料浓度约6.9％重量百分比时开始建立颜料网络。最佳性能是镍颜料浓度约11％重量百分比，此时电阻降至小于1mΩ。镍颜料浓度约13％重量百分比时电阻也小于1mΩ，但由于超过了临界颜料体积浓度，液体制剂超出希望的范围。

值得注意的是，尽管浓度约4.7％重量百分比的镍颜料电阻为7.1mΩ，但这个值仍小于10mΩ，这在某些应用中是可接受的。

实施例2.

在具有上述两层涂层系统500的紧固件112与其他已涂覆和未涂覆紧固件之间进行了比较。结果列在表II中，并在图9中进行了标示。表II中的实施例2C是本发明一个实施例中的涂层系统。

表II.

对于电搭接，一般要求在10mΩ以下；对于电接地，要求在1mΩ以下。所有纯金属镀层2E和2G均低于这两个要求，而树脂基涂层2A在35-55mΩ范围内。仅具有11％重量百分比镍纤维的镍基树脂层2B(在液态混合物中的浓度)平均约为16mΩ。具有约11％重量百分比镍纤维的镍基树脂层508(液态混合物中的浓度)与镍闪镀层502(实施例2C1和2C2，本文权利要求中公开并包括的涂层系统500)的组合低于10mΩ阈值并具有电接地范围中模拟纯金属镀层的电阻。令人惊讶的是，较薄的镍闪镀502层将涂层系统500的总电阻降低到低于0.5mΩ(实施例2C2)。由于前面给出的原因，SAA处理2D和IVD涂层2G被认为不太适合用作电搭接和电接地涂层。裸钛2F是不可接受的，因为它会导致铝结构中的电化腐蚀。出于同样的原因，单独使用镍闪镀层2E也是不可接受的。

尽管本文所述涂层系统特别提到作为紧固件涂层系统的用途，但并不限于紧固件，而是可以普遍施加于其他表面，特别是希望有低导电性的航空部件，以及腐蚀防护和润滑，例如钛和钛合金、高温工具钢或其他合金钢制成的部件，以及超级合金。同样，并非总是需要与通常用于紧固件的涂层一样薄的涂层，可以将较厚的涂层用于其他应用。

从前述内容中可以明显看出，尽管图示和描述了本发明的特定形式，但在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因此，除所附权利要求之外，无意对本发明进行限制。

Claims (15)

1.一种金属部件，其包括基底金属和其上的涂层系统，所述涂层系统包括：

基底金属上的导电层，以及

所述导电层上的树脂基层，其中树脂基层包括导电颜料，导电颜料在树脂基层中形成导电的3D网络，这种网络随机分布在树脂基层中。

2.根据权利要求1所述的金属部件，其中所述涂层系统仅施加于金属部件的基底金属的部分。

3.根据权利要求1或2所述的金属部件，其中所述金属部件包括额外的润滑层。

4.根据前述权利要求1-3中任一项所述的金属部件，其中所述基底金属选自由Ti-6Al-4V、A286和镍铬基超级合金构成的组。

5.根据前述权利要求1-4中任一项所述的金属部件，其中所述金属部件是紧固件。

6.根据前述权利要求1-5中任一项所述的金属部件，其中所述导电层是镍闪镀层。

7.根据前述权利要求1-6中任一项所述的金属部件，其中所述树脂基层的导电颜料包括镍纤维，并且所述树脂基层包括酚醛树脂。

8.根据权利要求7所述的金属部件，其中所述镍纤维的长度在约1.4μm至约88μm的范围内，并且所述镍纤维的直径在约0.5μm至约10μm的范围内。

9.根据权利要求7所述的金属部件，其中所述树脂基层的镍纤维浓度在约10％至小于35％重量百分比的范围内。

10.根据前述权利要求1-9中任一项所述的金属部件，其中所述涂层系统的总厚度在约5μm至约20μm范围内，其中导电层厚度小于或等于3μm，并且所述树脂基层的厚度包括剩余部分。

11.一种用于涂覆金属部件的方法，所述金属部件包括基底金属，所述方法包括：

提供金属部件；

在金属部件表面沉积导电层；

在导电层上沉积包含分散在树脂中的导电颜料的液态混合物，以及

干燥该液态混合物以形成树脂基层，使导电颜料在所述树脂基层中形成3D导电网络，这种网络随机分布在所述树脂基层中。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述导电层是沉积在金属部件表面的镍闪镀层。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述镍闪镀层电沉积在金属部件表面。

14.根据前述权利要求11-13中任一项所述的方法，其中所述液态混合物通过喷涂沉积在导电层。

15.根据前述权利要求11-14中任一项所述的方法，其中所述颜料是镍纤维，并且所述液态混合物中镍纤维浓度在约5％至小于15％重量百分比的范围内。

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