王云飛,李旭勇,吳筱蘭,魏 娜,劉詩超
(1.洪都航空工業(yè)集團有限責任公司,江西南昌 330024;2.海軍駐南昌地區(qū)航空軍事代表室,江西南昌 330024)
鋁-鋰合金是一種低密度、耐蝕性好的輕質(zhì)金屬,具有高彈性模量、高比強度和高比剛度等優(yōu)點,用其取代常規(guī)鋁合金(如2219、2024、7075)能使構件的質(zhì)量減少10%~15%,剛度提高15% ~ 20%[1]。
我國航空企業(yè)大量使用鋁-鋰合金,為提高其防護性能,其表面處理方法常采用的是鉻酸陽極氧化[2],在材料表面形成一層氧化膜,提高材料表面的耐蝕性和與漆膜的結合力。但目前市場上的鋁-鋰合金,兩面的表面狀態(tài)不一樣,一面色澤光滑,即亞光面,另一面色澤較為深暗,即亞面,兩面在同等工藝條件下進行鉻酸陽極氧化,獲取氧化膜光澤度有所不同。為研究兩面是否均能作為加工零件的工作面,觀察了材料的亞光面和亞面獲取氧化膜的形貌,測試了亞光面和亞面氧化膜的耐蝕性、膜厚及與漆膜的結合力,進一步探索材料的表面狀態(tài)對陽極氧化膜層性能的影響,為后期生產(chǎn)提供指導。
實驗所選用的材料為2060-T8E30,其成分見表1。測試漆膜結合力試樣尺寸為75 mm×150 mm×3 mm,測試電化學參數(shù)試樣尺寸為10 mm×10 mm×3 mm。
表1 鋁-鋰合金材料化學成分
試件丙酮擦洗→堿性清洗劑除油(t為15min)→水洗[θ為(59±1)℃]→去離子水漂洗→脫氧[7.5% ~ 10.6%HNO3,22.6 ~ 26.2g/L Cr(Ⅳ),16ml/L HF,室溫,t為5~20min]→冷水洗→去離子水漂洗→鉻酸陽極化(U為20~24V,t為55~60min)→冷水洗→去離子水漂洗→封閉(θ為88~93℃,t為23~28min)→去離子水漂洗→干燥。
陽極氧化電解液組成為:
30.5~52.0g/L游離鉻酸,θ為32~38℃,U 為20~24V,t為55~60min。
陰極采用鉛板,Ak∶Aa=1∶3,槽液采用空氣攪拌,夾具材料為純鋁絲。
1)利用Quanta2000型掃描顯微鏡觀察基材及膜層的表面形貌,利用金相顯微鏡觀察亞光面和亞面的形貌。
2)利用TT260薄膜測厚儀測試膜層的厚度。
3)采用CHI660C電化學工作站測試極化曲線。采用三電極體系,將試樣作為工作電極(10mm×10mm),飽和甘汞電極作為參比電極,鉑金電極作為輔助電極,以3.5%NaCl溶液作為電化學反應池溶液,掃描速率為1mV/s,測試的結果利用相應的計算機軟件,計算自腐蝕電位φcorr和自腐蝕電流密度Jcorr。
4)按照ASTM D3359-1997漆膜附著力測試方法進行漆膜結合力測試。
2.1.1 基材清洗后形貌
為了探討鋁-鋰合金材料亞光面和亞面的異同,本實驗首先分別對試件的光、亞面進行除油,清洗干凈后,采用掃描電鏡觀察其表面形貌,結果如圖1所示。
圖1 材料清洗后的表面形貌照片
由圖1可知,鋁-鋰合金材料亞光面光滑平整,有微細橫向劃痕,可能是材料成型后經(jīng)過了機械拋光所致,而亞表面有塑變裂紋,所以用肉眼觀察亞光面有一定的光澤度,而亞面表面粗糙,顏色發(fā)暗,表面氧化膜厚于亞光面。
2.1.2 基材脫氧后形貌
鋁-鋰合金材料脫氧處理后表面形貌見圖2。從圖2可以看出,試件光亞面經(jīng)過脫氧后,表面自然氧化物有效地進行了脫出,表面仍然光滑平整,而亞面變得較粗糙,主要是其表面自然氧化膜較厚所致,這對后續(xù)陽極氧化膜的形貌結構有影響。
圖2 材料脫氧后的表面形貌照片(400×)
2.1.3 基材氧化膜形貌
鋁-鋰合金材料的試件亞光面、亞面經(jīng)過相同條件的前處理、陽極氧化和后處理所得氧化膜形貌如圖3所示。
圖3 氧化膜表面形貌照片
從圖3可知,鋁-鋰合金材料亞光面經(jīng)過鉻酸陽極氧化,獲取的氧化膜層表面光滑平整,膜層致密;而亞面獲取的膜層為網(wǎng)紋狀。為了進一步探討膜層的不同,對兩者截面形貌進行了觀察。
氧化膜的截面形貌如圖4所示。由圖4可以看到,盡管亞光面和亞面獲得的氧化膜表面形貌不同,但兩者氧化膜截面的形貌類似,陽極氧化膜層與基材的結合緊密,沒有穿透氧化膜層的裂紋產(chǎn)生。
圖4 氧化膜的截面形貌照片
利用TT260渦流測厚儀,測試鋁-鋰合金試樣亞光面、亞面的氧化膜厚度,結果如表2所示。
表2 鋁-鋰合金試樣兩面的膜厚(μm)
由表2可知,鋁-鋰合金試樣光亞面、亞面在同等工藝條件下獲取的氧化膜厚度接近,均在3~5μm內(nèi)。另外,從圖4的氧化膜截面圖也可以看出,試樣兩面氧化膜的厚度也接近。
按照ASTM D3359-1997漆膜附著力(劃格法)測試方法,對鋁-鋰合金試樣亞光面和亞面的漆膜結合力進行測試。測試結果表明,亞光面、亞面獲取的鉻酸陽極氧化膜與漆膜的結合力較好,刻線周圍涂層均沒有起皮和脫落,兩面與漆膜的結合力均符合技術要求。
利用電化學工作站測試了鋁-鋰合金試樣不同表面狀態(tài)下的陽極氧化膜的極化曲線,結果如圖5,電化學參數(shù)見表3所示。
圖5 氧化膜的極化曲線
表3 不同表面狀態(tài)氧化膜的電化學參數(shù)
從圖5和表3可以得出,鋁-鋰合金試樣亞光面與亞面的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度接近,說明2060-T8E30鋁-鋰合金亞光面、亞面獲取的鉻酸陽極氧化膜的耐蝕性接近。
1)鋁-鋰合金試樣亞光面較為平整,亞面有塑變裂紋,脫氧后亞光面仍比亞面平整。
2)鋁-鋰合金試樣亞光面獲取的氧化膜光滑平整,亞面獲取氧化膜為網(wǎng)紋狀,但試樣兩面氧化膜的截面形貌無差別,無穿透氧化膜層的裂紋。
3)鋁-鋰合金試樣亞光面、亞面獲取的氧化膜與漆膜均具有良好的結合力,且耐蝕性接近。
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