淺析民用飛機鋁合金零件表面處理

摘要：簡要介紹了鋁合金零件表面處理的目的，主要對機體鋁合金零件表面處理的四種方法進行研究，闡述了陽極化的原理。旨在為民用飛機鋁合金零件表面處理提供參考和借鑒。

關鍵詞：鋁合金；表面處理；陽極化

鋁合金具有力學性能好、質量輕等優點，已被廣泛應用于各行業中，尤其是在輕量化要求較高的航空航天器領域。鋁合金經過各種機械（電）化學方法處理后具有表面形貌、表面粗糙程度及在自然環境中防腐蝕性等表面特性。此外，鋁合金零件經陽極化處理后，耐鹽霧試驗可高達500h以上，經化學轉換膜處理后，耐鹽霧試驗性能可大于168h。

1.鋁合金表面處理的目的

由于鋁與氧的親和力較強，即使在20℃空氣中也會很快在潔凈的表面形成一薄層無定 形氧化膜 Al2O3。此外，環境中可能存在的氯氣、氟、二氧化硫等，使其表面成分更為復雜。為了提高鋁合金的防護能力及裝飾性，必須對鋁材表面進行處理，以去掉表面層物質。表面處理是一個轉化過程，它將鋁材表面未知的和可能不希望有的物質轉化為已知的且具有希望特性的性質，因此對鋁合金零件進行表面處理的目的與要求是：

（1）去除表面力學性能差、與基體結合強度低且在空氣等環境中不穩定的物質。

（2）改變表面形貌，以增大表面積，增強膠接界面上的機械嚙合作用。

（3）形成新的表面物質，它必須與基體結合優良，本身的內聚強度優良。

（4）提高膠接劑與表面物質之間的親和性，確保界面粘接力的作用。

（5）保護已處理過的表面，避免或減少存放過程中的表面吸附、溶解和化學反應所造成對表面影響。

2、鋁合金表面處理方法

鋁合金表面有一層致密的天然氧化膜，耐腐蝕能力較高。民用飛機鋁合金的表面處理工藝，基本有以下四種：硫酸陽極化，鉻酸陽極化，磷酸陽極化，化學氧化（阿洛丁）。

2.1硫酸陽極化

硫酸陽極化，與鉻酸陽極化相比，其優點是保護層為無色，缺點是保護層厚，因而疲勞壽命降低，且成本較高。因此，硫酸陽極化在飛機上使用是有限的。硫酸陽極化，其膜層厚度2.5μm-5.1μm，當工程圖紙或工程文件批準時，可用薄膜硫酸陽極化代替鉻酸陽極化。

硬質陽極化和裝飾零件的著色陽極化是硫酸陽極化的兩種改進工藝。鋁的硬質陽極化用以提高鋁合金的抗磨性能，有時也用于表面修補。硬質陽極化層的厚度為0.0012-0.0014英寸，因厚度較厚，對零件的疲勞壽命影響較大。裝飾零件的著色陽極化也稱裝飾性陽極化，此工藝用于飛機內部有外觀要求的零件，主要由供應商來實施。

2.2鉻酸陽極化

鉻酸陽極化是飛機上最常用的表面防護方法。陽極化后零件表面呈淡灰色、黃灰色或綠灰色。鉻酸陽極化膜層致密，對鋁合金具有最好的抗腐蝕保護作用。

2.3磷酸陽極化

磷酸陽極化是鋁合金零件結構膠接前的表面處理工藝。磷酸陽極化處理工藝是一類弱酸性陽極化處理方法，與鉻酸陽極化、硫酸陽極化方法相比，具有環境友好、毒性小、成本低、工藝參數容易控制等優點。可以明顯改善鋁合金構建待膠接表面的表面狀態，

有效提高鋁合金膠接構建的耐久性。磷酸陽極化能在鋁合金表面形成厚度大，凹凸不平、多孔的膜，抗腐蝕性很差，但膠接時膠接劑能夠滲透進入陽極化鋁合金表面孔洞。

2.4鋁的轉化膜層

鋁的轉化膜層會在材料表面形成一層抗腐蝕的化學保護層。轉化膜層主要用于飛機外表面不噴漆區和內外表面噴漆區的包鋁板上。轉化膜層的抗腐蝕保護作用不如陽極化好，主要作為涂裝底層。但其優點在與不影響疲勞壽命，且工藝簡單、操作方便、生產效率高、成本低，不受工件形狀大小限制，適用于大批量生產。由于轉化涂層不影響疲勞壽命，有些零件要涂轉化涂層以替代陽極化處理。

轉化膜層主要有兩種類型：CC膜層（無色轉化膜層）、及MC膜層（多色轉化膜層）。CC膜層應符合MIL-C-5541，3類要求，MC膜層應符合MIL-C-5541，1A類要求。當沒有規定類型時，應采用MC膜層。飛機外形表面零件應采用CC膜層。

化學轉化膜層成膜的過程大致分為三步：

金屬表面被氧化而變成離子轉入溶液，同時產生原子氫；

初生的原子氫會使一定的6價鉻還原成3價鉻，由于表面的H+被消耗而使附近的PH值升高，使還原的3價鉻以膠體的氫氧化鉻形式在表面沉淀；

氫氧化鉻沉淀的同時，會吸附一定的6價鉻，構成一定組成的鉻酸鹽膜。

酸性溶液中的鉻（6價）酸鹽是強氧化劑，而鉻鹽的還原物通常是不溶性的。因此經過上述三步，能夠在金屬表面生成不溶性鹽或增加天然氧化膜的厚度。

3、陽極化的原理

陽極化是一種在鋁合金表面均勻地形成一層薄薄的氧化鋁的電解工藝。飛機上大多數的無包鋁層鋁合金都進行陽極化處理；對于包鋁層零件，有些要進行陽極化處理，有些則涂上轉化涂層，這取決于零件在飛機上使用的區域。

鋁合金陽極化處理包括預處理和陽極化處理2個過程，如圖 1 所示，其中預處理包括鋁合金板表面除油、 堿液漂洗和和酸液漂洗。

其成膜包括三步驟：

（1） 陽極反應：電解質是強酸性，陽極電位作用下，表面附近水分子被氧化成原子氧[O]，[O]可迅速與表面的鋁發生作用形成一層致密的氧化鋁薄膜。

（2） 陰極反應：陰極僅起導電作用，表面會析出氫。

（3） 氧化膜的生長：陽極反應生成的氧化膜是絕緣性的，如果電解液不能使其溶解，則發展到一定程度，電流會被阻擋，膜層停止生長。

陽極化的膜層的微觀形貌是蜂窩狀結構，后續可通過重鉻酸鹽或去離子水實現水化封閉蜂窩微孔，增加耐蝕能力。

4、結語

鋁合金零件經過表面處理之后，其破壞強度、 屈服強度、 彈性模量和斷裂延伸率等力學性能基本保持不變，防腐蝕性能得到了提高。鋁合金零件的陽極化處理方法優于化學氧化方法，而磷酸陽極化處理是一類弱酸性陽極化處理方法，與鉻酸或硫酸陽極化方法相比，具有環境友好、毒性小、成本低、工藝參數易控制等優點，可以明顯改善鋁合金零件的表面狀態，有效地提高鋁合金零件的耐久性。

作者簡介：

王茹（1986，6-），女，陜西鎮安，本科，工程師，研究方向：材料工藝。