電力設(shè)備材料酒石酸陽(yáng)極氧化及其腐蝕行為研究

王臻卓

（1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000；2. 太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024）

2A12鋁合金屬于硬鋁合金的范疇，其綜合性能良好，在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，可以用于制造電力金具、殼體等電力設(shè)備及其附件［1-2］。由于這類附件多數(shù)是直接暴露在外，長(zhǎng)期經(jīng)受大氣中水分子和腐蝕性離子的侵蝕，容易發(fā)生腐蝕破壞而導(dǎo)致使用壽命縮短。為此，在不改變2A12鋁合金成分和織構(gòu)的前提下，通過表面處理來提高其耐腐蝕性能具有重要意義。

陽(yáng)極氧化是鋁合金常用的表面處理手段，生成的特殊結(jié)構(gòu)陽(yáng)極氧化膜可以有效提高鋁合金表面耐腐蝕性能。酒石酸陽(yáng)極氧化是近年來開發(fā)的一種環(huán)保型陽(yáng)極氧化工藝，已經(jīng)在航空、鐵路等行業(yè)中成功應(yīng)用而且具有很好的應(yīng)用前景。目前有較多關(guān)于酒石酸陽(yáng)極氧化工藝參數(shù)優(yōu)化、陽(yáng)極氧化膜性能（如耐腐蝕性能、硬度等）表征的報(bào)道［3-8］，而在陽(yáng)極氧化膜的腐蝕行為方面的報(bào)道還很少。出于環(huán)保和性能的綜合考慮，筆者對(duì)電力設(shè)備常用的2A12鋁合金進(jìn)行酒石酸陽(yáng)極氧化，并研究陽(yáng)極氧化膜的腐蝕行為，這對(duì)于保障電力設(shè)備可靠運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 酒石酸陽(yáng)極氧化

選用50 mm×22 mm×1 mm 的2A12 鋁合金作基體進(jìn)行酒石酸陽(yáng)極氧化，電解液成分為：酒石酸85 g/L、濃硫酸20 mL/L，工藝條件為：溫度40 ℃、電流密度2 A/dm2、氧化時(shí)間60 min。酒石酸陽(yáng)極氧化膜的工藝流程為：基體拋光→無水乙醇中超聲清洗→堿洗→水洗→酸洗→水洗→酒石酸陽(yáng)極氧化→水洗→吹干。堿洗使用預(yù)熱至60 ℃、50 g/L 的氫氧化鈉溶液，酸洗使用體積分?jǐn)?shù)25 %的硝酸溶液，水洗使用常溫蒸餾水。

1.2 表征及測(cè)試

選用3.5 % NaCl 溶液作腐蝕介質(zhì)，采用Ρarstat 2273 型電化學(xué)工作站測(cè)試陽(yáng)極氧化膜的阻抗譜，三電極體系為：飽和甘汞電極（參比電極）、鉑電極（輔助電極）、陽(yáng)極氧化膜試樣（工作電極）。掃描頻率區(qū)間10-2～105Hz，施加10 mV 正弦波激勵(lì)信號(hào)，并采用ZSimpWin和Origin軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

同樣選用3.5% NaCl 溶液作腐蝕介質(zhì)，在室溫下浸泡不同時(shí)間后，采用S-4800 型掃描電子顯微鏡觀察陽(yáng)極氧化膜的腐蝕形貌，并采用AB204-S 型分析天平稱量陽(yáng)極氧化膜的腐蝕失重。另外，將腐蝕形貌圖像導(dǎo)入Image J軟件中提取腐蝕特征，并計(jì)算腐蝕坑面積百分比。

2 結(jié)果與討論

2.1 陽(yáng)極氧化膜的腐蝕形貌

圖1 為陽(yáng)極氧化膜在3.5%NaCl 溶液中浸泡不同時(shí)間的腐蝕形貌?？梢娢唇莸年?yáng)極氧化膜分布著納米量級(jí)的孔洞陣列，大小基本一致，除此之外表面相對(duì)平整。浸泡72 h 后，陽(yáng)極氧化膜局部出現(xiàn)了孔洞擴(kuò)展連通形成接近于微米量級(jí)的凹坑，還出現(xiàn)了顆粒狀腐蝕產(chǎn)物。隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，陽(yáng)極氧化膜表面出現(xiàn)了更大更深的凹坑，凹坑數(shù)量和腐蝕產(chǎn)物明顯增多，腐蝕程度逐漸加重。當(dāng)浸泡超過168 h，陽(yáng)極氧化膜表面除了孔洞和凹坑，還出現(xiàn)了白色顆粒，這是氯化鈉結(jié)晶析出的白色晶體。當(dāng)浸泡336 h，陽(yáng)極氧化膜出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，形成了交錯(cuò)分布、很深的縫隙，這是由于孔洞和凹坑不斷向周圍擴(kuò)展同時(shí)加深。此時(shí)陽(yáng)極氧化膜腐蝕很嚴(yán)重，對(duì)腐蝕介質(zhì)的阻隔效果以及對(duì)基體的保護(hù)作用大幅度下降。

圖1 陽(yáng)極氧化膜在3.5%NaCl溶液中浸泡不同時(shí)間的腐蝕形貌Fig.1 Corrosion morphology of anodic oxide film immersed in 3.5%NaCl solution for different time

圖2 為陽(yáng)極氧化膜表面的孔洞、凹坑和縫隙分布，圖中紅色填充區(qū)域是孔洞、凹坑和縫隙。從圖2中看出，未浸泡的陽(yáng)極氧化膜紅色填充區(qū)域的面積很小，這是由于未浸泡的陽(yáng)極氧化膜表面只有納米量級(jí)的孔洞，而沒有接近于微米量級(jí)的凹坑。浸泡72 h后，紅色填充區(qū)域的面積擴(kuò)大，這是由于腐蝕導(dǎo)致納米量級(jí)的孔洞擴(kuò)展連通形成微米量級(jí)的凹坑。隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，紅色填充區(qū)域的面積繼續(xù)擴(kuò)大，這是由于腐蝕程度逐漸加重形成較多凹坑甚至縫隙，并且凹坑尺寸增大。

圖2 陽(yáng)極氧化膜表面的孔洞、凹坑和縫隙分布Fig.2 Distribution of holes，pits and cracks on the surface of anodic oxide film

圖3 為陽(yáng)極氧化膜的腐蝕坑面積百分比。從圖3 中看出，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，腐蝕坑面積百分比呈增大的趨勢(shì)，說明陽(yáng)極氧化膜的腐蝕程度逐漸加重。當(dāng)浸泡336 h，腐蝕坑面積百分比接近40%，證實(shí)了此時(shí)陽(yáng)極氧化膜腐蝕很嚴(yán)重。

圖3 陽(yáng)極氧化膜的腐蝕坑面積百分比Fig.3 Percentage of corrosion pit area of anodic oxide film

2.2 陽(yáng)極氧化膜的阻抗譜

圖4 為陽(yáng)極氧化膜在3.5%NaCl 溶液中浸泡不同時(shí)間的阻抗譜。從圖4 中看出，陽(yáng)極氧化膜的阻抗模值（|Z|）在整個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)呈逐漸減小的趨勢(shì)。以頻率為10-2Hz 對(duì)應(yīng)的阻抗模值（|Z|0.01Hz）為例，未浸泡的陽(yáng)極氧化膜|Z|0.01Hz為103.0 kΩ·cm2。浸泡72 h 后|Z|0.01Hz相比于未浸泡時(shí)降低了約1 個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖5所示。浸泡168 h后進(jìn)一步降低了約1個(gè)數(shù)量級(jí)，說明隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)陽(yáng)極氧化膜的結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致耐腐蝕性能出現(xiàn)明顯的下降。當(dāng)浸泡240 h 后，|Z|0.01Hz降低到 1.1 kΩ·cm2左右。隨著浸泡時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)到336 h，|Z|0.01Hz維持在 1.1 kΩ·cm2左右基本不變，此時(shí)陽(yáng)極氧化膜對(duì)腐蝕介質(zhì)的阻隔能力很弱，無法有效地保護(hù)基體，這與陽(yáng)極氧化膜的腐蝕形貌分析結(jié)果一致。

圖4 陽(yáng)極氧化膜在3.5 % NaCl 溶液中浸泡不同時(shí)間的阻抗譜Fig.4 Impedance spectroscopy of anodic oxide film immersed in 3.5%NaCl solution for different time

圖5 在3.5 % NaCl 溶液中浸泡不同時(shí)間陽(yáng)極氧化膜的|Z|0.01 Hz變化趨勢(shì)Fig.5 Variation tendency of|Z|0.01Hzof anodic oxide film immersed in 3.5%NaCl solution for different time

2.3 陽(yáng)極氧化膜的腐蝕失重

圖6 為陽(yáng)極氧化膜在3.5%NaCl 溶液中浸泡不同時(shí)間的腐蝕失重。從圖6 中看出，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，陽(yáng)極氧化膜的腐蝕失重呈增加的趨勢(shì)，這是由于陽(yáng)極氧化膜的腐蝕形式發(fā)生明顯的變化，從初期的局部腐蝕轉(zhuǎn)變成中后期的全面腐蝕，相應(yīng)的腐蝕產(chǎn)物從彌散分布逐漸擴(kuò)大覆蓋面積。腐蝕產(chǎn)物的增多也會(huì)促進(jìn)腐蝕介質(zhì)的滲透擴(kuò)散，在一定程度上加速陽(yáng)極氧化膜的腐蝕進(jìn)程。

圖6 陽(yáng)極氧化膜在3.5 % NaCl 溶液中浸泡不同時(shí)間的腐蝕失重Fig.6 Corrosion weight loss of anodic oxide film immersed in 3.5%NaCl solution for different time

研究表明，陽(yáng)極氧化膜具有特殊結(jié)構(gòu)（底層為阻擋層、上層為多孔層），致使腐蝕介質(zhì)滲透擴(kuò)散受到較大的阻力［9-12］。雖然腐蝕介質(zhì)很容易進(jìn)入多孔層中積存，但致密的阻擋層能有效阻止腐蝕介質(zhì)進(jìn)一步滲透擴(kuò)散，因此在一定時(shí)間內(nèi)陽(yáng)極氧化膜的腐蝕程度較輕，腐蝕失重較低。但隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，由于持續(xù)的遭受腐蝕導(dǎo)致阻擋層對(duì)腐蝕介質(zhì)的阻隔能力減弱，逐漸被破壞，從而表現(xiàn)為陽(yáng)極氧化膜的腐蝕程度加重，腐蝕失重較高。

3 結(jié)論

（1）在3.5 % NaCl 溶液中浸泡時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致陽(yáng)極氧化膜的形貌發(fā)生顯著變化，腐蝕形式從局部腐蝕逐步轉(zhuǎn)變成全面腐蝕，表面納米量級(jí)的孔洞陣列逐步擴(kuò)展形成接近于微米量級(jí)的凹坑甚至縫隙，腐蝕坑面積百分比呈增大的趨勢(shì)，腐蝕失重也明顯增加。

（2）未浸泡的陽(yáng)極氧化膜阻抗模值（|Z|0.01Hz）處在105數(shù)量級(jí)，浸泡72 h、168 h 后分別降低到104數(shù)量級(jí)、103數(shù)量級(jí)。但隨著浸泡時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)|Z|0.01Hz基本不變，陽(yáng)極氧化膜對(duì)腐蝕介質(zhì)的阻隔能力很弱，無法有效的保護(hù)基體。