2D70鋁合金管材硬質(zhì)陽極氧化膜白色條狀缺陷分析

王佳*,王金權(quán)

(沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司,遼寧 沈陽 110850)

2D70鋁合金管材硬質(zhì)陽極氧化膜白色條狀缺陷分析

王佳*,王金權(quán)

(沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司,遼寧 沈陽 110850)

針對(duì)某大規(guī)格 2D70鋁合金管材零件硬質(zhì)陽極氧化后出現(xiàn)白色條狀缺陷問題,通過成分分析,硬度和電導(dǎo)率檢測(cè),微觀組織觀察等手段對(duì)缺陷區(qū)域和正常區(qū)域進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)域的析出相較正常區(qū)域粗大是導(dǎo)致白色條狀缺陷的根本原因,而這由固溶過程不恰當(dāng)?shù)牡鯍旆绞揭?提出了新的吊掛方式,解決了上述問題.

耐熱鋁合金;硬質(zhì)陽極氧化;白色條狀缺陷;析出相;固溶時(shí)效;裝掛

2D70合金為Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鋁合金,成分與歐美系2618A及俄系A(chǔ)K4-1?合金相當(dāng)[1-2].具有優(yōu)良的冷熱成型性能和使用性能,其半成品主要有預(yù)拉伸厚板、棒材、型材、管材、自由鍛件等,種類齊全,成品零件被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)飛機(jī)制造,如梁類、管類、臂類等.某 2D70鋁合金大規(guī)格管材零件硬質(zhì)陽極氧化后出現(xiàn)白色條狀缺陷,本文對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析,找出缺陷產(chǎn)生的原因,以便指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn).

1 2D70鋁合金管材硬質(zhì)陽極氧化工藝

該2D70鋁合金擠壓管材外徑280 mm,管壁厚25 mm,管長(zhǎng)4 m,其主要合金元素組成為:Cu 2.0% ～2.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),Mg 1.2% ～ 1.8%,Fe 0.9% ～ 1.4%,Si 0.10% ～ 0.25%,Ti 0.05% ～ 0.10%,Ni 0.9% ～1.4%.硬質(zhì)陽極氧化前,管材依次經(jīng)(530 ± 5) °C淬火、(200 ± 5) °C時(shí)效24 h至T6狀態(tài)(固溶處理加完全人工時(shí)效).硬質(zhì)陽極氧化的配方和工藝條件為:濃硫酸180 ～ 200 mL/L,Al3+≤15 g/L,脈沖占空比20%,溫度2 ～ 4 min,斜坡時(shí)間(TR)8 min,電流密度4.0 ～ 6.0 A/dm2,總時(shí)間(TT)40 ～ 50 min.陰極選用鉛板,陰陽極面積比為1∶(10 ～ 11).

2 白色條狀缺陷特征

在近期生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)幾個(gè)批次的零件經(jīng)硬質(zhì)陽極氧化后,管材零件內(nèi)表面和外表面膜層均出現(xiàn)白色條狀缺陷(見圖1箭頭處),缺陷沿軸向貫穿整個(gè)零件,白色條狀缺陷和正?；疑咏惶娣植?缺陷寬度相對(duì)均勻,且內(nèi)外對(duì)稱.

3 缺陷原因分析

3.1 分析思路和測(cè)試方法

首先,分析零件在機(jī)加過程中是否存在切削過快、冷卻不充分等現(xiàn)象而導(dǎo)致基材過熱甚至過燒;然后,褪除存在白色條狀缺陷的零件表面的硬質(zhì)陽極氧化膜(配方和工藝條件為:氫氧化鈉40 ～ 60 g/L,Al3+≤130 g/L,溫度50 ～ 60 °C,時(shí)間1 ～ 5 min),重新進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化,考察白色缺陷出現(xiàn)的重復(fù)性;最后,分別從膜層厚度和硬度,以及基材的化學(xué)成分、顯微組織、電導(dǎo)率等方面,對(duì)硬質(zhì)陽極氧化膜的正常區(qū)域和缺陷區(qū)域進(jìn)行深入的對(duì)比分析.

圖1 2D70鋁合金管材零件經(jīng)硬質(zhì)陽極氧化后內(nèi)表面和外表面的白色條狀缺陷Figure 1 White stripe defects on inner and outer surfaces of a 2D70 aluminum alloy tube after hard anodization

厚度、硬度、電導(dǎo)率檢測(cè)分別按GB/T 6462-2005《金屬和氧化物覆蓋層 厚度測(cè)量 顯微鏡法》、GB/T 230-2009《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn)》、GB/T 12966-2008《鋁合金電導(dǎo)率渦流測(cè)試方法》.金相組織試樣先初磨、細(xì)磨和機(jī)械拋光,經(jīng)Kellers腐蝕劑[3]腐蝕后采用光學(xué)顯微鏡直接觀察.透射電鏡觀察試樣采用打磨和雙噴電解減薄制取,電解溶液為體積比為1∶3的硝酸和甲醇混合溶液,采用液氮冷卻至-20 ～-35 °C,工作電壓15 ～ 20 V,電流80 ～ 95 mA,在TecnaiG220型透射電鏡上進(jìn)行觀察,加速電壓200 kV.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 基材組織、成分及缺陷再現(xiàn)

經(jīng)檢查,零件機(jī)加過程的工藝參數(shù)及冷卻情況符合工藝要求,而且從基材缺陷區(qū)域和正常區(qū)域的金相照片(見圖 2)來看,缺陷區(qū)域的晶粒未發(fā)生異常長(zhǎng)大,無晶界熔融的痕跡,說明基材在加工過程中無過熱和過燒現(xiàn)象.

圖2 基材表面正常區(qū)域和缺陷區(qū)域的顯微組織Figure 2 Microstructures of substrate surface at normal and defect positions

將零件的硬質(zhì)陽極氧化膜褪去,再分析基材在缺陷區(qū)域和正常區(qū)域的化學(xué)成分,發(fā)現(xiàn)兩者差別不大(見表1),均滿足2D70管材標(biāo)準(zhǔn).

表1 缺陷區(qū)域和正常區(qū)域基材的元素組成Table 1 Elemental compositions of normal and defect positions on the substrate

對(duì)缺陷零件重新陽極氧化后發(fā)現(xiàn),所得氧化膜依舊出現(xiàn)白色條狀缺陷,并且缺陷的位置和分布特征都與之前一樣,說明缺陷重復(fù)出現(xiàn).

3.2.2 膜層性能

為深入分析缺陷產(chǎn)生的原因,進(jìn)一步考察了正常區(qū)域和缺陷區(qū)域膜層的厚度和顯微硬度,結(jié)果見表2.缺陷區(qū)域的平均膜厚和顯微硬度比正常區(qū)域分別大0.9 μm和6 HV,但均滿足生產(chǎn)工藝中厚度為50 ～ 60 μm、顯微硬度≥250 HV的要求.

表2 缺陷區(qū)域和正常區(qū)域硬質(zhì)陽極氧化膜的厚度和顯微硬度Table 2 Thickness and microhardness of hard anodic film at normal and defect positions

3.2.3 基材性能

進(jìn)一步對(duì)管材零件缺陷區(qū)域和正常區(qū)域內(nèi)外側(cè)的電導(dǎo)率和洛氏硬度進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果見表3.

表3 缺陷區(qū)域和正常區(qū)域內(nèi)外側(cè)硬質(zhì)陽極氧化膜的電導(dǎo)率及洛氏硬度Table 3 Conductivity and Rockwell hardness at normal and defect positions of inside and outside of hard anodic films

缺陷區(qū)域內(nèi)側(cè)的平均電導(dǎo)率比外側(cè)大0.5 MS/m.正常區(qū)域內(nèi)側(cè)的平均電導(dǎo)率與外側(cè)的一致.由此可見,缺陷區(qū)域中外側(cè)的電導(dǎo)率偏高,超出規(guī)定的范圍(≤21 MS/m),而正常區(qū)域外側(cè)的電導(dǎo)率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

正常區(qū)域基材的平均洛氏硬度為71.1 HRB,比缺陷區(qū)域略大,但兩者的洛氏硬度均滿足工藝要求.

圖3 正常區(qū)域和缺陷區(qū)域硬質(zhì)陽極氧化膜的透射電鏡照片F(xiàn)igure 3 Transmission electron microscopic images of hard anodization film at normal and defect positions

采用透射電鏡觀察正常區(qū)域和缺陷區(qū)域基材的顯微組織,結(jié)果見圖3.正常區(qū)域的金相組織為α固溶體上分布著細(xì)小、均勻的析出相;而缺陷區(qū)域?yàn)棣凉倘荏w上分布著偏粗的析出相.與細(xì)小的析出相相比,偏粗的析出相使基體的固溶度減小,晶格畸變程度降低,從而使材料硬度(強(qiáng)度)降低,從而使材料硬度(強(qiáng)度)降低,這與基材的硬度測(cè)試結(jié)果一致.偏粗的析出相還會(huì)使基體點(diǎn)陣中電子散射源的數(shù)量減少,密度減小,而導(dǎo)電電子的平均自由度增大,最終使電導(dǎo)率升高[4],這與缺陷區(qū)域電導(dǎo)率較正常區(qū)域電導(dǎo)率高的現(xiàn)象吻合.在相同的陽極氧化工藝參數(shù)下,較高的電導(dǎo)率將得到較厚的陽極氧化膜,這解釋了缺陷區(qū)域膜層較厚的現(xiàn)象.而不同的膜層厚度對(duì)光的吸收、反射、折射效果不同,因此缺陷區(qū)域與正常區(qū)域呈現(xiàn)出不同的顏色.

4 改進(jìn)措施

鋁合金在固溶時(shí)效處理過程中,若固溶冷卻不及時(shí)或者冷卻速率較慢,析出相將在固溶過程初期析出質(zhì)點(diǎn),質(zhì)點(diǎn)將在后續(xù)時(shí)效過程中繼續(xù)長(zhǎng)大,形成比充分固溶時(shí)更粗大的析出相.因此,缺陷區(qū)域中尺寸偏粗的析出相可能是由于固溶冷卻過程中冷卻不及時(shí)或者冷卻速率較慢而形成的.零件在生產(chǎn)過程中采用立式淬火爐進(jìn)行固溶,裝掛如圖4a所示.加熱過程中管材間距太小甚至靠在一起而存在點(diǎn)線接觸,入水時(shí)點(diǎn)線接觸的相鄰區(qū)域冷卻速率偏慢,將導(dǎo)致部分質(zhì)點(diǎn)先析出.為了避免這種情況,對(duì)淬火裝掛方式進(jìn)行改進(jìn),如圖4b所示.采用支架將3根管材有效隔離,使管材淬火時(shí)各部位能同時(shí)接觸冷卻介質(zhì),確保均勻冷卻,有效解決了某 2D70鋁合金大規(guī)格管材硬質(zhì)陽極氧化后出現(xiàn)白色條狀缺陷的問題,保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行.

圖4 固溶時(shí)效處理時(shí)原裝掛方式和改進(jìn)后的裝掛方式Figure 4 Original and modified racking method for solution and aging treatment

5 結(jié)語

2D70鋁合金管材零件經(jīng)硬質(zhì)陽極氧化后,與正常區(qū)域顏色不同的缺陷部位的膜層性能與正常部位的膜層性能相當(dāng),可以滿足硬質(zhì)陽極氧化膜層的使用要求.2D70鋁合金大規(guī)格管材零件由于淬火過程裝掛方式不恰當(dāng),部分區(qū)域冷卻速率較慢,導(dǎo)致出現(xiàn)較正常區(qū)域粗大的析出相,應(yīng)通過優(yōu)化吊掛方式來保證整個(gè)零件均勻且充分固溶,以防止析出相在固溶過程先期析出質(zhì)點(diǎn),繼而在時(shí)效處理時(shí)形成粗大的析出相.

[1] 楊守杰, 黃敏, 朱娜, 等.2D70鋁合金熱穩(wěn)定性研究[J].航空材料學(xué)報(bào), 2003, 23 (增刊): 73-77.

[2] 王國(guó)軍, 熊柏青, 呂新宇, 等.2D70鋁合金成分優(yōu)化[J].金屬世界, 2009 (2): 21-24.

[3] 李培躍, 熊柏青, 張永安, 等.2D70耐熱鋁合金顯微組織均勻化熱處理[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20 (11): 2101-2105.

[4] 涂益川, 廖學(xué)軍, 黃明祥.恒定電流密度下鋁合金的硬質(zhì)陽極氧化[J].電鍍與涂飾, 2000,19 (2): 13-15, 23.

Analysis on white stripe defect of hard anodic film on 2D70 aluminum alloy tube

WANG Jia*, WANG Jin-quan

Aiming at the white stripe defects appearing on 2D70 aluminum alloy tubes after hard anodization, the defect and normal positions were studied by composition analysis, hardness and conductivity testing, and microscopic structure observation.It was found that the basic reason for white stripe defect is that the precipitated phases at defect positions are coarser than those at normal positions, which is caused by inappropriate racking during the solution treatment.A new racking method was given, by which the white stripe defect problem is solved.

heat-resistant aluminum alloy; hard anodization; white stripe defect; precipitated phase; solution and aging treatment; racking

TQ153.6

A

1004 - 227X (2017) 19 - 1056 - 04

10.19289/j.1004-227x.2017.19.008

First-author's address:Shenyang Aircraft Industry (Group) Co., Ltd., Shenyang 110850, China

2017-05-03

2017-09-12

王佳(1985-),女,遼寧沈陽人,學(xué)士,工程師,主要從事表面處理與防腐技術(shù)領(lǐng)域的工作.

作者聯(lián)系方式:(E-mail) 413894340@qq.com.

[ 編輯:周新莉 ]