封孔工艺对2A12航空铝合金微弧氧化膜的影响_殷强.pdf

82环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT摘要：封孔工艺对 2A12 航空铝合金微弧氧化膜层的微孔和裂纹进行了填充，是重要的微弧氧化后处理工艺。本文对比研究了封孔工艺对 2A12 航空铝合金微弧氧化膜层厚度、硬度、粗糙度和耐蚀性的影响。使用扫描电子显微镜、能谱仪、X 射线衍射仪分别对微弧氧化膜层的微观形貌、元素组成、晶相结构进行表征分析，使用涂层测厚仪、维氏显微硬度仪、粗糙度检测仪、酸性盐雾箱分别对封孔工艺处理前后膜层的厚度、硬度、粗糙度、耐蚀性进行测试。对 2A12 航空铝合金微弧氧化膜层进行硅烷封孔工艺处理，其厚度与硬度无明显变化、粗糙度降低，耐蚀性能显著提升，硅烷 3 次封孔后的膜层经过酸性盐雾试验 192 h 无腐蚀痕迹，为后期铝合金微弧氧化在航空领域的应用提供了参考。关键词：2A12 航空铝合金；微弧氧化；陶瓷膜；封孔工艺；耐蚀性中图分类号：V261.93 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0082-07封孔工艺对 2 A 1 2 航空铝合金微弧氧化膜的影响Influence of Sealing Process on Micro-Arc Oxidation Film of 2A12 Aviation Aluminum Alloy殷强，何卫平，王媛媛，王浩伟，尹凤雷，韦利军（中国特种飞行器研究所 结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室，荆门 448035）YIN Qiang,HE Wei-ping,WANG Yuan-yuan,WANG Hao-wei,YIN Feng-lei,WEI Li-jun(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structural Corrosion Prevention and Control,China Special Vehical Research Institute,Jingmen 448035)A b s t r a c t：The sealing process is an important post-treatment process of micro arc oxidation for 2A12 aviation aluminum alloy,which fills the microholes and cracks in the film.The effects of sealing process on the thickness,hardness,roughness and corrosion resistance of 2A12 aviation aluminum alloy micro-arc oxidation film are comparatively studied.Scanning electron microscope,energy dispersive spectroscopy and X-ray diffractometer were used to characterize and analyze the micro-arc oxidation films microstructure,elemental composition and crystalline phase structure.Coating thickness tester,vickers microhardness tester,roughness tester and acid salt spray box were used to test the thickness,hardness,roughness and corrosion resistance of the film before and after the sealing process.The micro-arc oxidation film of 2A12 aviation aluminum alloy was treated by silane sealing process.The thickness and hardness have no obvious change,the roughness is reduced,and the corrosion resistance is significantly improved.The film sealed with silane for three times has no corrosion trace after 192 h acid salt spray test,which provides a reference for the application of micro-arc oxidation in aviation field.K e y w o r d s：2A12 aviation aluminum alloy;micro-arc oxidation;ceramic film;sealing process;corrosion resistance引言铝是地壳中含量最丰富的金属元素，具有密度小（=2.7 g/m3）、熔点低（6 6 0 ）、塑性高、导热导电性良好、耐核辐射性、无毒和无磁性等特点，被广泛应832023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏用于航空航天、石油化工、车辆、船舶、电子信息等领域 1-3。其中2 A 1 2 航空铝合金作为2 0 0 0 系铝合金的代表，因其含铜量高（3 5）%）而表现出高硬度和高强度的特点，成为最常用的航空铝材，如飞机大锻造件、厚板、螺旋桨、蒙皮等 4。铝合金的腐蚀电位低（-1.6 9 V），在空气中能够迅速生成致密的氧化铝保护膜，该保护膜极易被外界环境所破坏，从而在海洋、潮湿、碱性等环境中发生点蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀等失效性腐蚀，造成严重的航空安全问题和经济损失 5。针对铝合金的易腐蚀缺陷，人们研究了多种表面处理方法，如喷漆、电泳、阳极氧化、热喷涂、微弧氧化等，其中微弧氧化技术效果显著 6,7。铝合金微弧氧化技术是将铝合金置于强电场环境下，经过阳极氧化阶段、火花放电阶段、微弧氧化阶段、熄弧阶段，受端电压作用产生高温高压环境，使铝原子与溶液中的氧结合生成以氧化铝为主要成分的陶瓷膜 8。铝表面原位生长的微弧氧化膜结合力强、硬度高、绝缘性好、耐蚀性强，且整个氧化过程中无环境污染、工艺步骤少、生产效率高，上述优势使微弧氧化技术成为表面处理的研究热点 9。微弧氧化膜性能的影响因素主要有：电解液组成（单体系槽液、多体系槽液）1 0、电源模式（直流、交流、脉冲）1 1、电参数（电流、频率、占空比、氧化时间、截止电压）1 2 和封孔工艺，其中封孔工艺能修补微弧氧化过程放电时产生的大量微孔和裂纹，理论上能够显著提升膜层的耐蚀性能。目前微弧氧化封孔工艺种类很多，包括水合封孔、无机物封孔、有机物封孔、溶胶-凝胶封孔、电泳涂装、脉冲封孔、电解液自封孔、外加电场自封孔等 1 3-1 6，其中有机硅烷封孔工艺简单，原材料成本低，研究表明 1 7 该工艺能够显著提升膜层耐蚀性，对其他膜层性能的影响报道较少。基于此，本文以 2 A 1 2 航空铝合金为研究对象，首先通过双极性电源制备出微弧氧化陶瓷膜，并进行晶态和元素分析；再使用硅烷有机物进行 0 次（空白组）、1 次、3 次封孔，使用涂层测厚仪、显微硬度仪、粗糙度检测仪、酸性盐雾试验箱、三维显微镜分别对三组样件进行测试，对比封孔前后膜层厚度、硬度、粗糙度和耐蚀性的变化规律，为制备航空领域中飞机上使用的高性能铝材奠定基础。1 试验材料与方法1.1 试验材料试验材料为 2 A 1 2 航空铝合金，质量分数为：C u 为（3.8 4.9）%，M n 为（0.3 1.0）%，M g 为（1.2 1.8）%，C r 为 0.1%，S i 为 0.5%，Z n 为 0.2 5%，余量为 A l。样品尺寸为 5 0 m m 5 0 m m 3 m m。首先用砂纸打磨试样，再用乙醇清洗后自然风干。1.2 膜层制备与封孔工艺选用F L 7-M A O 3 0 0 A 双极性叠加脉冲微弧氧化电源，试验样件连接电源阳极线，不锈钢板连接阴极线，配制（N a P O3）6浓度为 1 0 g/L，N a2S i O3浓度为 1 0 g/L，并加入一定比例的钨酸钠，反应温度 2 8 。频率 3 0 0 H z，占空比为 3 0%，电流密度为 2 A/d m2，氧化时间为3 0 m i n。取硅烷、乙醇按照 1 1 的比例进行混合，静置 1 h，将微弧氧化样片置于上述封孔液中 3 m i n，然后放入1 0 0 烘箱中加热 3 0 m i n。3 次封孔组将上述过程重复三次即可。1.3 性能测试及组织观察完成上述铝合金微弧氧化膜层的制备及封孔后，通过以下方法进行性能测试及组织观察。1）采用 T E S C A N M I R A 4 扫描电子显微镜进行微弧氧化膜层表面微观形貌的观察分析，在测试之前需对样块（8 m m 8 m m 3 m m）进行喷金处理，工作距离设为 1 5 m m，电压设为 1 5 k V，表面放大倍数为 5 0 0 0 倍和5 0 0 倍，观察表面膜层形貌后，再利用能谱仪（E D S）对膜层进行元素定性和定量分析。2）采用布鲁克 D 8 型 X射线衍射仪测定膜层相组成，其中扫描角度为（5 9 0），电压为 3 0 k V，扫描速度为 5（）/m i n。3）采用 D R-2 8 0 涡流膜层测厚仪对微弧氧化膜层进84环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT行厚度测试，首先进行归零校正（选用 2 A 1 2 航空铝合金空白板），为减少误差，测量点选择试片中间及四周5 个点，测试结果取平均值。4）采用 T R-2 0 0 粗糙度检测仪进行粗糙度测试，在使用前进行归零调试，通过调节高度直至仪器显示水平为 0，为减少误差，每个样板选取三个测量点，平均值作为粗糙度结果。5）采用维氏显微硬度仪进行硬度测试，测量膜层的表面硬度，负荷载重为 1 0 0 g，通过计算菱形的长宽数值来计算硬度，为减少误差，每个样板选取三个测量点，平均值作为硬度结果。6）采用酸性盐雾试验测试微弧氧化膜层耐蚀性，在盐溶液中加入适量冰醋酸，使 p H维持在 3.1 3.3 之间，将样片倾斜置于盐雾箱内，于 0 h、9 6 h、1 4 4 h、1 9 2 h进行观察并记录。7）采用 K H-7 7 0 0 三维显微镜观察 1 9 2 h 时三组样片的腐蚀情况，首先进行空白校正，根据实际观测情况来调节合适的倍数，每组观察点不少于 5 个。2 结果与讨论2.1 2 A 1 2航空铝合金微弧氧化膜层的微观形貌图 1 为 2 A 1 2 航空铝合金微弧氧化膜层的 S E M微观形貌图，从图 1（a）中可以观察到膜层表面凹凸不平并出现大量的微孔，这些微孔的孔径和深度分布范围较广，原因是微弧氧化过程中出现微区弧光放电现象，形成瞬间的高温高压领域，导致膜层的最薄处率先被击穿，表面的膜层和铝基体被溶解，形成类似“火山喷发”的现象，熔融态的氧化铝从孔中不断喷发并冷却，在该过程中由不定形态氧化膜转化为晶态氧化物陶瓷相结构 1 8。从图1（b）中可以观察到膜层表面出现细密的裂纹，归因于微弧氧化陶瓷膜形成过程中的氧化还原反应和高温高压下的热应力共同作用，最终形成遍布氧化膜表面的细密裂纹 1 9。2.2 2 A 1 2航空铝合金微弧氧化膜层的元素组成图 2 为 2 A 1 2 航空铝合金微弧氧化膜层的 E D S 测试结果，图2 中所示膜层的元素组成为A l、O、C、P、S i、W、N a，元素含量依次递减，其中 A l 的含量为 3 5.4 6%，O的含量为 4 0.9