高 文，高 崇，劉 成，汪 磊，溫慶紅

（1.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京102209；2.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

鋁及鋁合金具有密度低、塑性高、導(dǎo)電好、耐腐蝕以及易回收等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化后可廣泛應(yīng)用于裝飾、腐蝕防護(hù)、電絕緣、建筑等領(lǐng)域[1]。按其作用，陽(yáng)極氧化可分為光亮陽(yáng)極氧化、裝飾性陽(yáng)極氧化、防護(hù)性陽(yáng)極氧化等[2]。完成陽(yáng)極氧化后的鋁或鋁合金可能出現(xiàn)一定的外觀缺陷，造成局部的顏色差異，從而影響合金的正常使用，如氧化泛黃、氧化膜乳白、彩虹、著色不均、色澤灰暗等[3-8]。

7075 合金即Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金，具有強(qiáng)度高、加工及焊接性能良好等突出優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、建筑、橋梁、車(chē)輛及火箭等[9]。國(guó)內(nèi)的研究從20 世紀(jì)80年代初開(kāi)始對(duì)這一系列的鋁合金進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，目前已被用于制造各種航空器結(jié)構(gòu)件。在客機(jī)座椅用7075 合金厚板生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)在陽(yáng)極氧化后其截面出現(xiàn)了較為明顯的色差，影響了后期使用。一般影響鋁合金陽(yáng)極氧化后表面顏色差異的因素包括鋁合金材料自身特性以及陽(yáng)極氧化膜狀態(tài)等[2]。目前已知的影響因素包括鋁合金材料因素如區(qū)域偏析、第二相分布、織構(gòu)分布以及陽(yáng)極氧化膜特性如孔隙率、孔尺寸、生長(zhǎng)速度等[10，11]。其中陽(yáng)極氧化膜狀態(tài)與陽(yáng)極氧化工藝密切相關(guān)，主要包括陽(yáng)極氧化電解液組成、電流密度、電壓及氧化時(shí)間等。

7075 鋁合金厚板截面陽(yáng)極氧化后出現(xiàn)明顯色差，具體表現(xiàn)為中心區(qū)域亮線。為此，本文分析了7075 合金厚板截面陽(yáng)極氧化處理后色差產(chǎn)生的原因，在不調(diào)整鋁合金材料狀態(tài)的情況下，著重分析了調(diào)整陽(yáng)極氧化電流密度對(duì)7075 合金厚板截面陽(yáng)極氧化膜結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)速度、外觀以及色差等的影響，為解決該技術(shù)問(wèn)題提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料及陽(yáng)極氧化膜制備

所用7075 鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為Si≤0.4，F(xiàn)e≤0.5，Cu=1.2～2.0，Mn≤0.3，Mg=2.1～2.9，Cr0.15～0.25，Zn=5.1～6.1，Ti≤0.2，余 量 為Al。試驗(yàn)用7075 鋁合金26 mm 厚板的加工工序?yàn)椋轰X合金鑄錠銑面→鑄錠均熱（470 ℃/20 h）→熱軋（熱軋初始溫度390～430 ℃，熱軋終止溫度360～390 ℃，每道次壓下率20%～25%，經(jīng)共20 道次軋制后板材由400 mm 厚軋至26 mm 厚）→固溶處理（475 ℃保溫80 min后淬水）→預(yù)拉伸→時(shí)效處理（125 ℃保溫15 h）→探傷→樣品鋸切。試驗(yàn)所用樣品為厚板截面鋸切樣品，樣品尺寸為26 mm×20 mm×10 mm，其中26 mm 邊長(zhǎng)側(cè)面為7075合金厚板截面，見(jiàn)圖1。

圖1 7075厚板合金取樣示意圖

陽(yáng)極氧化采用直流硫酸陽(yáng)極氧化，電解液采用150 g/L H2SO4溶液，陽(yáng)極氧化過(guò)程中將電解液溫度控制在28～30 ℃范圍內(nèi)。采用HY3020B型直流穩(wěn)壓電源，電流密度依次控制為1.4、2.8、4.2 A/dm2，氧化時(shí)間依次為15 min、7 min、4 min，并記錄反應(yīng)過(guò)程中的穩(wěn)定電壓。

1.2 性能測(cè)試及組織觀察

采用Fisher FMP30渦流測(cè)厚儀測(cè)試樣品表面氧化層厚度，采用SPECTROLAB LAVM11 火花直讀光譜儀測(cè)試7075 合金截面的化學(xué)元素分布，采用YS3060 高精度分光測(cè)色儀測(cè)試陽(yáng)極氧化后7075鋁合金厚板截面不同位置的色空間坐標(biāo)，包括明度L*以及彩度a*、b*值，共測(cè)試5 個(gè)位置，具體位置選擇如圖1 所示。色空間坐標(biāo)Lab 值采用CIE 標(biāo)準(zhǔn)照明體D65 和10°標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者計(jì)算條件進(jìn)行計(jì)算。光柵直徑大小為8 mm，計(jì)算任意兩個(gè)位置之間的色差，色差計(jì)算公式為各點(diǎn)之間色差最大值用于表示整個(gè)樣品的最大色差。

采用SU8010 型冷場(chǎng)發(fā)射電鏡對(duì)陽(yáng)極氧化形貌進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)為20000～200000 倍。采用Image Pro-Plus 軟件對(duì)氧化膜微觀形貌圖片進(jìn)行處理分析，測(cè)試氧化膜表面20 個(gè)微孔直徑，然后計(jì)算其平均值。

2 結(jié)果及分析

2.1 電流密度對(duì)氧化膜生長(zhǎng)的影響

不同電流密度下7075 合金陽(yáng)極氧化試驗(yàn)參數(shù)及膜厚數(shù)值如表1所示。隨著電流密度的提高，陽(yáng)極氧化過(guò)程中的電壓值也逐漸增大，但并未與電流密度的增加呈比例關(guān)系。陽(yáng)極氧化膜的生長(zhǎng)速度也隨著電流密度的提高而逐漸增大，電流密度變?yōu)? 倍時(shí)，氧化膜平均生長(zhǎng)速度變?yōu)?.5 倍，電流密度變?yōu)?倍時(shí)，氧化膜平均生長(zhǎng)速度變?yōu)?.7倍。

表1 不同電流密度下7075合金陽(yáng)極氧化試驗(yàn)參數(shù)及膜厚

2.2 電流密度對(duì)截面外觀的影響

采用不同電流密度進(jìn)行陽(yáng)極氧化后的7075 合金26 mm厚板截面宏觀外觀形貌如圖2所示。電流密度為1.4 A/dm2時(shí)，截面中心區(qū)域出現(xiàn)明顯的亮線，而遠(yuǎn)離截面中心區(qū)域的邊緣區(qū)域整體呈偏白的顏色。隨著電流密度的提高，截面中心區(qū)域的亮線變得逐漸不明顯，在電流密度為2.8 A/dm2時(shí)已經(jīng)基本不可見(jiàn)，而當(dāng)電流密度為4.2 A/dm2時(shí)已無(wú)法用肉眼分辨，此時(shí)經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化的截面整體呈現(xiàn)金屬光澤。

圖2 不同電流密度進(jìn)行陽(yáng)極氧化的7075鋁合金26 mm厚板截面宏觀形貌

對(duì)未進(jìn)行陽(yáng)極氧化的樣品邊部至中心區(qū)域的位置（如圖1中標(biāo)注的①、②、③位置）進(jìn)行化學(xué)元素分析，結(jié)果如表2 所示。從表2 結(jié)果可知，靠近邊部的①、②位置元素較為接近，位于截面中心的③位置的Zn、Cu、Mg、Fe、Si 等元素的含量均低于①、②位置。由此可見(jiàn)，低電流密度下（1.4 A/dm2）7075 合金表面出現(xiàn)的中間心部區(qū)域亮線與7075 厚板的合金元素分布有關(guān)，這種元素的不均勻分布與7075 合金自身的元素組成配比以及制造工藝有關(guān)。7075合金含有較高的Zn、Cu、Mg含量，其厚板在軋制、固溶處理過(guò)程中各位置冷速不一致，元素的析出速度不同，最終導(dǎo)致了元素沿截面的不均勻分布。

表2 7075合金截面不同位置元素的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表3 7050鋁合金厚板截面各位置色空間坐標(biāo)

2.3 電流密度對(duì)厚板截面色差的影響

不同電流密度進(jìn)行陽(yáng)極氧化的7075 鋁合金26 mm 厚板截面各位置色空間坐標(biāo)如表3 所示，其中每個(gè)樣品測(cè)量的5 組數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)樣品中①～⑤位置。隨著電流密度的逐漸增大，色空間坐標(biāo)中明度值L*整體略有下降。各樣品明度值均表現(xiàn)為中心區(qū)域（位置③）偏小，邊緣位置偏大（位置①、⑤）。色空間坐標(biāo)中彩度值b*隨陽(yáng)極氧化電流密度的增大而逐漸增大，電流密度為1.4 A/dm2時(shí)，明度值b*為3左右，電流密度為4.2 A/dm2時(shí)，彩度值b*增大至5左右。色空間坐標(biāo)中彩度值a*隨電流密度的變化不明顯。

各樣品截面的最大色差（△Emax）、明度差（△lmax）隨陽(yáng)極氧化電流密度的變化趨勢(shì)如圖3 所示。隨著電流密度的提高，整個(gè)樣品上的明度變化（以各位置明度差值的最大值表示）逐漸減小，從電流密度為1.4 A/dm2時(shí)的最大1.52，減小至4.2 A/dm2時(shí)的0.87。整個(gè)樣品的最大色差值隨著電流密度的增加逐漸減小，電流密度為1.4 A/dm2時(shí)為1.28，電流密度為4.2 A/dm2時(shí)為0.70。

圖3 不同電流密度進(jìn)行陽(yáng)極氧化的7075截面表面最大色差（△Emax）及明度差（△lmax）

2.4 電流密度對(duì)厚板截面微觀形貌的影響

不同電流密度下進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理后的7075鋁合金26 mm 厚板不同位置的微觀形貌如圖4 所示。在放大20000倍（左側(cè)）的照片中，可見(jiàn)各電流密度下處理的陽(yáng)極氧化膜表面均存在一定數(shù)量的微坑，電流密度對(duì)陽(yáng)極氧化膜中的微坑影響較小。在放大至200000倍（右側(cè)）圖片中可見(jiàn)，在電流密度為1.4 A/dm2及2.8 A/dm2時(shí)，陽(yáng)極氧化膜多孔層部分相鄰的孔相連，形成較大坑洞；電流密度為4.2 A/dm2時(shí)，陽(yáng)極氧化膜表面的多孔均較為獨(dú)立有序，未出現(xiàn)較大的坑洞，氧化膜成膜質(zhì)量明顯提高。

對(duì)不同電流密度下制備的氧化膜微觀形貌圖片進(jìn)行處理分析，分別計(jì)算邊部和心部的陽(yáng)極氧化膜多孔層的孔徑尺寸，其結(jié)果如表4 所示。由表4 可見(jiàn)電流密度對(duì)7075 合金厚板不同位置陽(yáng)極氧化后孔徑尺寸的影響不大，不同電流密度下截面心部及邊部的孔徑均在18～20 nm這個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)。

3 結(jié)論

（1）7075 合金厚板截面按照常規(guī)陽(yáng)極氧化工藝處理（電流密度1.4 A/dm2）后中心區(qū)域存在亮線，這與其截面元素不均勻分布有關(guān)，厚板截面中心區(qū)域中的Zn、Cu、Mg 等合金元素均低于靠近邊部區(qū)域。

（2）隨著陽(yáng)極氧化電流密度的增大（1.4～4.2 A/dm2），7075 合金陽(yáng)極氧化膜平均生長(zhǎng)速度逐漸加快，氧化膜平均生長(zhǎng)速度由0.67 μm/min 增大至2.50 μm/min，7075 合金厚板截面中心亮線逐漸消失，樣品表面最大色差△E逐漸減小，由1.28降至0.70。

（3）隨著陽(yáng)極氧化電流密度的增大（1.4～4.2 A/dm2），氧化膜質(zhì)量提高，坑洞缺陷明顯減少。陽(yáng)極氧化電流密度對(duì)7075 合金陽(yáng)極氧化膜孔徑尺寸影響不大，各電流密度下陽(yáng)極氧化膜孔徑尺寸均在18～20 nm之間。