AlCl3-EMIC型離子液體電鍍鋁工藝對基體疲勞性能的影響

張騏，陳皓暉，詹中偉，易俊蘭，孫志華，宇波，秦銳

（1.北京航空材料研究院航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京 100095； 2.中國人民解放軍32382部隊，北京 100072；3.上海飛機制造有限公司，上海 200436）

隨著國家對環保要求的日益提高，傳統有害表面處理工藝亟待被環保工藝替代，屬于重金屬鍍層的鎘鍍層也是有害表面處理工藝之一。目前代鎘工藝主要有電鍍鋅鎳合金、非水溶液電鍍鋁等[1]。近年來離子液體電鍍鋁工藝的發展較快，其中無水氯化鋁?1?乙基?3?甲基咪唑氯化物(AlCl3-EMIC)型離子液體的研究較為成熟，應用也較多。

AlCl3-EMIC體系電鍍鋁層外觀均勻，具有一定的金屬光澤，與基體之間的結合力良好，耐蝕性雖不如鎘鍍層，但是滿足航標的要求，而且該工藝從理論上而言對基體的氫脆性能沒有影響。但針對該電鍍鋁工藝對基體疲勞性能影響的研究報道較少。本文在前期研究[2-4]的基礎上進一步研究了AlCl3-EMIC型離子液體電鍍鋁對基體疲勞性能的影響。鑒于電鍍鋁工藝主要用于飛機起落架、緊固件等鋼鐵零件和易與鋁合金產生接觸腐蝕的鈦合金零件，分別選擇了300M鋼及TC4鈦合金作為代表性的金屬基體，研究結果將為AlCl3-EMIC型離子液體電鍍鋁工藝的進一步應用提供技術支持。

1 實驗

1.1 工藝流程

300M鋼和TC4鈦合金試棒的尺寸如圖1所示。

圖1 疲勞試棒示意圖 Figure 1 Schematic diagram of fatigue test bar

以300M鋼試棒為基材時的工藝流程為：化學除油→丙酮洗→吹干→吹砂→丙酮洗→吹干→電鍍鋁→酒精洗→吹干。

以TC4鈦合金試棒為基材時，在電鍍鋁前增加電化學蝕刻，其余流程與300M鋼試棒的工藝相同。

1.1.1 化學除油

采用北京航空材料研究院的RJ-1型清洗劑，室溫下超聲30～120 s。

1.1.2 丙酮洗

采用丙酮在室溫下超聲清洗10～30 s。

1.1.3 吹砂

采用干式噴砂機，選用80目的白剛玉砂，噴砂壓力約0.4 MPa，噴砂距離約100 mm。

1.1.4 電化學刻蝕

以TC4鈦合金為陽極，鋁片為陰極，在AlCl3-EMIC體系鍍液中以電壓0.4～0.5 V刻蝕20～30 min。

1.1.5 電鍍鋁

鍍液由物質的量比為1∶2的EMIC與AlCl3組成。電沉積在真空手套箱內進行，水含量≤0.8 mg/m3，氧含量≤1.43 mg/m2，氬氣氣氛，室溫，電流密度8 mA/cm2，電鍍60 min可得5～8 μm厚的鋁鍍層。

1.1.6 酒精洗

采用無水乙醇在室溫下超聲清洗至鍍層表面黏性膜層完全褪除。

1.1.7 吹干

采用吹風機冷風吹至鍍層表面干燥。

1.2 疲勞試驗

根據HB 5287-1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗方法》，在長春仟邦QBG-100B型高頻疲勞試驗機上進行疲勞試驗。選擇應力集中系數Kt= 1.0的試樣，要求考核區基材表面粗糙度Ra= 0.8 μm，進行單應力水平循環試驗，應力比R= 0.06，試驗頻率f= 120 Hz。先使用空白試樣進行測試，以獲得令基材疲勞壽命N(指在循環應力或應變作用下試樣疲勞破壞前經受的循環次數)大部分在(1.0～5.0) × 105范圍內的應力水平σ，然后測試不同試樣在該應力水平下的疲勞壽命，每組試驗不少于15個平行試樣。按照HB/Z 112-1986《材料疲勞試驗統計分析方法》對所得數據進行處理，對比處理后試樣與空白試樣中值疲勞壽命N50(指具有50%存活率的疲勞壽命)的改變情況。

2 結果與討論

2.1 300M鋼疲勞試棒

從圖2可知，300M鋼表面鍍鋁層為純白色，均勻、細致。從表1可知，可使300M鋼基材壽命大部分在(1.0～5.0) × 105范圍內的應力水平為1 500 MPa，于是分別選取空白試樣和電鍍鋁試樣測定1 500 MPa應力水平下的疲勞壽命，結果見表2和表3。按照HB/Z 112-1986計算疲勞壽命對數平均值(X)、疲勞壽命對數標準差(S)和變異系數(Cv)，再取誤差限度為5%、置信區間為95%，根據Cv從HB/Z 112-1986附表1查得最少觀測值個數(nmin，即最少平行試樣數)，以判斷對應試驗組的試樣數是否滿足要求，結果見表4。

表1 300M鋼空白試棒疲勞試驗應力水平摸索數據 Table 1 Test data to determine the stress level in fatigue test for blank 300M steel bar

表2 1 500 MPa應力水平下空白300M鋼試棒的疲勞壽命 Table 2 Fatigue life of blank 300M steel bar at a stress of 1 500 MPa

表3 1 500 MPa應力水平下鍍鋁300M鋼試棒的疲勞壽命 Table 3 Fatigue life of aluminum-electroplated 300M steel bar at a stress of 1 500 MPa

表4 空白和鍍鋁300M鋼試棒的X、S和Cv Table 4 X, S, and Cv values of blank and aluminum-electroplated 300M steel bars

圖2 電鍍前(a)、后(b)300M鋼疲勞試棒的照片 Figure 2 Photos of 300M steel bars for fatigue test before (a) and after (b) being electroplated

以空白300M鋼為例先計算Cv，具體如下：

根據空白300M鋼試棒的Cv為0.089 4，從HB/Z 112-1986附表1查得nmin= 15，本實驗試樣數為23，滿足試驗要求，得到空白300M鋼試棒的中值疲勞壽命為163 565。

同理，鍍鋁300M鋼試棒的中值疲勞壽命為170 527。可見，鍍鋁后300M鋼基體的疲勞壽命沒有下降，反而略升，可以認為電鍍鋁工藝不會降低300M鋼基體的疲勞性能。

2.2 TC4鈦合金疲勞試棒

從圖3可知，TC4鈦合金表面鍍鋁層為純白色，外觀均勻、細致。從表5可知，可使TC4鈦合金基材的疲勞壽命大部分在(1.0～5.0) × 105范圍內的應力水平為730 MPa。于是分別選取空白TC4鈦合金和電鍍鋁TC4鈦合金測定730 MPa應力水平下的疲勞壽命，結果見表6和表7。

表5 TC4鈦合金空白試棒疲勞試驗應力水平摸索數據 Table 5 Test data to determine the stress level in fatigue test for TC4 titanium alloy bar

圖3 電鍍前(a)、后(b)TC4鈦合金疲勞試棒照片 Figure 3 Photos of TC4 titanium alloy bars for fatigue test before (a) and after (b) being electroplated

同上，按照HB/Z112-1986對表6和表7數據進行處理，結果列于表8。TC4空白鈦合金試棒的Cv為0.055 4，nmin= 8，本實驗試樣數為15，滿足要求，其中值疲勞壽命為257 040。同理，可得鍍鋁TC4 鈦合金試棒的中值疲勞壽命為955 844。可見，鍍鋁后TC4鈦合金基體的疲勞壽命非但沒有下降，反而大幅上升，可以認為電鍍鋁工藝不會降低TC4鈦合金基體的疲勞性能。

表6 730 MPa應力水平下空白TC4鈦合金試棒的疲勞壽命 Table 6 Fatigue life of blank TC4 titanium alloy bar at a stress of 730 MPa

表7 730 MPa應力水平下鍍鋁TC4鈦合金試棒的疲勞壽命 Table 7 Fatigue life of aluminum-electroplated TC4 titanium alloy bar at a stress of 730 MPa

表8 空白和鍍鋁TC4鈦合金試棒的X、S和Cv Table 8 X, S and Cv of blank and aluminum-electroplated TC4 titanium alloy bar

3 結論

通過研究結果可知，電鍍鋁后300M鋼的中值疲勞壽命從163 565略微升至170 527；TC4鈦合金的中值疲勞壽命從257 040增長為955 844，說明電鍍鋁工藝不會降低300M鋼和TC4鈦合金的疲勞性能。