淺析民用飛機(jī)鋁合金零件表面處理

摘要：簡要介紹了鋁合金零件表面處理的目的，主要對機(jī)體鋁合金零件表面處理的四種方法進(jìn)行研究，闡述了陽極化的原理。旨在為民用飛機(jī)鋁合金零件表面處理提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：鋁合金；表面處理；陽極化

鋁合金具有力學(xué)性能好、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中，尤其是在輕量化要求較高的航空航天器領(lǐng)域。鋁合金經(jīng)過各種機(jī)械（電）化學(xué)方法處理后具有表面形貌、表面粗糙程度及在自然環(huán)境中防腐蝕性等表面特性。此外，鋁合金零件經(jīng)陽極化處理后，耐鹽霧試驗(yàn)可高達(dá)500h以上，經(jīng)化學(xué)轉(zhuǎn)換膜處理后，耐鹽霧試驗(yàn)性能可大于168h。

1.鋁合金表面處理的目的

由于鋁與氧的親和力較強(qiáng)，即使在20℃空氣中也會(huì)很快在潔凈的表面形成一薄層無定 形氧化膜 Al2O3。此外，環(huán)境中可能存在的氯氣、氟、二氧化硫等，使其表面成分更為復(fù)雜。為了提高鋁合金的防護(hù)能力及裝飾性，必須對鋁材表面進(jìn)行處理，以去掉表面層物質(zhì)。表面處理是一個(gè)轉(zhuǎn)化過程，它將鋁材表面未知的和可能不希望有的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為已知的且具有希望特性的性質(zhì)，因此對鋁合金零件進(jìn)行表面處理的目的與要求是：

（1）去除表面力學(xué)性能差、與基體結(jié)合強(qiáng)度低且在空氣等環(huán)境中不穩(wěn)定的物質(zhì)。

（2）改變表面形貌，以增大表面積，增強(qiáng)膠接界面上的機(jī)械嚙合作用。

（3）形成新的表面物質(zhì)，它必須與基體結(jié)合優(yōu)良，本身的內(nèi)聚強(qiáng)度優(yōu)良。

（4）提高膠接劑與表面物質(zhì)之間的親和性，確保界面粘接力的作用。

（5）保護(hù)已處理過的表面，避免或減少存放過程中的表面吸附、溶解和化學(xué)反應(yīng)所造成對表面影響。

2、鋁合金表面處理方法

鋁合金表面有一層致密的天然氧化膜，耐腐蝕能力較高。民用飛機(jī)鋁合金的表面處理工藝，基本有以下四種：硫酸陽極化，鉻酸陽極化，磷酸陽極化，化學(xué)氧化（阿洛?。?。

2.1硫酸陽極化

硫酸陽極化，與鉻酸陽極化相比，其優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)層為無色，缺點(diǎn)是保護(hù)層厚，因而疲勞壽命降低，且成本較高。因此，硫酸陽極化在飛機(jī)上使用是有限的。硫酸陽極化，其膜層厚度2.5μm-5.1μm，當(dāng)工程圖紙或工程文件批準(zhǔn)時(shí)，可用薄膜硫酸陽極化代替鉻酸陽極化。

硬質(zhì)陽極化和裝飾零件的著色陽極化是硫酸陽極化的兩種改進(jìn)工藝。鋁的硬質(zhì)陽極化用以提高鋁合金的抗磨性能，有時(shí)也用于表面修補(bǔ)。硬質(zhì)陽極化層的厚度為0.0012-0.0014英寸，因厚度較厚，對零件的疲勞壽命影響較大。裝飾零件的著色陽極化也稱裝飾性陽極化，此工藝用于飛機(jī)內(nèi)部有外觀要求的零件，主要由供應(yīng)商來實(shí)施。

2.2鉻酸陽極化

鉻酸陽極化是飛機(jī)上最常用的表面防護(hù)方法。陽極化后零件表面呈淡灰色、黃灰色或綠灰色。鉻酸陽極化膜層致密，對鋁合金具有最好的抗腐蝕保護(hù)作用。

2.3磷酸陽極化

磷酸陽極化是鋁合金零件結(jié)構(gòu)膠接前的表面處理工藝。磷酸陽極化處理工藝是一類弱酸性陽極化處理方法，與鉻酸陽極化、硫酸陽極化方法相比，具有環(huán)境友好、毒性小、成本低、工藝參數(shù)容易控制等優(yōu)點(diǎn)?？梢悦黠@改善鋁合金構(gòu)建待膠接表面的表面狀態(tài)，

有效提高鋁合金膠接構(gòu)建的耐久性。磷酸陽極化能在鋁合金表面形成厚度大，凹凸不平、多孔的膜，抗腐蝕性很差，但膠接時(shí)膠接劑能夠滲透進(jìn)入陽極化鋁合金表面孔洞。

2.4鋁的轉(zhuǎn)化膜層

鋁的轉(zhuǎn)化膜層會(huì)在材料表面形成一層抗腐蝕的化學(xué)保護(hù)層。轉(zhuǎn)化膜層主要用于飛機(jī)外表面不噴漆區(qū)和內(nèi)外表面噴漆區(qū)的包鋁板上。轉(zhuǎn)化膜層的抗腐蝕保護(hù)作用不如陽極化好，主要作為涂裝底層。但其優(yōu)點(diǎn)在與不影響疲勞壽命，且工藝簡單、操作方便、生產(chǎn)效率高、成本低，不受工件形狀大小限制，適用于大批量生產(chǎn)。由于轉(zhuǎn)化涂層不影響疲勞壽命，有些零件要涂轉(zhuǎn)化涂層以替代陽極化處理。

轉(zhuǎn)化膜層主要有兩種類型：CC膜層（無色轉(zhuǎn)化膜層）、及MC膜層（多色轉(zhuǎn)化膜層）。CC膜層應(yīng)符合MIL-C-5541，3類要求，MC膜層應(yīng)符合MIL-C-5541，1A類要求。當(dāng)沒有規(guī)定類型時(shí)，應(yīng)采用MC膜層。飛機(jī)外形表面零件應(yīng)采用CC膜層。

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層成膜的過程大致分為三步：

金屬表面被氧化而變成離子轉(zhuǎn)入溶液，同時(shí)產(chǎn)生原子氫；

初生的原子氫會(huì)使一定的6價(jià)鉻還原成3價(jià)鉻，由于表面的H+被消耗而使附近的PH值升高，使還原的3價(jià)鉻以膠體的氫氧化鉻形式在表面沉淀；

氫氧化鉻沉淀的同時(shí)，會(huì)吸附一定的6價(jià)鉻，構(gòu)成一定組成的鉻酸鹽膜。

酸性溶液中的鉻（6價(jià)）酸鹽是強(qiáng)氧化劑，而鉻鹽的還原物通常是不溶性的。因此經(jīng)過上述三步，能夠在金屬表面生成不溶性鹽或增加天然氧化膜的厚度。

3、陽極化的原理

陽極化是一種在鋁合金表面均勻地形成一層薄薄的氧化鋁的電解工藝。飛機(jī)上大多數(shù)的無包鋁層鋁合金都進(jìn)行陽極化處理；對于包鋁層零件，有些要進(jìn)行陽極化處理，有些則涂上轉(zhuǎn)化涂層，這取決于零件在飛機(jī)上使用的區(qū)域。

鋁合金陽極化處理包括預(yù)處理和陽極化處理2個(gè)過程，如圖 1 所示，其中預(yù)處理包括鋁合金板表面除油、 堿液漂洗和和酸液漂洗。

其成膜包括三步驟：

（1） 陽極反應(yīng)：電解質(zhì)是強(qiáng)酸性，陽極電位作用下，表面附近水分子被氧化成原子氧[O]，[O]可迅速與表面的鋁發(fā)生作用形成一層致密的氧化鋁薄膜。

（2） 陰極反應(yīng)：陰極僅起導(dǎo)電作用，表面會(huì)析出氫。

（3） 氧化膜的生長：陽極反應(yīng)生成的氧化膜是絕緣性的，如果電解液不能使其溶解，則發(fā)展到一定程度，電流會(huì)被阻擋，膜層停止生長。

陽極化的膜層的微觀形貌是蜂窩狀結(jié)構(gòu)，后續(xù)可通過重鉻酸鹽或去離子水實(shí)現(xiàn)水化封閉蜂窩微孔，增加耐蝕能力。

4、結(jié)語

鋁合金零件經(jīng)過表面處理之后，其破壞強(qiáng)度、 屈服強(qiáng)度、 彈性模量和斷裂延伸率等力學(xué)性能基本保持不變，防腐蝕性能得到了提高。鋁合金零件的陽極化處理方法優(yōu)于化學(xué)氧化方法，而磷酸陽極化處理是一類弱酸性陽極化處理方法，與鉻酸或硫酸陽極化方法相比，具有環(huán)境友好、毒性小、成本低、工藝參數(shù)易控制等優(yōu)點(diǎn)，可以明顯改善鋁合金零件的表面狀態(tài)，有效地提高鋁合金零件的耐久性。

作者簡介：

王茹（1986，6-），女，陜西鎮(zhèn)安，本科，工程師，研究方向：材料工藝。