电压对铝锂合金硬质阳极氧化膜性能的影响.pdf

第 45 卷 第 8 期（总第 365 期）电 镀 与 精 饰2023 年8 月电压对铝锂合金硬质阳极氧化膜性能的影响李 倩1*，周艳丽1，杨 鹏2（1.河南工业贸易职业学院 机电工程学院，河南 郑州 451191；2.中国计量大学 材料与化学学院，浙江 杭州 310018）摘要：选用2099铝锂合金作为基体进行硬质阳极氧化，并研究电压对硬质阳极氧化膜形貌特征、成分、厚度、硬度、耐磨和耐腐蚀性能的影响。结果表明：随着电压从50 V提高到90 V，硬质阳极氧化膜的结构趋于致密，然后变得疏松，表面粗糙度先降低后增加，厚度先增加后降低，导致硬度、耐磨与耐腐蚀性能表现出明显的差异，但硬质阳极氧化膜的元素组成未变。电压为70 V制备的硬质阳极氧化膜表面结构致密，厚度达到27.3 m，具有高硬度（457.4 HV）、良好的耐磨和耐腐蚀性能，平均摩擦系数和腐蚀电流密度仅为0.49和2.0210-6 A/cm2，对铝锂合金的防护效率达到95.1%。由于电压提高逐步形成较致密的硬质阳极氧化膜并促使膜层增厚，承载能力、抵抗局部塑性变形能力、阻碍腐蚀介质渗透和抵抗腐蚀能力增强，因此硬质阳极氧化膜的性能明显提高。关键词：硬质阳极氧化膜；2099铝锂合金；电压；硬度；耐腐蚀性能；耐磨性能中图分类号：TQ153.6文献标识码：AEffect of voltage on the properties of hard anodized films on aluminum-lithium alloyLi Qian1*，Zhou Yanli1，Yang Peng2（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Henan Industry and Trade Vocational College，Zhengzhou 451191，China；2.Material and Chemistry College，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）Abstract：2099 aluminum-lithium alloy was treated by hard anodizing process，and the effect of voltage on the morphology，composition，thickness，hardness，wear resistance as well as the corrosion resistance of hard anodized film was studied.The results show that with the increase of voltage from 50 V to 90 V，the structure of hard anodized film tends to be dense and then becomes loose，the surface roughness first decreases and then increases，the thickness first increases and then decreases，resulting in obvious differences in the hardness，wear resistance and corrosion resistance，but the element composition of hard anodized film does not change.The hard anodized film prepared at 70 V has dense structure with a thickness of 27.3 m，possessing high hardness（457.4 HV），excellent wear resistance and corrosion resistance.The average friction coefficient and corrosion current density are only 0.49 and 2.0210-6 A/cm2，and the protection efficiency on Al-Li alloy reaches 95.1%.A hard anodized film with compact structure is gradually formed and the thickness is increased due to the increase of voltage，and the bearing capacity，resistance to local plastic deformation and resistance to corrosive media doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2023.08.003 收稿日期：2023-01-16 修回日期：2023-02-06 *通信作者：李倩（1975），女，硕士，副教授，研究方向：表面工程、机械设计及理论等，email：Eduhn_ 基金项目：河南省高等学校重点科研项目（20A120007）13Vol.45 No.8 Serial No.365Plating and FinishingAug.2023penetration are enhanced，so the properties of hard anodized film is significantly improved.Keywords：hard anodized film；2099 aluminum-lithium alloy；voltage；hardness；corrosion resistance；wear resistance铝锂合金以其较高强度、良好的抗疲劳性能和适宜的延展性，在航空航天和军工领域具有重要应用价值1-4。然而，较差的耐腐蚀和耐磨性能制约了铝锂合金的应用领域扩展。因此，通过表面处理提高铝锂合金的耐腐蚀和耐磨性能至关重要。目前研究已经证实，阳极氧化工艺适用于铝锂合金表面处理，阳极氧化膜作为表面改性层使铝锂合金的性能明显提高5-8。硬质阳极氧化是以提高材料硬度、耐磨和耐腐蚀性能作为目标的阳极氧化工艺，与常规阳极氧化工艺的区别在于电压高且电解液温度低，因此硬质阳极氧化膜相对更厚，其综合性能明显好于常规阳极氧化膜。近年来，铝合金硬质阳极氧化已有很多报道，但有关铝锂合金硬质阳极氧化鲜见报道，开展这方面研究能为显著提高铝锂合金性能从而扩展其应用领域提供参考。本文选用2099铝锂合金作为基体进行硬质阳极氧化，通过研究电压对硬质阳极氧化膜形貌特征、成分和性能的影响，旨在确定最佳电压从而显著提高铝锂合金性能。1实 验1.1材 料实验选用2099铝锂合金作为基体，其化学组成如表1所示。加工成40 mm22 mm3 mm的试样，并依次进行逐级打磨（800#、1600#、2000#砂纸）、除油（60、质量浓度为40 g/L的氢氧化钠溶液）、腐蚀活化（常温、体积分数25%的硝酸溶液）、清洗（常温去离子水）和干燥处理。1.2硬质阳极氧化膜制备预处理后的2099铝锂合金试样作为阳极，铅板作为阴极。配制混合酸电解液，主要组成为浓硫酸120 g/L、柠檬酸75 g/L，温度控制在5 左右。实验过程中只改变电压，分别在50、60、70、80和90 V条件下制备硬质阳极氧化膜，氧化时间均为60 min。1.3硬质阳极氧化膜表征与测试采用MERLIN Compact型扫描电镜观察铝锂合金和不同硬质阳极氧化膜的表面形貌，同时采用X-max 80型能谱仪进行面扫描，分析不同硬质阳极氧化膜的成分。采用 SJ-210型粗糙度仪测量不同硬质阳极氧化膜的表面粗糙度，每个试样测3个位置取平均值。另外，采用涡流测厚仪测量不同硬质阳极氧化膜的厚度，每个试样重复测3次取平均值。采用HVS-1000型数显维氏硬度计测试铝锂合金和不同硬质阳极氧化膜的硬度，载荷设定0.98 N，保持10 s后均匀卸载。每个试样表面随机选取5个点，测试结果取平均值。采用MFT-4000型往复式摩擦磨损试验机测试铝锂合金和不同硬质阳极氧化膜在无润滑条件下的摩擦系数，对磨件为直径 4 mm的 GCr15钢球。实验过程中法向载荷设定 5 N，每个往复行程为 10 mm，频率为2 Hz，摩擦过程持续450 s。根据摩擦系数评价不同硬质阳极氧化膜的耐磨性能。室温条件下，配制3.5%氯化钠溶液作为腐蚀介质，采用Parstat 2273型电化学工作站测试铝锂合金和不同硬质阳极氧化膜的极化曲线。选用饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为辅助电极，工作电极的暴露面积均为1 cm2。先将三电极体系浸在3.5%氯化钠溶液中一段时间，待开路电位稳定后开始测试极化曲线，扫描速度为1 mV/s。根据极化曲线测试数据拟合得到腐蚀电位、腐蚀电流密度和极化电阻，并根据公式（1）计算不同硬质阳极氧化膜对铝锂合金的保护效率（），进而评价不同硬质阳极氧化膜的耐腐蚀性能。=J0-J1J0100%（1）式中：J0、J1分别表示铝锂合金的腐蚀电流密度、不同硬质阳极氧化膜的腐蚀电流密度，单位均为A/cm2。为进一步评价铝锂合金和不同硬质阳极氧化膜的耐腐蚀性能，将试样悬挂着浸在3.5%氯化钠溶液表12099铝锂合金的化学组成Tab.1Chemical composition of 2099 Al-Li alloy元素质量分数/%Mg0.30Li1.77Zn0.72Cu2.70Mn0.30Zr0.10Ti0.05Al余量14第 45 卷 第 8 期（总第 365 期）2023 年8 月电 镀 与 精 饰中120 h后取出，洗净后吹干表面水分。采用精度为0.1 mg的电子天平称重，试样的腐蚀速率（vcorr）计算公式如下：vcorr=m0-mSt（2）式中：m0、m分别表示试样的初始质量、试样在3.5%氯化钠溶液中浸泡一段时间后的质量，单位均为mg；S表示试样表面积，单位为cm2；t表示浸泡时间，单位为h。2结果与讨论2.1电压对硬质阳极氧化膜形貌的影响图1为不同电压下在铝锂合金表面制备的硬质阳极氧化膜表面形貌，图2为不同电压下硬质阳极氧化膜的形成机理示意。对比图 1（a）图 1（f）可知，不同电压下制备的硬质阳极氧化膜形貌特征与铝锂合金相比存在显著差异，铝锂合金表面较平滑，而不同硬质阳极氧化膜表面都有烧蚀痕迹。这是由于高电压下产生很多焦耳热积聚在硬质阳极氧化膜与电解液界面处，难以及时散失从而对硬质阳极氧化膜表面造成烧蚀。然而，随着电压从50 V提高到70 V，硬质阳极氧化膜表面烧蚀程度减轻，形成的凹坑变浅且数量减少，附着的烧蚀产物也减少，表面结构趋于致密。结合图2（a）分析，电压较低时硬质阳极氧化膜形成慢，而溶解烧蚀过程持续进行，造成硬质阳极氧化膜表面形成一些深浅不一的凹坑并附着一些烧蚀产物。随着电压逐渐提高到70 V，硬质阳极氧化膜形成速度加快，新膜层持续覆盖烧蚀表面，相当于减轻硬质阳极氧化膜的溶解烧蚀程度，从而逐步形成较致密的硬质阳极氧化膜，如图 2（b）示意。然而，当电压达到90 V，硬质阳极氧化膜表面烧蚀很严重，结构疏松（如图2（c）示意），形成很多密集分布的微小孔洞，局部还形成一些大小不一的深凹坑。原因是电压过高的情况下产生更多焦耳热积聚在电解液中难以及时散失，对硬质阳极氧化膜表面造成严重烧蚀，导致溶解速度加快。另外，电压过高的情况下成膜不均匀，还可能造成硬质阳极氧化膜局部被击穿形成深凹坑，因此表面结构疏松。图3为不同电压下制备的硬质阳极氧化膜表面粗糙度。由图 3 可知，随着电压从 50 V 提高到 70 V，表面粗糙度呈现降低趋势，表明硬质阳极氧化膜表面结构趋于致密，与图1分析结果一致。电压为70 V制备的硬质阳极氧化膜具有最低的表面粗糙度0.650 m，其表面