葛玉麟*，宇波，張騏，詹中偉，孫志華

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

鋁合金在航空、航天等領(lǐng)域被廣泛使用，但其耐蝕性較差，通常需要進(jìn)行一定的表面處理來延長其使用壽命。工業(yè)上一般通過陽極氧化在基體表面原位形成幾微米厚的膜層來提高鋁合金的耐蝕性。

鋁合金陽極氧化工藝已經(jīng)很成熟，但是在工業(yè)生產(chǎn)過程中難免會(huì)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，主要包含兩類。一類是基體自身缺陷(如成分差異、晶粒不均、腐蝕等)造成的黑點(diǎn)、印痕、條帶、顏色不均等問題[1]，這類問題通過返修很難得到解決。另一類是陽極氧化過程中電流密度[2]、槽液溫度[3]等參數(shù)控制不當(dāng)以及槽液雜質(zhì)超標(biāo)等[4]引起的膜層疏松、粉化、局部燒蝕等缺陷[5]，生產(chǎn)中對這類問題件一般是進(jìn)行返修，有時(shí)甚至進(jìn)行多次返修。但多次返修可能會(huì)影響鋁合金基體的疲勞性能和陽極氧化膜性能[6-7]。本文針對2024 和7150 航空鋁合金，分析了返修次數(shù)對膜層耐蝕性、基體疲勞性能等的影響，為鋁合金陽極氧化問題件的返修處理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 陽極氧化和退膜工藝

將2024 和7150 鋁合金加工成100 mm × 50 mm × 3 mm 的試片。陽極氧化的主要工序?yàn)閴A洗、酸出光、陽極氧化和封閉。陽極氧化采用中國航發(fā)北京航空材料研究院的環(huán)保型蘋果酸-硫酸體系電解液，工藝條件為：溫度25 °C，電壓15 V，時(shí)間20 min。

在90 °C 下采用37 mL/L 磷酸 + 17 g/L 鉻酸酐混合溶液退除陽極氧化膜，每隔10 min 對試樣進(jìn)行清洗、吹干和稱重，直至試樣的質(zhì)量不變，即視為膜層完全退除干凈。

1. 2 性能測試

1. 2. 1 膜層外觀和顯微形貌

目視陽極氧化試樣外觀，采用FEI Quanta 場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣的截面形貌。

1. 2. 2 膜重

按照ASTM B137-95Standard Test Method for Measurement of Coating Mass Per Unit Area on AnodicallyCoated Aluminum，將陽極氧化試樣干燥并稱重后進(jìn)行退膜，每5 min 取出試樣，用去離子水沖洗、干燥后稱重，直至稱重結(jié)果穩(wěn)定，根據(jù)退膜前后的質(zhì)量差和試樣面積計(jì)算膜重。

1. 2. 3 膜層耐蝕性

按照GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行中性鹽霧(NSS)試驗(yàn)，采用pH = 6.5 ～ 7.2 的50 g/L NaCl 溶液。試樣測試面朝上并與垂直方向呈30°放置，溫度35 °C，每80 cm2面積的沉降速率為1 ～ 2 mL/h。

1. 2. 4 基體疲勞性能

按照HB 5287-1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》檢測2024 和7150 鋁合金棒的疲勞性能，采用圖1所示的單截面光滑軸向應(yīng)力疲勞試棒，應(yīng)力集中系數(shù)Kt= 1。

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

2 結(jié)果與討論

2. 1 返修次數(shù)對陽極氧化膜層結(jié)構(gòu)的影響

從圖2 可知，返修1 次和2 次對2024 鋁合金陽極氧化膜外觀無影響，膜層依舊完整、均勻，呈均勻的金屬光澤。7150 鋁合金在返修1 次后膜層表面出現(xiàn)輕微的斑紋，返修2 次后膜層表面橫向斑紋顏色加深。由此可見，返修會(huì)降低7150 鋁合金表面陽極氧化膜的均勻性，可能是因?yàn)榛w材料原有拉絲部位的表面活性較高，在退膜和再陽極氧化過程中對應(yīng)部位的基體腐蝕速率和陽極氧化速率較其他部位高。

圖2 返修不同次數(shù)后2024 鋁合金(a)和7150 鋁合金(b)表面陽極氧化膜的外觀Figure 2 Appearance of oxide films on 2024 aluminum alloy (a) and 7150 aluminum alloy (b)after re-anodization for different times

由表1 可知，2024 鋁合金和7150 鋁合金初次陽極氧化以及返修1 次、2 次后陽極氧化所得膜層的膜重相近，說明返修2 次以內(nèi)對2 種鋁合金陽極氧化膜重的影響不大。在相同的工藝條件下，2024 鋁合金的陽極氧化膜重低于7150 鋁合金陽極氧化膜重，前者保持在40 mg/dm2左右，后者在70.6 mg/dm2左右。這是因?yàn)?024鋁合金的銅含量較高，在陽極氧化過程中不易成膜，其表面所得的膜層相對較薄。

表1 2024 和7150 鋁合金在不同返修次數(shù)后的陽極氧化膜重Table 1 Mass of oxide films per unit area on 2024 and 7150 aluminum alloys after re-anodization for different times

從圖3 可知，2024 鋁合金表面在返修不同次數(shù)后保持連續(xù)、平直，未發(fā)現(xiàn)微米級(jí)腐蝕坑，說明返修對2024鋁合金表面的影響不顯著。7150 鋁合金返修1 次時(shí)表面無明顯的腐蝕坑，但返修2 次后表面出現(xiàn)了微米級(jí)的凹坑，與返修2 次時(shí)陽極氧化膜出現(xiàn)深色斑紋對應(yīng)。這是因?yàn)?150 鋁合金陽極氧化膜較厚，膜層完全退除所需時(shí)間較2024 鋁合金長，即退除溶液接觸7150 鋁合金的時(shí)間更長，更容易在晶間和原拉絲表面低凹部位形成腐蝕點(diǎn)。

圖3 返修不同次數(shù)后2024 鋁合金(a)和7150 鋁合金(b)表面陽極氧化膜的橫截面形貌Figure 3 Cross-sectional morphologies of oxide films on 2024 aluminum alloy (a) and 7150 aluminum alloy (b)after re-anodization for different times

2. 2 返修次數(shù)對膜層耐蝕性的影響

圖4 為返修不同次數(shù)的2024 和7150 鋁合金陽極氧化試樣在中性鹽霧中暴露1 478 h 后的表面狀態(tài)?？梢钥吹剿性嚇拥哪宇伾甲儨\，腐蝕點(diǎn)均不超過3 個(gè)，2024 鋁合金陽極氧化膜維持較高的光潔度，7150 鋁合金陽極氧化膜只是斑紋加深，未發(fā)現(xiàn)顯著的腐蝕點(diǎn)，說明返修2 次后膜層表面形成的斑紋未對其耐蝕性造成不利影響。

圖4 返修不同次數(shù)后2024 鋁合金(a)和7150 鋁合金(b)表面陽極氧化膜經(jīng)中性鹽霧試驗(yàn)后的外觀Figure 4 Appearance of oxide films on 2024 aluminum alloy (a) and 7150 aluminum alloy (b) formed by re-anodization for different times after neutral salt spray test

2. 3 返修次數(shù)對鋁合金基體疲勞性能的影響

從表2 可知，返修1 次和2 次后2024 鋁合金的疲勞壽命只是略降，與首次陽極氧化時(shí)在同1 個(gè)數(shù)量級(jí)。7150 鋁合金在返修后疲勞壽命顯著下降，即使返修1 次，對基體疲勞性能的影響也較大。結(jié)合圖2b 顯示的淺色斑紋來推斷，7150 鋁合金在返修1 次后表面已形成了少量腐蝕坑，但可能因數(shù)量較少，即使在顯微鏡下也不易被觀察到，而腐蝕坑處易出現(xiàn)應(yīng)力集中，進(jìn)而使基體的疲勞性能降低，具體機(jī)制有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

表2 返修不同次數(shù)后2024 和7150 鋁合金的疲勞壽命Table 2 Fatigue life of 2024 and 7150 aluminum alloys after re-anodization for different times

3 結(jié)論

(1) 2024 鋁合金返修2 次后，其陽極氧化膜依然能保持較高的耐蝕性，且基體疲勞性能受到的影響較小。

(2) 返修2 次對7150 鋁合金陽極氧化膜的耐蝕性無影響，但顯著影響基體疲勞壽命，因此建議限制7150 鋁合金陽極氧化試樣的返修次數(shù)。