溫度對鋁鋰合金陽極氧化膜性能的影響分析

凌付平

（江蘇航運職業技術學院教務處金工實訓中心 江蘇 南通 226010）

0 引言

近幾年，隨著科技發展，鋁鋰合金的應用越來越廣泛。事實上，鋁鋰合金的研究分為多個階段，第一階段為起步階段，生成的鋁鋰合金塑性差、不耐熱，無法有效地應用在相關領域[1-2]；第二階段為發展階段，此階段生成的鋁鋰合金盡管仍存在許多問題，但相對于第一階段已經略有改善；第三階段為大規模應用階段，這一階段生成的鋁鋰合金解決了大部分性能問題，腐蝕性、焊接性均較穩定，因此開始在航天、醫療中得到廣泛的應用[3]。

盡管目前生產的鋁鋰合金質量較高，但受其制備方法影響，極容易出現腐蝕問題，為了提高鋁鋰合金的穩定性，工業中對其進行陽極氧化處理，即使用多種陽極氧化液生成鋁鋰合金陽極氧化膜。這些鋁鋰合金陽極氧化膜的腐蝕性較低，性能穩定，但在氧化過程中會釋放大量熱，增加電解質溫度，影響陽極氧化膜性能，易造成疏松、粉化等不良現象，為了延長鋁鋰合金的使用壽命，提高其綜合性能，避免其受熱運動影響[4-6]。本文結合鋁鋰合金氧化膜特性，分析了溫度對鋁鋰合金氧化膜性能的影響。

1 實驗材料及準備

本文選取LY12 鋁鋰合金軋板作為實驗材料，該軋板的尺寸為50 mm×60 mm×2 mm，熱處理等級為中級，為了降低強度對性能分析實驗造成的影響，該鋁鋰合金軋板中還添加了適量的抗腐蝕性Cr 離子[7-9]。實驗陰極材料選取經過處理的鉛板，氧化槽液由濃硫酸、添加劑組成，為了提高實驗的分析效果，本文搭建了實驗使用的氧化裝置，如下圖1所示。

圖1 實驗氧化裝置

由圖1可知，該氧化裝置是根據WD20-500 連接的，其包括參數控制裝置、冷卻裝置、氧化電源、計算機等，計算機可以不斷采集來自氧化電源的實驗數據，并進行制冷、輔助攪拌，提高氧化裝置的氧化效率，有效地進行氧化冷卻。

為了深入分析溫度對鋁鋰合金陽極氧化膜的影響，本文還選取了FEIfib-sem 雙束掃描電鏡、JX2000 顯微圖像分析儀、XJP 計算機圖像顯示儀、EDS 能量檢測儀、覆蓋測厚儀等，儀器選取完畢后，可以進一步制備鋁鋰合金陽極氧化膜。首先需要將選取的鋁鋰合金加工成小塊，進行堿洗、出光、清水沖洗前處理，獲取溫度梯度，其次使用去離子水進行水洗，再根據制備需求進行工藝參數氧化，最后再使用熱水進行封孔，檢測制備的鋁鋰合金陽極氧化膜的膜層，從而完成陽極氧化膜制備[10]。制備完畢后，使用線切割機床對制備完畢的試樣進行切割、打磨，去除多余的部分，清洗掉灰狀附著物，從而得到標準的性能分析材料。

2 實驗過程

首先使用批量氧化法，調節實驗電流，針對鋁合金陽極進行氧化操作，其次使用溫度梯度法，對制備的陽極氧化膜進行性能檢測，從外觀、膜厚、硬度等方面對其性能進行了深入分析。

在鋁鋰合金氧化初期，首先需要設置合理的電流密度，在一般情況下，初始的電流密度應小于0.5 A/dm2，為了提高氧化的穩定性，本實驗使用批量氧化法適當調節實驗電流密度，即選取一段時間，多次針對電流密度進行調節，直至電流密度與實驗所需電流密度相等。此時可以立即開始氧化，設置陰陽極電壓差在實驗過程中，需要注意電流電壓變化問題，最大程度上避免實驗材料溶解。一旦出現了局部溶解，需要立即停止氧化，調節實驗參數，更換實驗試件，避免其對最終實驗結果造成不利影響。結合上述的實驗過程，可以測量抽取試樣的參數，為了降低實驗的隨機性，本文共抽取了10 個初始試樣進行密度比重檢測，相關的工藝參數如下表1所示。

表1 實驗工藝參數

結合表1的工藝參數，配制氧化液，使用膠頭滴管采集濃度為98%的工業濃硫酸，并使用燒杯稱量蒸餾水，接下來將98%的工業濃硫酸放置到蒸餾水中，再添加封孔液封孔，為后續的實驗作基礎。

3 實驗結果

首先分析溫度對氧化膜均勻性的影響，即使用溫度梯度法采集不同溫度下鋁鋰合金陽極氧化膜表面的均勻性變化示意圖，并使用JX2000 顯微圖像分析儀記錄，各個溫度下的鋁鋰合金陽極氧化膜均勻度示意圖如下圖2所示。

圖2 鋁鋰合金陽極氧化膜均勻度示意圖

由圖2可知，生成的a、b、c 顯微圖像的氧化溫度均為-3 ℃，a 圖像的電流密度為4 A/dm2，b 圖像的電流密度為6 A/dm2，c 圖像的電流密度為8 A/dm2；生成的d、e、f 顯微圖像的氧化溫度均為2 ℃，d 圖像的電流密度為4 A/dm2，e 圖像的電流密度為6 A/dm2，f 圖像的電流密度為8 A/dm2。由上述圖像可以看出，在電流密度相等的情況下，氧化溫度越低的a、b、c 圖像顯示的鋁鋰合金陽極氧化膜整體顏色更深，膜分布更均勻；而氧化溫度相對較高的d、e、f 圖像顯示的鋁鋰合金陽極氧化膜整體顏色更淺，存在部分分布不均勻區域，證明隨著溫度的升高，鋁鋰合金陽極氧化膜的均勻性會逐漸下降。

結合上述的實驗結果，可以進一步針對鋁鋰合金陽極氧化膜進行分析，即分別在不同溫度下制備鋁鋰合金陽極氧化膜，并分析不同溫度下，鋁鋰合金陽極氧化膜的厚度變化關系，如下表2所示。

表2 溫度-鋁鋰合金陽極氧化膜厚度關系表

由表2可知，在鋁鋰合金陽極氧化膜制備的過程中，需要始終保持其電流密度在6 A/dm2范圍內。上述制備方法均使用溫度梯度法進行制備，各個試樣的原始氧化膜厚度為5 μm。制備結果表明，當溫度由5 ℃下降至0 ℃時，鋁鋰合金陽極氧化膜厚度由65.25 μm 下降至45.52 μm；當溫度由0 ℃下降至-5 ℃時，鋁鋰合金陽極氧化膜厚度由45.52 μm 下降至21.41 μm，此時鋁鋰合金陽極氧化膜的厚度變化顯著，隨溫度下降而顯著下降。當溫度由10 ℃下降至6 ℃時，鋁鋰合金陽極氧化膜制備的厚度由90.87 μm下降至71.74 μm，下降速度相對較緩慢，而溫度由-6 ℃下降至-11 ℃時，鋁鋰合金陽極氧化膜制備的厚度由19.14 μm 下降至14.12 μm，下降速度進一步變緩，證明隨著溫度的增加，制備的鋁鋰合金陽極氧化膜越來越厚，性能逐漸下降，隨著溫度的下降，制備的鋁鋰合金陽極氧化膜越來越薄，性能逐漸提升，但溫度過低或過高時，兩者的受影響變化程度都相對下降。

本實驗進一步分析溫度對鋁鋰合金陽極氧化膜電流密度的影響，使用FEIfib-sem 雙束掃描電鏡、EDS 能量檢測儀檢測在不同溫度下鋁鋰合金陽極氧化膜電流密度，檢測結果如下表3所示。

表3 溫度-電流密度關系

由表3可知，當溫度為-10 ℃時鋁鋰合金陽極氧化膜的電流密度最高，為10.99 dm2，當溫度為9 ℃時鋁鋰合金陽極氧化膜的電流密度最低，為2.39 dm2。當溫度由-10 ℃升高至5 ℃時，電流密度逐漸下降，但總體下降幅度較小，每隔1 ℃的溫差，電流密度的差值低于1 A/dm2。當溫度由6 ℃升高至9 ℃時，電流密度也在不斷下降，整體下降幅度較高，每隔1 ℃的溫差，電流密度的差值高于1 A/dm2。上述實驗結果表明，隨著溫度的升高，鋁鋰合金陽極氧化膜的電流密度逐漸下降，相關的氧化性能逐漸降低，且溫度越高，電流密度的變化幅度越大，鋁鋰合金陽極氧化膜的性能改變越明顯。

為了深入分析硬度對鋁鋰合金氧化膜性能的影響，首先需要選取一個合適的氧化膜制備方法，即分別使用常規氧化膜制備法和溫度梯度氧化膜制備法制備鋁鋰合金陽極氧化膜，兩種方法的制備厚度如下圖3所示。

圖3 制備性能對比圖

由圖3可知，本實驗要求鋁鋰合金陽極氧化膜的厚度在30 μm～45 μm 之間，因此，使用溫度梯度法制備的鋁鋰合金陽極氧化膜更符合本實驗需求。

使用溫度梯度法制備出厚度為35 μm 的鋁鋰合金陽極氧化膜，此時需要保證電流密度恒定，冷卻液溫差及氧化液溫差對鋁鋰合金陽極氧化膜硬度的影響關系如下表4所示。

表4 溫差-硬度影響關系

由表4可知，氧化液溫度越高，其硬度越大，變化程度相對穩定，鋁鋰合金陽極氧化膜硬度的性能也越來越好。

最后分析了溫度對鋁鋰合金陽極氧化膜微觀形貌的影響，在相同氧化時間下，調整陽極氧化膜的氧化溫度，使用XJP 計算機圖像顯示儀顯示其生成的微觀形貌圖像，如下圖4所示。

圖4 溫度－微觀形貌關系

由圖4可知，隨著氧化溫度的升高圖像的微觀形貌越來越復雜，證明鋁鋰合金陽極氧化膜的微觀性能隨溫度的升高而逐漸下降。

4 結語

綜上所述，鋁鋰合金是一種新型復合金屬材料，其主要由鋁金屬和鋰離子組成，延展性較高，強度適宜，為了提高其耐腐蝕性，在其表面生成了陽極氧化膜，該氧化膜易受溫度影響變形。為了進一步提高鋁鋰合金的性能，保證其使用穩定性，本文研究了鋁鋰合金陽極氧化膜的性能，并從均勻度、厚度、電流密度等方面分析了溫度對其性能的影響，為后續鋁鋰合金的優化制備作出了一定的貢獻。