阿洛丁1200S處理工藝參數(shù)對鋁合金耐鹽霧腐蝕性能的影響

(航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，成都 610092)

阿洛丁1200S處理工藝是一種化學(xué)氧化技術(shù)，常用于鋁合金的表面防護，以提高基體的耐蝕性以及基體和漆層的結(jié)合力，在飛機[1]、航空發(fā)動機[2-3]、機載電子設(shè)備的制造、維修過程中廣泛應(yīng)用[4-5]。阿洛丁1200S處理工藝為漢高公司的專利產(chǎn)品，其成分保密，因此只能通過添加原料來進行槽液維護，常因其pH超出溶液控制范圍而造成槽液的報廢；同時各個工序槽液成分和工藝參數(shù)控制不到位也會導(dǎo)致其產(chǎn)品在鹽霧試驗中出現(xiàn)不合格的情況[6]，由于影響阿洛丁1200S處理過程因素多，很難找到造成其產(chǎn)品耐鹽霧腐蝕性能不合格的關(guān)鍵因素并加以控制。波音公司要求按照ASTM B 117-2011《鹽霧設(shè)備的操作標(biāo)準(zhǔn)》對經(jīng)過阿洛丁1200S處理的試樣進行168 h的中性鹽霧試驗，將耐鹽霧腐蝕性能作為產(chǎn)品質(zhì)量控制的指標(biāo)，通過工藝控制試驗尋找影響試樣耐鹽霧腐蝕性能的關(guān)鍵因素，建立監(jiān)控方法是解決阿洛丁1200S處理工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量一致性的唯一途徑。

本工作從原材料差異，前處理，阿洛丁1200S處理時間、含量和pH，以及后處理等方面，對阿洛丁1200S處理工藝控制的全要素進行了研究，以耐鹽霧腐蝕性能為評價標(biāo)準(zhǔn)，尋找影響工藝控制的關(guān)鍵因素，達到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的，同時可以將該生產(chǎn)線的研究成果作為經(jīng)驗推廣到其他表面處理生產(chǎn)線。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為2024-T3鋁合金，試樣尺寸10 in×3 in×0.032 in(254 mm×76 mm×0.8 mm)，共制備了400片試樣。

1.2 工藝配方及工藝流程

對試樣先進行阿洛丁1200S處理。阿洛丁1200S處理液的主要成分為阿洛丁1200S (7.5～22.5 g/L)，pH為1.3～1.8。操作溫度為20～35 ℃，處理時間1～3 min。阿洛丁1200S處理工藝的主要流程：除油→堿清洗→熱水洗→冷水洗→輕脫氧→冷水洗→阿洛丁1200S處理→冷水洗→干燥。

1.3 測試方法

按照ASTM B 117-2011標(biāo)準(zhǔn)對阿洛丁1200S處理過的試樣進行168 h的鹽霧試驗，鹽霧為5%(質(zhì)量分數(shù))NaCl溶液，試樣表面與垂直方向呈6°的傾斜。時間每延長30 s，增加1組(2個)試樣，共5組鹽霧試樣。

耐鹽霧腐蝕性能合格標(biāo)準(zhǔn):鹽霧腐蝕后，在總面積為60 in2(38 709.6 mm2)的暴露試驗區(qū)域，孤立的斑點和點蝕總量不能超過6個；同時在總面積為 30 in2(19 354.8 mm2)的暴露試驗區(qū)域，孤立的斑點和點蝕總量不能超過5個。即2個試樣上總的腐蝕點個數(shù)不得超過6個，并且單個試樣上腐蝕點個數(shù)不能超過5個，且不能有直徑大于0.031 in(0.787 4 mm)的點。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料的影響

從阿洛丁1200S原料取樣，將其配成15 g/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后測該標(biāo)準(zhǔn)溶液的pH。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每桶阿洛丁1200S原料的pH都存在差異，考慮到阿洛丁1200S原料對槽液使用效果的影響，對每桶阿洛丁1200S原料分別配置小槽，并對其處理過的鋁合金試樣進行鹽霧試驗，發(fā)現(xiàn)阿洛丁1200S原料的pH對經(jīng)過其處理過的試樣的鹽霧試驗結(jié)果存在影響。

表1為阿洛丁1200S原料的pH，選擇pH低的阿洛丁1200S原料進行配槽。若其pH超出上限，可繼續(xù)添加阿洛丁1200S原料，使槽液中阿洛丁1200S達到允許的最大含量(22.5 g/L)，或每使用0.9～1.8 kg 阿洛丁1200S 加入60 g/L的硝酸。

表1 阿洛丁1200S原料的pHTab. 1 pH value of Alodine 1200S raw material

2.2 前處理的影響

2.2.1 堿清洗槽

試樣在進行阿洛丁1200S處理前，使用質(zhì)量濃度為45～60 g/L的Turco 4215NCLT堿清洗槽進行了除油清洗，鹽霧試驗后，試樣的表面形貌如圖1所示。其中，5組試樣的阿洛丁1200S處理時間分別為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 min，并且同時下槽處理。結(jié)果表明：這些試樣的耐鹽霧腐蝕性能均不合格。造成試樣耐鹽霧腐蝕性能不合格的一個原因是堿清洗槽油污較多，清洗過程中很難達到水膜完整狀態(tài)。油污的存在會隔離成膜物質(zhì)和金屬基體，導(dǎo)致成膜不均勻，在鹽霧試驗中出現(xiàn)腐蝕點。因此應(yīng)加強堿清洗槽的維護，控制堿清洗槽的雜質(zhì)和油污，當(dāng)槽液表面有可見油污時要及時清理和過濾，當(dāng)無法保證水膜完整狀態(tài)時，應(yīng)更換槽液，保證清洗后零件表面水膜連續(xù)。

圖1 前處理不當(dāng)試樣鹽霧試驗后的表面形貌Fig. 1 Surface morphology of improperly pretreated samples after salt spray test

2.2.2 脫氧時間

試驗使用腐蝕速率為0.34～0.42 μm/min的三酸(CrO3、HNO3、HF)脫氧槽進行脫氧，表2為脫氧時間對阿洛丁1200S處理試樣耐鹽霧腐蝕性能的影響。從試驗結(jié)果可以看出，脫氧時間的延長會導(dǎo)致試樣耐鹽霧腐蝕性能不合格。這是因為鋁合金在大氣環(huán)境中自然形成的氧化層厚度為納米級，因此較易去除，并且試驗采用的試樣為進口成品試樣，覆膜保護，表面質(zhì)量狀態(tài)好，在1～3 min脫氧過程中，試樣表面的氧化層被去除。且2024鋁合金的銅含量高，脫氧時間的延長會造成表面組織成分不均勻，反而影響阿洛丁1200S在試樣表面的成膜，導(dǎo)致其耐鹽霧腐蝕性能不合格。

表2 脫氧時間對試樣耐鹽霧腐蝕性能的影響Tab. 2 Eeffect of deoxidization time on salt spray corrosion resistance of samples

2.3 阿洛丁1200S處理的影響

2.3.1 阿洛丁1200S處理時間

試驗使用5組相同的試樣，每組2片，阿洛丁1200S處理時間分別為1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 min。圖2為經(jīng)過168 h鹽霧試驗后試樣表面的形貌。結(jié)果表明：5組試樣表面均無腐蝕點。經(jīng)過多組驗證試驗，在相同的工藝條件下，阿洛丁1200S處理時間為1～3 min時，均可得到耐鹽霧腐蝕性能合格的產(chǎn)品。因此，阿洛丁1200S處理時間不是影響鹽霧試驗結(jié)果的關(guān)鍵因素。

2.3.2 阿洛丁1200S含量和處理液pH

對阿洛丁1200S生產(chǎn)線全部的槽液成分和參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集和分析，使用Minitab軟件對試驗數(shù)據(jù)作圖，分別得到耐鹽霧腐蝕性能不合格試樣的概率與阿洛丁1200S含量以及處理液pH的散點圖，如圖3和圖4所示。

由圖3可以看出，當(dāng)阿洛丁1200S的含量增加時，耐鹽霧腐蝕性能不合格試樣的概率降低，因為阿洛丁1200S含量的升高有利于膜層的生成，阿洛丁1200S最佳的質(zhì)量濃度范圍是11.3～12.5 g/L。由圖4可以看出，當(dāng)阿洛丁1200S的pH升高時，耐鹽霧腐蝕性能不合格試樣的概率降低。這是因為當(dāng)pH較低時，溶液的酸性強，對膜層的溶解作用強，pH升高有利于膜層的生成，阿洛丁1200S最佳pH范圍是1.6～1.8。

圖2 不同阿洛丁1200S處理時間的試樣鹽霧試驗后的表面形貌Fig. 2 Surface morphology of samples treated by Alodine 1200S for different periods of time after salt spray test

2.4 后處理的影響

阿洛丁處理后需要使用去離子水對試樣進行清洗，以洗凈殘留在試樣表面的溶液，避免膜層繼續(xù)反應(yīng)起粉。由于阿洛丁1200S膜層是一種膠狀膜層，剛形成的新鮮膜層脆弱，易受到損傷，因此不可采用噴淋水進行沖洗，應(yīng)在水槽中緩慢漂洗。清洗時間不宜太長，以免膜層部分溶解或六價鉻化合物流失導(dǎo)致耐蝕性下降[2]。

處理后的試樣可以使用溫度不高于54 ℃的熱循環(huán)空氣進行干燥，也可在空氣中進行干燥。切忌使用壓縮空氣吹干，已免過大的壓力損傷膜層。阿洛丁1200S處理形成的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜是顆粒狀致密的連續(xù)膜層[3]，其完整性是耐鹽霧腐蝕性能的保證。

3 結(jié)論

(1) 在阿洛丁1200S處理工藝的前處理階段，堿清洗效果要保證表面水膜連續(xù)，脫氧時間為1～3 min。

圖3 耐鹽霧腐蝕性能不合格試樣的概率與 阿洛丁1200S含量的散點圖 圖4 耐鹽霧腐蝕性能不合格試樣的概率與 處理液pH的散點圖Fig. 3 Scatter diagram between probability of unqualified samples in salt spray corrosion resistance and Alodin 1200S content Fig. 4 Scatter diagram between probability of unqualified samples in salt spray corrosion resistance and pH value of treatment solution

(2) 阿洛丁1200S最佳質(zhì)量濃度范圍為11.3～12.5 g/L，pH為1.6～1.8，按照規(guī)定范圍定期對槽液進行維護，可延長阿洛丁1200S主槽的使用壽命。

(3) 阿洛丁1200S處理后的水清洗不得使用噴淋裝置；同時干燥時不可采用壓縮空氣，以免造成其膜層損傷。