植酸及铈盐溶液封闭对铝锂合金阳极氧化膜性能的影响_凌付平.pdf

Plating and FinishingMar.2023Vol.45 No.3 Serial No.360植酸及铈盐溶液封闭对铝锂合金阳极氧化膜性能的影响凌付平1，2*（1.江苏航运职业技术学院 教务处，江苏 南通 226010；2.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）摘要：选用2099铝锂合金作为基体，制备阳极氧化膜，研究了电解液中植酸体积分数对阳极氧化膜的微观形貌、成分、厚度、硬度、耐磨性和耐蚀性能的影响。结果表明：添加适量植酸后，促使形成较平整、结构致密的阳极氧化膜，并使阳极氧化膜的厚度增加，抵御弹塑性变形能力和阻碍电化学腐蚀能力增强，因此硬度和耐蚀性能提高。而过量植酸的添加，导致阳极氧化膜表面疏松，厚度和硬度都降低，耐蚀性能随之下降。当电解液中植酸体积分数为5 mL/L时，制备的阳极氧化膜表面平整且结构致密，其厚度为14.2 m，硬度达到360.5 HV，电荷转移电阻与不添加植酸时制备的阳极氧化膜相比提高约1.58103 cm2，表现出优良的耐蚀性能。该阳极氧化膜经铈盐溶液封闭后平整度和致密性明显改善，成分除了4种元素Al、O、C和P外，还含有Ce元素。封闭过程中反应产物的填补作用与覆盖封闭作用叠加，使铈盐封闭后阳极氧化膜的耐蚀性能更好，表现出优良的耐磨性能。关键词：铝锂合金；阳极氧化膜；植酸；铈盐溶液封闭；硬度；耐蚀性能中图分类号：TQ153.6文献标识码：AEffect of phytic acid and sealing treatment with cerium salt solution on properties of anodic oxidation films on aluminum-lithium alloyLing Fuping1，2*（1.Academic Affairs Office，Jiangsu Shipping College，Nantong 226010，China；2.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）Abstract：The anodic oxidation films were prepared on 2099 aluminum-lithium alloy matrix，and the effects of the volume fraction of phytic acid in the electrolyte on the microstructure，composition，thickness，hardness，wear resistance and corrosion resistance of the anodic oxidation films were studied.The results showed that when the phytic acid was added，the anodic oxide film with relatively flat and dense structure was formed，and the thickness of the anodic oxide film was increased.The ability to resist elastic-plastic deformation and hinder electrochemical corrosion was enhanced，so the hardness and corrosion resistance were improved.However，adding excessive phytic acid would lead to the loose anodic oxidation film，the thickness and hardness were reduced，and the corrosion resistance was weakened.When the volume fraction of phytic acid added in the electrolyte was 5 mL/L，the anodic oxide film was smooth and compact with thickness of 14.2 m and hardness up to 360.5 HV.The charge transfer resistance was increased by about 1.58103 cm2 compared with the anodic oxidation film prepared without adding phytic acid，showing excellent corrosion resistance.The flatness and compactness of the anodic oxidation film were obviously improved after being sealing treatment with cerium doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2023.03.005 收稿日期：2022-08-21 修回日期：2022-09-22 通信作者：凌付平（1983），男，硕士，高级实验师，高级工程师，email：teacher_ 基金项目：南通市科技计划项目（MSZ21011）32第 45 卷 第 3 期（总第 360 期）2023 年3 月电 镀 与 精 饰salt solution，and the composition included four elements of Al，O，C and P，and also contained Ce element.The filling effect of the reaction products generated in sealing process was superimposed with the covering effect，so that the corrosion resistance of the anodic oxidation film after sealing treatment with cerium salt solution was better，exhibiting excellent wear resistance.Keywords：aluminum-lithium alloy；anodic oxidation film；phytic acid；sealing treatment with cerium salt solution；hardness；corrosion resistance铝锂合金作为一种新型结构材料，具有密度低，比强度和比刚度高，成形性能、低温性能和抗疲劳性能好等特性，在航空航天、武器装备和船舶等领域中展现出广阔的应用前景1-3。然而，锂元素非常活泼，导致铝锂合金暴露在潮湿环境中或与含氯盐、酸碱性溶液接触时易被腐蚀。针对此问题，为了满足不同服役条件下的使用要求，通常利用表面处理工艺来提高铝锂合金的耐蚀性能。阳极氧化工艺已被证实适用于铝锂合金表面处理4-8。在阳极氧化过程中，除了优化工艺条件，还使用添加剂（即向电解液中添加无机盐、有机物等）来调控阳极氧化膜的综合性能9-10。添加无机盐虽然能有效提高阳极氧化膜的硬度、耐磨和耐腐蚀等性能，但部分金属离子残留在电解液中会造成较严重的污染问题。而电解液中添加环保的有机物既能有效提高阳极氧化膜的综合性能，同时也不会造成较严重的环境污染问题。植酸是一种环境友好型生物基化合物，特殊的分子结构赋予植酸强螯合能力，常用其作为添加剂，在制备微弧氧化膜、磷化膜和镀层中已有报道11-13。然而，植酸作为添加剂，用于制备阳极氧化膜的研究鲜有报道。因此，本文选用 2099 铝锂合金作为基体，制备阳极氧化膜，研究电解液中植酸体积分数对阳极氧化膜性能的影响，确定最佳的植酸体积分数，从而为提高阳极氧化膜性能提供参考。此外，为进一步提高阳极氧化膜的综合性能，使用铈盐溶液对阳极氧化膜进行封闭处理。1材料与方法1.1材 料实验选用2099铝锂合金，其化学成分参见文献14。裁切成 5.0 cm3.0 cm0.2 cm 的待用试样，然后依次进行表面抛光无水乙醇超声波清洗热碱溶液浸泡（50、50 g/L 的氢氧化钠溶液中浸泡5 min）热水清洗酸洗活化（常温、100 g/L 硝酸+10 mL/L氢氟酸混合溶液中浸泡40 s）冷水清洗烘干。1.2铝锂合金阳极氧化铝锂合金阳极氧化实验中，采用预处理的铝锂合金试样作为阳极，纯铝板作为阴极，都浸在电解液中，电解液主要成分为：草酸50 g/L、植酸08 mL/L。实验过程中只改变植酸的体积分数，在铝锂合金表面制备不同阳极氧化膜。阳极氧化工艺条件为：电流密度2 A/dm2、温度20、阳极氧化时间50 min。1.3铈盐溶液封闭处理将硝酸铈溶解在去离子水中，然后添加适量硝酸配成铈盐溶液，主要成分为：硝酸铈20 g/L、硝酸4 mL/L。将试样浸在铈盐溶液中对阳极氧化膜进行封闭处理，设置封闭工艺条件为：温度90、封闭时间30 min。1.4性能测试1.4.1微观形貌及成分利用MERLIN Compact型扫描电镜表征不同阳极氧化膜的微观形貌，在加速电压 10 kV 下放大 20 000 倍。此外，选取扫描电镜视场的局部区域，利用X-max 80型能谱仪分析不同阳极氧化膜成分，得到各元素质量分数。1.4.2厚 度对试样预处理后，利用ED300型测厚仪测量不同阳极氧化膜的厚度。在每个试样表面任意取3个点，测量结果取平均值。1.4.3硬 度利用MV-TEST1000型维氏硬度计测定不同阳极氧化膜的硬度，同时测定铝锂合金的硬度作为对比。施加载荷为0.49 N，保持15 s后均匀卸载。在每个试样表面任意取5个点（呈十字交叉形），测定结果取平均值。33Vol.45 No.3 Serial No.360Plating and FinishingMar.20231.4.4耐磨性能利用 CETR-UMT-3 型多功能摩擦试验机进行摩擦磨损实验，摩擦副为直径5 mm的GCr15钢球。设置实验条件为：环境温度25、法向载荷3 N、往复摩擦频率5 Hz、行程10 mm、摩擦时间8 min。实验结束后清理每个试样表面的磨屑，然后浸在无水乙醇中超声波清洗并烘干，利用灵敏度为0.1 mg的电子天平称量每个试样摩擦磨损后的质量，求差值得到铝锂合金及不同阳极氧化膜的磨损失重。此外，利用Micro Xam-800型三维轮廓仪测量每个试样的磨损体积，根据文献 15 给出的公式计算铝锂合金及不同阳极氧化膜的磨损率。为了降低软件测量误差，每个试样的磨损体积为3条不同磨痕测量结果的平均值。1.4.5耐蚀性能铝锂合金和不同阳极氧化膜试样作为工作电极，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。腐蚀介质选用3.5 wt.%的氯化钠溶液，铝锂合金及不同阳极氧化膜试样暴露在3.5 wt.%氯化钠溶液中的面积均为 1 cm2。三电极体系在 3.5 wt.%氯化钠溶液中浸泡 1 h 获得稳定的开路电位，然后利用CHI 660E型电化学工作站进行电化学阻抗谱测试。扰动电位为 10 mV，测试频率范围 10-2105 Hz。利用ZSimpWin软件选取合适的等效电路拟合电化学阻抗谱测试数据，然后利用Origin软件绘图。2结果与讨论2.1添加植酸对阳极氧化膜微观形貌和成分的影响电解液中植酸体积分数为08 mL/L时，不同阳极氧化膜的微观形貌如图1所示。电解液中不添加植酸时，阳极氧化膜具有典型多孔状形貌，孔洞（图中黑点）和凹坑（图中黑色背景区域）呈无序分布，如图1（a）所示。在阳极氧化过