鋁合金陽極氧化著黑色熱控涂層工藝研究

劉會彬，　鄒松華

(天津航天長征火箭制造有限公司，天津　300462 )

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鋁合金陽極氧化著黑色熱控涂層工藝研究

劉會彬，鄒松華

(天津航天長征火箭制造有限公司，天津300462 )

摘要：介紹了一種鋁合金陽極氧化著黑色熱控涂層工藝，此工藝采用硫酸陽極氧化方法以及深黑32#有機(jī)染料著色，對LY12鋁合金H112熱處理狀態(tài)材料進(jìn)行了處理。通過正交試驗(yàn)對氧化時(shí)間、氧化溫度、電流密度工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到高發(fā)射率的最佳工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞:陽極氧化； 著色； 熱控涂層； 膜層半球發(fā)射率

引　言

當(dāng)人造衛(wèi)星、飛船和空間站在太空工作時(shí)，要長期經(jīng)受太陽、行星、空間溫度交替加熱和冷卻，引起高低溫的劇烈變化。在太空中因缺少空氣作為介質(zhì)，其熱交換主要通過熱輻射的方式進(jìn)行。因此，航天器廣泛采用具有特定光學(xué)性質(zhì)的熱控涂層涂覆于航天器外表面來調(diào)節(jié)和控制航天器與外界的熱交換，從而維持航天器在一個預(yù)定的、正常的工作范圍。

熱控涂層(溫控涂層)是航天器外表面用來調(diào)節(jié)和控制航天器與外界進(jìn)行熱交換的特種涂層[1-2]。

太陽吸收比(αs)為太陽吸收輻射通量與入射輻射通量之比。發(fā)射率(εH)為熱輻射體的輻射出射度與處于相同溫度全輻射體(黑體)的輻射出射度的比值。半球發(fā)射率為熱輻射體在半球方向上的發(fā)射率。0<εH<1；0<αs<1吸收率A(αs)、反射率R(ρs)、透過率T(τν)存在關(guān)系式：A+R+T=1對于不透明體，T=0，關(guān)系式可簡化為A+R=1。

熱控涂層的發(fā)射率是涂層產(chǎn)品重要的可控?zé)彷椛湫阅軈?shù),發(fā)射率數(shù)值在0與1之間變化。不同的發(fā)射率ε的熱控涂層,可決定航天器熱平衡溫度水平。

熱控發(fā)射率按發(fā)射率分類如表1所示。

表1涂層熱輻射性能分類表

涂層熱輻射性能分類依據(jù)涂層熱輻射性能分類標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射率高發(fā)射率涂層>0.8中發(fā)射率涂層0.2～0.8低發(fā)射率涂層<0.2

由此可以看出，涂層發(fā)射率的高低是判斷涂層熱輻射性能的重要指標(biāo)。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)方法1.1.1實(shí)驗(yàn)材料及工藝流程

實(shí)驗(yàn)采用LY12鋁合金H112熱處理狀態(tài)材料作為試樣，規(guī)格為40mm×40mm×2mm。利用硫酸陽極氧化方法，對其進(jìn)行著黑色熱控涂層工藝研究。試樣用240#的砂紙將棱角處打磨至圓滑后備用。

鋁陽極氧化工藝流程如下：

除油→水洗→酸出光→水洗→堿腐蝕→水洗→酸出光→水洗→電化學(xué)陽極氧化→著黑色→封閉→清洗。

其中除油、酸出光和堿腐蝕為前處理工序。

1.1.2前處理

經(jīng)過機(jī)械加工的試片表面覆蓋有少量油污，油污的存在會使試片生成的氧化膜質(zhì)量降低，從而影響氧化膜層的著色質(zhì)量，因此試片在陽極氧化前需要進(jìn)行除油處理。選擇化學(xué)除油法將試片表面在加工、流轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的油污去除。

化學(xué)除油用40～50g/L Na2CO3，40～50g/L Na3PO4·12H2O，20～30g/L Na2SiO3的溶液在θ為60～80℃將表面油污除盡[3]。

1.1.3陽極氧化

試片陽極氧化的質(zhì)量是決定黑色陽極氧化熱控涂層膜層半球發(fā)射率高低的關(guān)鍵，而決定試片陽極氧化質(zhì)量主要有三個因素，分別為氧化時(shí)間、溫度和電流密度。

運(yùn)用正交試驗(yàn)的方法，通過多組試驗(yàn)最終確定陽極氧化工藝參數(shù)，正交試驗(yàn)主要考察氧化時(shí)間、溫度和電流密度三個因素。

當(dāng)氧化鋁膜層較薄時(shí)，基體金屬鋁的熱發(fā)射起主要作用，所以膜層總體的發(fā)射率較低；當(dāng)非金屬氧化鋁膜達(dá)到一定厚度后，氧化鋁膜層的發(fā)射率起主要作用，因此在一定范圍內(nèi)提高膜層厚度，有利于提高膜層的發(fā)射率；另外當(dāng)膜層孔隙率增大，膜層的熱物理性能較高，同樣有利于提高膜層的發(fā)射率[4]。

在幾種鋁和鋁合金電化學(xué)氧化方法中，硬質(zhì)陽極氧化法得到的氧化膜層厚度最厚，通常硬質(zhì)陽極氧化工藝參數(shù)中氧化θ為-2℃、電流密度2.5A/dm2、t為60min[5]。經(jīng)查閱資料了解氧化時(shí)間、溫度和電流密度三個因素對鋁合金氧化膜層厚度與膜層孔隙率的影響，最終確定三個因素的研究范圍如表2所示。

表2正交試驗(yàn)因素水平表

水平因 素ABCt/minθ/℃Ja/(A·dm-2)140～70-5～01.5～2.0270～1000～52.0～2.53100～1305～102.5～3.0

1.1.4著色

熱控膜層著黑色處理方法較多，本文選用化學(xué)浸漬著色法對試片進(jìn)行著色處理，其中化學(xué)浸漬著色包括有機(jī)染料和無機(jī)染料兩種，有機(jī)染料的特點(diǎn)是膜層的色牢度高、上色速度快、上色均勻度好及遮蓋能力強(qiáng)，但是其耐光保色性沒有無機(jī)染料好。目前國內(nèi)多采用有機(jī)染料酸性黑ATT進(jìn)行著黑色處理[3]。本文采用與酸性黑ATT相似，科萊恩化工(中國)有限公司的深黑32#有機(jī)染料，在40～60℃的溶液中將試片浸漬20～30min進(jìn)行著黑色處理，深黑32#在耐光保色性上優(yōu)于酸性黑ATT。

經(jīng)深黑32#著色后的試片，顏色效果好，質(zhì)量穩(wěn)定并且操作簡單，清洗方便，遮蓋能力強(qiáng)。

1.1.5封閉

封閉處理是使著色后的氧化膜表面從活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)鈍態(tài)，達(dá)到提高膜層耐蝕性、增強(qiáng)膜層抗污染能力及固定色素體的目的，且提高膜層發(fā)射率的穩(wěn)定性和耐光性[6-7]。

選取SY-3型封閉劑，在80～90℃下進(jìn)行2～5min的封閉處理，使著黑色膜層迅速封閉膜孔，使膜層的色度牢靠，減少膜層褪色或流色，并使膜層的發(fā)射率長期保持穩(wěn)定。

2　結(jié)果與分析

根據(jù)表2中的3個因素和3個水平，按L9(34)正交表安排，共計(jì)9組試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3正交試驗(yàn)及極差分析

序號因 素ABCt/minθ/℃Ja/(A·dm-2)H112狀態(tài)試片膜層發(fā)射率160-21.80.8526022.30.8436072.80.85490-22.30.8659022.80.8669071.80.857120-22.80.87812021.80.86912072.30.87

續(xù)表

序號因 素ABCt/minθ/℃Ja/(A·dm-2)H112狀態(tài)試片膜層發(fā)射率K12.541.711.7K22.571.71.7K301.71.71A2B1C3極差R0.030.010.01A>B=C

表3中第7、8、9組試片膜層表面邊緣部位較粗糙，并帶有黑色細(xì)小顆粒脫落現(xiàn)象，膜層表面質(zhì)量不合格(見圖1)，因此排除7、8、9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1　膜層粗糙

直接分析：由試片膜層發(fā)射率大小比較，第4、5號方案最好，為A2B1C2、A2B2C3。

計(jì)算分析：從極差看，三個因素對結(jié)果影響排序?yàn)锳>B=C，從K值看，較優(yōu)方案為A2B1C3。

A為主要因素，B、C為次要因素，直接分析與計(jì)算分析的主要因素結(jié)果一致，次要因素結(jié)果不一致，實(shí)際當(dāng)氧化電流較大時(shí)，零件較容易發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，因此C因素最好不要太大(不宜取C3)；補(bǔ)做A2B1C2及A2B1C3比對試驗(yàn)。結(jié)果見表4。

表4電流密度對比試驗(yàn)表

序號試驗(yàn)次數(shù)試驗(yàn)ABC數(shù)量/槽t/minθ/℃Ja/(A·dm-2)層發(fā)射率(1)A2B1C22570～100-5～02～2.50.85～0.87(2)A2B1C32570～100-5～02.5～3.00.85～0.87驗(yàn)證結(jié)果 從發(fā)射率測試結(jié)果看,直接分析數(shù)據(jù)和計(jì)算分析數(shù)據(jù)基本相同,但從試片表面膜層質(zhì)量看,計(jì)算分析結(jié)果試片表面邊緣部位膜層較粗糙,并帶有黑色細(xì)小顆粒脫落現(xiàn)象,因此選用電流密度較小的結(jié)果A2B1C2,即表3中第4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)

綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出三個因素對膜層的影響。

1)氧化溫度。溫度升高，溶液溶解能力增大，膜層孔隙率相應(yīng)增加，膜層疏松多孔，透光度下降，溫度過高，對膜的溶解迅速，膜層厚度易減薄疏松，可以觀察到膜層的腐蝕起粉。

2)電流密度。提高電流密度，膜層生成速度加快，松孔度也加多，易于著色和封閉，但用提高電流密度來增厚膜層是有限的，電流過高，電流效率降低且孔內(nèi)熱效應(yīng)加大，會使金屬表面過熱和局部溶液溫度升高，加速氧化膜的溶解，對復(fù)雜零件還會造成電流分布不均引起氧化膜厚度和著色不勻，嚴(yán)重時(shí)還會燒毀零件。

3)氧化時(shí)間。氧化膜的生長速度與氧化時(shí)間在一定范圍內(nèi)成正比，隨著膜厚的增加膜層的發(fā)射率增加明顯，而吸收率增長稍慢；隨著氧化時(shí)間繼續(xù)延長，氧化膜加厚，膜的電阻加大，導(dǎo)電能力下降，而且由于升溫，膜的溶解速度加快，故膜的生長速度開始減慢，膜孔徑變大，表面粗糙，氧化膜開始變得不均勻，且膜層內(nèi)應(yīng)力加大，著色封閉后容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，經(jīng)受惡略環(huán)境可能會出現(xiàn)老化剝落現(xiàn)象。

試片顏色為標(biāo)準(zhǔn)比色卡上第9005號顏色，即亮黑色(見圖2)。

圖2　經(jīng)深黑32#著色試片

3　結(jié)　論

通過正交試驗(yàn)確定了鋁合金陽極氧化著黑色熱控涂層工藝，獲得了最佳工藝參數(shù)為：Ja為2.0～2.5A/dm2，θ為-5～0℃，t為70～100min。獲得的鋁合金黑色陽極氧化熱控涂層呈黑色、著色均勻，具有優(yōu)越的耐蝕性和較高的膜層發(fā)射率εH。

參考文獻(xiàn)

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doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.08.009

收稿日期：2016-03-16修回日期： 2016-04-17

中圖分類號：TG174.451

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

Process Research of Black Anodized Thermal Control Coating for Aluminum Alloy

LIU Huibin, ZOU Songhua

(Tianjin Aerospace Long March Rocket Manufacturing Co.Ltd.Tianjin 300462,China)

Abstract:The black anodized aluminum alloy thermal control coating process was introduced in this paper.LY12 aluminum alloy with H112 heat treatment state was treated using sulfuric acid anodizing method and coloured with deep dark 32# organic dyestuff.The factors including oxidation time,oxidation temperature and current density were optimized by the orthogonal tests,and the optimum process parameters with high emissivity were obtained.

Keyword:anodizing;coloring;thermal control coating;hemispherical emittance of the coating