國產(chǎn)鋁合金表面涂層體系在多因素綜合加速試驗條件下的老化規(guī)律研究

潘嶠，楊麗媛，孫志華，劉明，駱晨，高蒙，趙明亮

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點實驗室，北京 100095）

前言

國產(chǎn)2A97 鋁合金具有輕質(zhì)高強、韌性好等特點，在航空領(lǐng)域備受關(guān)注[1]。近年來，已廣泛應(yīng)用于各類飛機的蒙皮、機翼等部位，達(dá)到了減重的目的[2]。但飛機在服役過程中會長期暴露于各種惡劣的自然環(huán)境條件下，并引發(fā)鋁合金結(jié)構(gòu)及表面防護(hù)體系的腐蝕和老化，成為重要的安全隱患[3，4]。在熱帶海洋及島礁大氣環(huán)境中，鋁合金及表面防護(hù)體系會頻繁地處于濕熱、紫外輻照、鹽溶液薄液膜潤濕、干濕交替等狀態(tài)[5，6]。本工作在實驗室條件下利用自行研制的加速試驗裝置，以國產(chǎn)2A97 鋁合金底漆試樣件為研究對象，借鑒以往的研究經(jīng)驗[7]，通過對比其在加速試驗前、后的外觀變化、微觀形貌變化、以及電化學(xué)行為的差異，研究了國產(chǎn)鋁合金表面涂層體系在典型熱帶島礁海洋大氣環(huán)境中的初期失效行為。

1 試驗材料及設(shè)備

1.1 試驗材料和試樣

試樣基材（2A97 鋁合金）的主要化學(xué)成分見表1。2A97鋁合金裸材試樣的尺寸為50×100×（1.2～1.5）mm。經(jīng)過硫酸陽極化處理后，涂覆鋅黃環(huán)氧樹脂底漆，底漆厚度為25～30 μm。

1.2 試驗使用的主要儀器和設(shè)備

加速試驗及性能測試分析過程中使用的主要儀器和設(shè)備情況如表2 所示。

表1 2A97 鋁合金的主要化學(xué)成分（wt%）

表2 主要儀器和設(shè)備

表3 戶內(nèi)加速試驗步驟與試驗條件

2 試驗過程

2.1 加速腐蝕試驗方法

選用的加速試驗方法為控溫、控濕、紫外輻照、預(yù)浸漬、吹風(fēng)同步控制的多因素綜合加速試驗。加速試驗譜是在參考某熱帶島礁大氣環(huán)境因素數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立，加速試驗譜模塊及相應(yīng)的參數(shù)條件見表3。

2.2 研究方法

2.2.1 腐蝕形貌觀察

圖1 2A97 鋁合金涂層試樣經(jīng)過綜合加速試驗的宏觀腐蝕形貌

在綜合加速試驗的各個取樣周期，取出試樣進(jìn)行觀察，用數(shù)碼相機NikonD50 拍照，記錄外觀變化，隨后用VHX 100視頻顯微鏡對試樣拍攝放大500倍的微觀照片，記錄微觀形貌變化。

2.2.2 試樣的電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析

圖2 2A97 鋁合金涂層試樣經(jīng)過綜合加速試驗的微觀腐蝕形貌

電化學(xué)阻抗測試采用三電極體系，其中以飽和甘汞電極（SCE），鉑電極，2A97 鋁合金基材分別對應(yīng)參比電極、輔助電極和工作電極。開始測試前，將試樣浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5 %的NaCl 溶液中10 ～20 min，待電位穩(wěn)定后開始測量，有效測試面積為1 cm2。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 宏觀形貌變化

圖1 為2A97 鋁合金涂層試樣經(jīng)歷綜合加速試驗后各周期的宏觀腐蝕形貌。由宏觀照片可知，2A97 鋁合金涂層初始試樣表面較為平整，呈墨綠色；經(jīng)歷1 周期加速試驗后，表面開始出現(xiàn)較為明顯的顏色變化，有墨綠色變?yōu)闇\綠色；2 周期后，試樣表面局部區(qū)域有少量雜質(zhì)附著，其余區(qū)域未觀察到明顯的變化；3 周期后，試樣表面雜質(zhì)附著區(qū)域有所增大；4 周期后，試樣表面變化不明顯；5 周期后，試樣表面局部區(qū)域出現(xiàn)了明顯的涂層損傷（紅圈位置），并且顏色持續(xù)變淺。由此可推斷，經(jīng)歷5 個周期的室內(nèi)綜合加速試驗后，試樣表面局部區(qū)域的防護(hù)涂層體系已經(jīng)產(chǎn)生了一定程度的老化。

3.2 微觀形貌變化

圖2 為2A97 鋁合金涂層試樣經(jīng)歷綜合加速試驗后各周期的微觀腐蝕形貌。由微觀形貌照片可知，2A97 鋁合金涂層初始試樣表面相對平整，無明顯的凹坑等缺陷；經(jīng)歷1 周期加速試驗后，局部區(qū)域開始出現(xiàn)微小的凹坑（藍(lán)色區(qū)域）；2 周期后，試樣表面局部區(qū)域凹坑深度有所增加，其余區(qū)域未觀察到明顯的變化；3 周期后，試樣表面出現(xiàn)較大深度凹坑的區(qū)域面積有所增大；4 周期后，試樣表面整體變化不明顯；5 周期后，試樣表面局部區(qū)域出現(xiàn)了更為明顯的凹坑缺陷，并且原有的微小凹坑逐漸相連，使得面積增大。由此可推斷，經(jīng)過5 個周期綜合加速試驗后，試樣的表面局部區(qū)域的防護(hù)涂層體系已經(jīng)出現(xiàn)了大面積的凹坑缺陷。

3.3 電化學(xué)交流阻抗譜分析

圖3（a）為2A97 鋁合金涂層試樣經(jīng)歷綜合加速試驗后的Bode 曲線圖。由圖3（a）可知，隨著試驗時間的增加，試樣在低頻處（0.01 Hz）的阻抗模值呈逐漸減小的趨勢，其中經(jīng)歷5 個試驗周期后試樣的低頻阻抗模值由初始的1.88×109Ω 下降為2.04×107Ω。

圖3 2A97 鋁合金涂層試樣經(jīng)過綜合加速試驗后的EIS 測試結(jié)果

圖3（b）為2A97 鋁合金涂層試樣經(jīng)歷綜合加速試驗后的Nyquist 曲線圖。由圖3（b）可知，初始試樣的Nyquist 曲線呈斜率較大的直線，表明電流通路中存在明顯的等效電容效果；與初始試樣相比，隨著加速試驗周期的增加，試樣在同一測試頻率下，其阻抗實部和虛部均呈逐漸減小的趨勢，即曲線逐漸向橫軸偏移，電流通路中等效電阻的作用越來越明顯；5 個周期加速試驗后的試樣在同一測試頻率下，出現(xiàn)了明顯的容抗弧。由此說明，經(jīng)歷綜合加速試驗后，被檢測區(qū)域涂層的防護(hù)效果有所下降，使得電解液相對更為容易地通過涂層表面的缺陷擴散到內(nèi)部并與基體材料直接接觸，從而形成了電流通路[8]。Bode 曲線圖和Nyquist 曲線圖的特征與試樣的形貌特征相吻合。

4 結(jié)論

1）2A97 鋁合金涂層試樣在5 個周期的綜合加速試驗過程中呈現(xiàn)出涂層凹坑面積持續(xù)增加，深度持續(xù)加深的老化變化規(guī)律。

2）2A97 鋁合金涂層試樣在經(jīng)歷5 個周期的綜合加速試驗后，出現(xiàn)了明顯的涂層老化，涂層失去了防護(hù)作用。