李英東，王立娟，趙丕植，馮瑩娟，曹海龍

(中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102200)

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，在航空航天、軌道交通、汽車工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是近年來新能源汽車的蓬勃發(fā)展，鋁合金作為一種可回收的輕量化材料正逐步由裝飾性的輔助材料轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕慕Y(jié)構(gòu)材料，從而實現(xiàn)整車的輕量化[1]。鋁合金的連接技術(shù)對于其應(yīng)用來講至關(guān)重要，鋁合金本身的焊接性能比較差，而如使用鉚接和螺栓連接，連接結(jié)構(gòu)比較笨重，而且會產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。相比之下，結(jié)構(gòu)膠接工藝簡單，成本低，應(yīng)力集中小，很適合用于鋁合金結(jié)構(gòu)件的連接[2]。

膠接接頭的表面處理方式會對膠接后的斷裂強(qiáng)度產(chǎn)生很大影響。對于鋁合金，陽極氧化處理是目前應(yīng)用最為廣泛的表面處理方式，一方面可以增加基材的耐腐蝕性，另一方面可以有效提升膠接強(qiáng)度。目前，陽極氧化技術(shù)作為膠接接頭的預(yù)處理方式已經(jīng)有所研究與應(yīng)用[3]。從目前的文獻(xiàn)調(diào)研來看，陽極氧化過程的時間、電壓等參數(shù)對膠接強(qiáng)度影響較小[4]，而板材的表面形貌、力學(xué)性能和幾何參數(shù)等會對膠接性能造成較為明顯的影響[5]?；诖?，本試驗研究了陽極氧化處理后汽車用5754鋁合金板材的膠接性能，重點考察了陽極氧化工藝、氧化膜的表面形貌、板材力學(xué)性能等對膠接強(qiáng)度的影響規(guī)律，從而為鋁合金在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗過程

試驗材料為西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司生產(chǎn)的5754鋁合金板材，化學(xué)成分如表1所示，材料力學(xué)性能如表2所示。

表1 5754鋁合金板材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 5754 Al alloy sheet(wt/%)

表2 5754鋁合金板材的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 5754 Al alloy sheet

陽極氧化所用試樣尺寸為125 mm×80 mm×2 mm，工藝流程如圖1所示。其中，堿蝕溶液為60 g/L～100 g/L的NaOH，溫度68 ℃～72 ℃，時間2 min～10 min；陽極氧化溶液為180 g/L的H2SO4，溫度17 ℃～19 ℃，電流密度1.4 A/dm2～1.6 A/dm2，時間10 min～20 min；封閉方式包括高溫純水封閉和含封閉劑的高溫封閉(封閉劑濃度2 g/L)。陽極氧化后采用JSM-IT300型掃描電鏡對陽極氧化后的表面形貌進(jìn)行觀察。

圖1 陽極氧化工藝流程Fig.1 Anodizing process

膠接所用膠黏劑為陶氏化學(xué)公司生產(chǎn)的Dow Betamate 4600F高溫固化膠黏劑，采用單搭接方式進(jìn)行膠接，膠接區(qū)域為80 mm×20 mm，如圖2所示。采用φ0.2 mm的玻璃珠控制膠層厚度，將板材搭接對粘，用燕尾夾固定后放入烘箱中180 ℃烘烤30 min，取出冷卻至室溫。采用MTS Model C64100kN伺服萬能試驗機(jī)以10 mm/min的速率進(jìn)行加載對膠接試樣進(jìn)行拉伸，記錄拉伸曲線。

圖2 膠接方式和接頭尺寸Fig.2 Bonding method and the joint size

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 氧化膜結(jié)構(gòu)對膠接性能的影響

圖3為5754-H22鋁合金板試樣經(jīng)過陽極氧化和封閉處理后氧化膜的表面形貌。由圖3a顯示，當(dāng)采用高溫純水封閉時，試樣表面被花瓣狀的封閉產(chǎn)物所覆蓋。這是由于在高溫封閉過程中，Al2O3和H2O反應(yīng)生成了水合氧化物AlO(OH)[6]，該水合氧化物力學(xué)性能差，與鋁基體結(jié)合強(qiáng)度低，易脫落。相比而言，圖3b顯示當(dāng)采用含封閉劑的高溫封閉時，氧化膜表面平整，可以觀察到表面存在直徑約5 nm～10 nm的納米孔洞，這是一種高表面能結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的吸附性能。原因是封閉劑中所含有的膦化物成分能有效抑制表面氧化物水合作用的進(jìn)行[2]，阻止水合氧化物的形成，維持表面陽極氧化膜的多孔狀形貌。

膠接斷裂方式可以分為膠層內(nèi)部發(fā)生內(nèi)聚破壞，膠層與被粘物之間發(fā)生的界面破壞，其發(fā)生形式取決于膠層內(nèi)聚強(qiáng)度與膠層/被粘物界面結(jié)合強(qiáng)度之間的競爭關(guān)系。當(dāng)內(nèi)聚強(qiáng)度高于界面強(qiáng)度時，發(fā)生界面破壞；當(dāng)內(nèi)聚強(qiáng)度低于界面強(qiáng)度時，發(fā)生內(nèi)聚破壞。通常發(fā)生內(nèi)聚破壞的斷裂力要高于界面破壞的。因此，要取得良好的膠接效果，表面處理狀態(tài)至關(guān)重要。

圖4為5754-H22鋁合金試樣陽極氧化后經(jīng)不同封閉處理后的拉伸曲線和斷裂形貌。兩種試樣的屈服力均大致為24 kN。這與5754-H22鋁合金板材屈服強(qiáng)度是相關(guān)的，在發(fā)生屈服后，繼續(xù)拉伸，純水高溫封閉試樣率先發(fā)生斷裂。從剝離形態(tài)來看，高溫純水封閉試樣為界面破壞，即膠黏劑/試樣結(jié)合強(qiáng)度低于膠層結(jié)合強(qiáng)度。這說明所觀測到的封閉產(chǎn)物不利于膠接，封閉產(chǎn)物阻止了膠黏劑與板材的直接接觸，因此，在拉伸過程中，封閉產(chǎn)物被膠黏劑黏附后與基體板材發(fā)生脫離。由于封閉產(chǎn)物與板材的結(jié)合力較弱，故迅速發(fā)生脫落，導(dǎo)致膠黏劑與板材完全脫開，發(fā)生界面破壞。采用封閉劑的高溫封閉，表面存在多孔狀結(jié)構(gòu)，增加了膠黏劑與板材的接觸面，膠黏劑滲透到孔洞中形成“釘扎”，一方面增強(qiáng)粘接界面上的機(jī)械嚙合作用，另一方面，粘接界面上分子間物理作用和化學(xué)作用的實際表面積增大。剝離面形態(tài)顯示為內(nèi)聚破壞，即膠層內(nèi)部發(fā)生破壞，從斷裂曲線來看，內(nèi)聚破壞有效提高了斷裂力，相比于界面破壞，內(nèi)聚破壞使斷裂力上升了3 kN。

圖4 5754-H22鋁合金陽極氧化后不同封閉處理經(jīng)膠接固化后試樣拉伸曲線和膠層斷裂形貌Fig.4 The tensile curve and the adhesive layer fracture morphologies of anodized 5754-H22 aluminum alloy specimenbonded and reinforced by different sealants

2.2 鋁合金板力學(xué)性能對膠接性能的影響

5754鋁合金板單搭接試樣在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸過程中，由于拉力不能作用在同一直線上，鋁合金板會發(fā)生彎曲和搭接部位的轉(zhuǎn)動，這導(dǎo)致膠層內(nèi)除了存在平行于外力的剪切應(yīng)力外，還有偏心彎矩引起的垂直膠接面的正應(yīng)力——剝離應(yīng)力。剝離應(yīng)力的存在會大大降低了膠接接頭的強(qiáng)度，整個拉伸斷裂過程如圖5所示。

圖5 單搭接試樣拉伸斷裂過程示意圖Fig.5 Diagram of single-lap tensile fracture

在拉力和偏心矩的作用下，單搭接試樣會逐漸發(fā)生靜態(tài)拉伸、扭轉(zhuǎn)變形以及最終斷裂。材料在第二階段在偏心距的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動變形所需要的力與材料的屈服強(qiáng)度息息相關(guān)，這也會最終影響材料的膠接強(qiáng)度。

圖6所示為5754鋁合金H111和H22狀態(tài)試樣的膠接后拉伸曲線。試樣在經(jīng)過相同的陽極氧化處理后，其膠接性能出現(xiàn)了明顯不同。從圖4可以看出，在拉伸過程中，試樣依次出現(xiàn)彈性變形和塑性變形，由于5754-H111和5754-H22鋁合金的屈服強(qiáng)度分別為110 N/mm2和155 N/mm2，因此，5754-H111和5754-H22鋁合金的屈服力分別大致為18kN和24 kN，在發(fā)生塑性變形后，對應(yīng)圖5的第二階段，作用力逐漸歸為同一直線，此時，促使膠接發(fā)生撕裂斷裂的正應(yīng)力即剝離應(yīng)力成為發(fā)生斷裂的主導(dǎo)作用力，最終，優(yōu)先發(fā)生屈服出現(xiàn)剝離應(yīng)力的5754-H111鋁合金試樣膠層率先斷裂，其斷裂力為29 kN。而屈服強(qiáng)度較高的5754-H22鋁合金試樣膠層在33 kN的拉伸力下發(fā)生斷裂。從斷裂面來看，兩者同屬于膠層與膠層之間發(fā)生的斷裂破壞，也即膠層本身的內(nèi)聚剝離，剝離方式相同。因此，影響最終膠接斷裂力的只是材料本身的屈服強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度越高，斷裂力越大。

圖6 5754鋁合金H111和H22狀態(tài)試樣膠接固化后拉伸曲線和膠層斷裂形貌Fig.6 The tensile curve and the adhesive layer fracture morphologies of the bonded and reinforced 5754 Al alloy specimens at H111 and H22 tempers

2.3 不同刻蝕量試樣厚度變化對膠接性能的影響

試驗板材初始厚度是2 mm，在進(jìn)行陽極氧化處理時，堿蝕工序會對基體材料進(jìn)行全面的腐蝕，其結(jié)果是堿蝕時間過程會導(dǎo)致試樣厚度明顯下降，選取了低度、正常和高度堿蝕不同刻蝕量的試樣，研究刻蝕量對其膠接性能進(jìn)行表征。經(jīng)過不同時間的堿蝕后，試樣的厚度從2.0 mm下降至1.9 mm和1.7 mm，在其他工藝參數(shù)不變的條件下，對陽極氧化后的試樣進(jìn)行膠接和拉伸試驗，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，堿蝕后三種不同厚度的試樣其彈性變形階段基本吻合，當(dāng)達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時，由于試樣厚度不相同，屈服力逐漸出現(xiàn)分化，可以觀察到隨著厚度的下降，屈服力逐漸下降，之后，經(jīng)過塑性變形后，膠層逐漸發(fā)生斷裂，斷裂形態(tài)均為內(nèi)聚破壞。

圖7 不同刻蝕量的鋁合金試樣膠接固化后拉伸曲線和膠層斷裂形貌Fig.7 The tensile curve and adhesive layer fracture morphologies of the bonded and reinforced Al alloy specimens with different etching amounts

3 結(jié) 論

1)采用特殊的封閉處理方式可以使封閉后的鋁合金試樣陽極氧化膜維持多孔結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的膠接性能。

2)在相同的表面狀態(tài)下，鋁合金試樣基體屈服強(qiáng)度越高，其膠接強(qiáng)度越高。

3)陽極氧化過程預(yù)處理的堿蝕工序刻蝕會造成試樣厚度下降，使膠接強(qiáng)度下降。