鋁-鋰合金材料表面狀態(tài)對陽極氧化膜性能的影響

王云飛，李旭勇，吳筱蘭，魏 娜，劉詩超

(1.洪都航空工業(yè)集團有限責任公司，江西南昌 330024;2.海軍駐南昌地區(qū)航空軍事代表室，江西南昌 330024)

引 言

鋁-鋰合金是一種低密度、耐蝕性好的輕質(zhì)金屬，具有高彈性模量、高比強度和高比剛度等優(yōu)點，用其取代常規(guī)鋁合金(如2219、2024、7075)能使構件的質(zhì)量減少10%～15%，剛度提高15% ～ 20%［1］。

我國航空企業(yè)大量使用鋁-鋰合金，為提高其防護性能，其表面處理方法常采用的是鉻酸陽極氧化［2］，在材料表面形成一層氧化膜，提高材料表面的耐蝕性和與漆膜的結合力。但目前市場上的鋁-鋰合金，兩面的表面狀態(tài)不一樣，一面色澤光滑，即亞光面，另一面色澤較為深暗，即亞面，兩面在同等工藝條件下進行鉻酸陽極氧化，獲取氧化膜光澤度有所不同。為研究兩面是否均能作為加工零件的工作面，觀察了材料的亞光面和亞面獲取氧化膜的形貌，測試了亞光面和亞面氧化膜的耐蝕性、膜厚及與漆膜的結合力，進一步探索材料的表面狀態(tài)對陽極氧化膜層性能的影響，為后期生產(chǎn)提供指導。

1 實驗

1.1 基材

實驗所選用的材料為2060-T8E30，其成分見表1。測試漆膜結合力試樣尺寸為75 mm×150 mm×3 mm，測試電化學參數(shù)試樣尺寸為10 mm×10 mm×3 mm。

表1 鋁-鋰合金材料化學成分

1.2 工藝流程

試件丙酮擦洗→堿性清洗劑除油(t為15min)→水洗［θ為(59±1)℃］→去離子水漂洗→脫氧［7.5% ～ 10.6%HNO3，22.6 ～ 26.2g/L Cr(Ⅳ)，16ml/L HF，室溫，t為5～20min］→冷水洗→去離子水漂洗→鉻酸陽極化(U為20～24V，t為55～60min)→冷水洗→去離子水漂洗→封閉(θ為88～93℃，t為23～28min)→去離子水漂洗→干燥。

1.3 鉻酸陽極氧化工藝配方

陽極氧化電解液組成為:

30.5～52.0g/L游離鉻酸，θ為32～38℃，U 為20～24V，t為55～60min。

陰極采用鉛板，Ak∶Aa=1∶3，槽液采用空氣攪拌，夾具材料為純鋁絲。

1.4 性能表征

1)利用Quanta2000型掃描顯微鏡觀察基材及膜層的表面形貌，利用金相顯微鏡觀察亞光面和亞面的形貌。

2)利用TT260薄膜測厚儀測試膜層的厚度。

3)采用CHI660C電化學工作站測試極化曲線。采用三電極體系，將試樣作為工作電極(10mm×10mm)，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑金電極作為輔助電極，以3.5%NaCl溶液作為電化學反應池溶液，掃描速率為1mV/s，測試的結果利用相應的計算機軟件，計算自腐蝕電位φcorr和自腐蝕電流密度Jcorr。

4)按照ASTM D3359-1997漆膜附著力測試方法進行漆膜結合力測試。

2 結果與討論

2.1 表面形貌

2.1.1 基材清洗后形貌

為了探討鋁-鋰合金材料亞光面和亞面的異同，本實驗首先分別對試件的光、亞面進行除油，清洗干凈后，采用掃描電鏡觀察其表面形貌，結果如圖1所示。

圖1 材料清洗后的表面形貌照片

由圖1可知，鋁-鋰合金材料亞光面光滑平整，有微細橫向劃痕，可能是材料成型后經(jīng)過了機械拋光所致，而亞表面有塑變裂紋，所以用肉眼觀察亞光面有一定的光澤度，而亞面表面粗糙，顏色發(fā)暗，表面氧化膜厚于亞光面。

2.1.2 基材脫氧后形貌

鋁-鋰合金材料脫氧處理后表面形貌見圖2。從圖2可以看出，試件光亞面經(jīng)過脫氧后，表面自然氧化物有效地進行了脫出，表面仍然光滑平整，而亞面變得較粗糙，主要是其表面自然氧化膜較厚所致，這對后續(xù)陽極氧化膜的形貌結構有影響。

圖2 材料脫氧后的表面形貌照片(400×)

2.1.3 基材氧化膜形貌

鋁-鋰合金材料的試件亞光面、亞面經(jīng)過相同條件的前處理、陽極氧化和后處理所得氧化膜形貌如圖3所示。

圖3 氧化膜表面形貌照片

從圖3可知，鋁-鋰合金材料亞光面經(jīng)過鉻酸陽極氧化，獲取的氧化膜層表面光滑平整，膜層致密;而亞面獲取的膜層為網(wǎng)紋狀。為了進一步探討膜層的不同，對兩者截面形貌進行了觀察。

氧化膜的截面形貌如圖4所示。由圖4可以看到，盡管亞光面和亞面獲得的氧化膜表面形貌不同，但兩者氧化膜截面的形貌類似，陽極氧化膜層與基材的結合緊密，沒有穿透氧化膜層的裂紋產(chǎn)生。

圖4 氧化膜的截面形貌照片

2.2 氧化膜厚度

利用TT260渦流測厚儀，測試鋁-鋰合金試樣亞光面、亞面的氧化膜厚度，結果如表2所示。

表2 鋁-鋰合金試樣兩面的膜厚(μm)

由表2可知，鋁-鋰合金試樣光亞面、亞面在同等工藝條件下獲取的氧化膜厚度接近，均在3～5μm內(nèi)。另外，從圖4的氧化膜截面圖也可以看出，試樣兩面氧化膜的厚度也接近。

2.3 漆膜的結合力

按照ASTM D3359-1997漆膜附著力(劃格法)測試方法，對鋁-鋰合金試樣亞光面和亞面的漆膜結合力進行測試。測試結果表明，亞光面、亞面獲取的鉻酸陽極氧化膜與漆膜的結合力較好，刻線周圍涂層均沒有起皮和脫落，兩面與漆膜的結合力均符合技術要求。

2.4 耐蝕性

利用電化學工作站測試了鋁-鋰合金試樣不同表面狀態(tài)下的陽極氧化膜的極化曲線，結果如圖5，電化學參數(shù)見表3所示。

圖5 氧化膜的極化曲線

表3 不同表面狀態(tài)氧化膜的電化學參數(shù)

從圖5和表3可以得出，鋁-鋰合金試樣亞光面與亞面的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度接近，說明2060-T8E30鋁-鋰合金亞光面、亞面獲取的鉻酸陽極氧化膜的耐蝕性接近。

3 結論

1)鋁-鋰合金試樣亞光面較為平整，亞面有塑變裂紋，脫氧后亞光面仍比亞面平整。

2)鋁-鋰合金試樣亞光面獲取的氧化膜光滑平整，亞面獲取氧化膜為網(wǎng)紋狀，但試樣兩面氧化膜的截面形貌無差別，無穿透氧化膜層的裂紋。

3)鋁-鋰合金試樣亞光面、亞面獲取的氧化膜與漆膜均具有良好的結合力，且耐蝕性接近。

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