表面處理對鋁合金鹽霧環(huán)境下的腐蝕特性試驗研究

程文禮，楊 慧，任德杰，何二鋒，李玉峰

（1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京101300；3.南京賽寶工業(yè)技術(shù)研究院，蘇州215011；4.航空工業(yè)成都飛機設(shè)計研究所，成都610041）

2124 -T851 鋁合金是Al-Cu-Mg 系高強高韌性鋁合金，具有優(yōu)良的機械加工特性，其厚板的伸長率和斷裂韌度高于常規(guī)2024 鋁合金，廣泛應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)[1]。但由于鋁合金對腐蝕環(huán)境的敏感性，易發(fā)生局部腐蝕，影響結(jié)構(gòu)完整性和安全性。鹽霧腐蝕就是一種常見和最有破壞性的大氣腐蝕，由于自然界的鹽霧是強電解質(zhì)，其中NaCl 占電解質(zhì)的77.8%，電導(dǎo)很大，能加速電極反應(yīng)使陽極活化，加速腐蝕。鹽霧對鋁合金的腐蝕是以電化學(xué)方式進行的，其誘導(dǎo)因素是鋁合金表面生成的致密氧化膜Al2O3遭到破壞，破壞過程中起主要作用的是氯離子（Cl-），Cl-離子半徑很小，只有1.81×10-10m，具有很強的穿透能力，容易在鋁合金表面的活性位置，如氧化膜不完整或材質(zhì)不均勻處發(fā)生吸附，隨著時間的延長，吸附在表面的離子與氧化膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氧化膜減薄、破裂直至裸露鋁溶解。經(jīng)過一系列的反應(yīng)，形成最終產(chǎn)物可溶于水的AlCl3[2-4]。反應(yīng)步驟為：

為了提高鋁合金的耐腐蝕性，需對其進行表面處理，如陽極氧化、化學(xué)鈍化及施加涂層等，目前國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金的腐蝕特性及表面陽極化處理有了較多的研究[5-9]。實際工程應(yīng)用中，鋁合金表面陽極化處理后，還需在表面進行防腐底膠及底漆的噴涂，進一步增強其耐腐蝕性。本文研究了2124-T851 鋁合金表面未經(jīng)處理及表面磷酸陽極化處理后噴涂不同底膠和底漆后試樣的鹽霧腐蝕特性，為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計安全提供指導(dǎo)。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用2124—T851 鋁合金試樣（組分見表1[10]），尺寸100mm×50mm×8mm（長×寬×厚），共 分4類，其中1類鋁合金表面不進行陽極氧化處理，2～4類按HB/Z 197-1991《結(jié)構(gòu)膠接鋁合金磷酸陽極化工藝規(guī)范》進行表面磷酸陽極氧化（Phosphoric Acid Anodized，PAA），磷酸陽極氧化作用是為增加底膠附著力，處理后的試樣噴涂底膠和底漆，試樣類別、表面處理狀態(tài)及數(shù)量見表2。漆膜噴涂按GB/T 1727—1992《漆膜一般制備法》制備，其中SY-D9 防腐底膠由北京航空材料研究院生產(chǎn)，固化制度為120℃/2h，長期使用溫度-55～70℃；BR-127 防腐底膠由美國Cytec公司生產(chǎn)，固化溫度范圍較大（93～177℃），長期使用溫度-55～149℃，本研究使用固化制度為120℃/0.5h，TB06-9 鋅黃丙烯酸聚氨酯底漆由天津燈塔涂料有限公司生產(chǎn)，本文研究固化制度為60℃/12h。

1.2 試驗方法

試驗按GJB 150.11A—2009《軍用裝備試驗室環(huán)境試驗方法 鹽霧試驗》標(biāo)準(zhǔn)進行試驗，試驗箱采用南京賽寶工業(yè)技術(shù)研究院CEEC-YW-1000 鹽霧試驗箱，鹽霧試驗條件見表3，試驗時間為連續(xù)噴霧24h →干燥24h →連續(xù)噴霧24h →干燥24h 交替進行，96h/循環(huán)，共計960h。干燥期間，溫度保持在15～35℃，相對濕度≤50%。

試驗步驟如下：

（1）在試驗的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，對試樣進行試驗前外觀檢查并拍照記錄。

（2）試驗前，試驗箱應(yīng)經(jīng)過16～24h 空載試車，當(dāng)確定可保持穩(wěn)定的試驗條件時，方可進行試驗（在5d 內(nèi)使用過的試驗箱不必空載試車）。

（3）將試樣與試驗箱垂直平面呈15°～30°角放在試驗箱內(nèi)支架上，如圖1所示。保證試樣之間以及與試驗箱壁之間距離不小于150mm，各試樣不應(yīng)相互遮擋，同時不應(yīng)與其他金屬和吸水性材料接觸，保證鹽霧能自由地沉降在其受試表面上。

（4）將試驗箱內(nèi)溫度調(diào)至35℃，使試樣在該溫度下保持2h。

（5）連續(xù)噴霧24h。

圖1 試樣擺放Fig.1 Sample placement

表1 2124鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table1 Chemical composition of 2124 aluminum alloy %

表2 試樣類別、表面處理狀態(tài)及數(shù)量Table2 Sample types,surface treatment status and quantity

表3 鹽霧試驗條件Table3 Salt spray test conditions

（6）噴霧結(jié)束后，打開試驗箱，讓試樣在溫度為15～35℃，相對濕度≤50%條件下干燥24h。

（7）重復(fù)步驟（5）～（6）20次，共進行10個循環(huán)（96h/循環(huán)），試驗時間共計960h，試驗過程中每96h 對試樣進行外觀檢查。外觀檢查采用濕紗布去除試樣表面積鹽，然后在試驗的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下對試樣的表面腐蝕情況檢查并拍照記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕結(jié)果

試驗根據(jù)不同腐蝕時間對試樣表面狀態(tài)進行拍照記錄，結(jié)果見表4。

2.2 表面處理對比

由表4可以看出，表面處理對腐蝕的影響較大。試驗選取了表面未處理的試樣和PAA+BR-127 底膠試樣的腐蝕情況進行對比分析，圖2為未腐蝕前的試樣表面狀態(tài)，圖3為腐蝕96h后試樣狀態(tài)，可以看出，未處理的試樣表面出現(xiàn)了大面積腐蝕，而同樣試驗時間下的PAA+BR-127 試樣未出現(xiàn)腐蝕。腐蝕960h后試樣狀態(tài)如圖4所示，未處理的試樣腐蝕面積增大，腐蝕程度增加，PAA+BR-127 試樣仍未出現(xiàn)腐蝕，這是由于表面未處理的鋁合金試樣與鹽溶液中氯離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而被腐蝕，而表現(xiàn)噴涂BR-127的試樣未出現(xiàn)腐蝕，這是因為BR-127是一種改進環(huán)氧防腐蝕底膠，其在鋁合金表面固化后形成高分量聚合物膜，阻止或延緩了鹽溶液中氯離子和水分子的滲入，起到了保護金屬表面，抑制腐蝕的作用。

2.3 表面狀態(tài)對比

圖2 試驗前試樣狀態(tài)Fig.2 Sample status before experiment

表4 鹽霧試驗記錄結(jié)果Table4 Test results of salt spray

圖3 腐蝕96h后試樣狀態(tài)Fig.3 Sample status after 96h corrosion

圖4 腐蝕960h后試樣狀態(tài)Fig.4 Sample status after 960h corrosion

試驗考察了PAA+SY-D9、PAA+BR-127 兩種表面處理狀態(tài)分別在480h和960h 腐蝕后的試樣表面特性，如圖5所示?？梢钥闯觯琍AA+SY-D9 試樣在經(jīng)過480h腐蝕后出現(xiàn)1個腐蝕點，960h后出現(xiàn)2個腐蝕點，但腐蝕點均未擴散，說明SY-D9 具有一定的防腐蝕特性，這是因為SY-D9為環(huán)氧結(jié)構(gòu)，其在鋁合金表面固化后同樣形成高分量聚合物膜，抑制了鋁合金的電化學(xué)腐蝕。相比PAA+BR-127 試樣在960h后未出現(xiàn)腐蝕，說明BR-127 底膠的防腐特性更好。

另外，由于工程應(yīng)用中用于膠接結(jié)構(gòu)的鋁合金零件表面需要噴涂底膠，但對于不膠接的零件，除底膠外還需要噴涂表面底漆，試驗考察了PAA+BR-127+TB06-9在經(jīng)過960h后的腐蝕情況。由圖6可以看出，TB06-9丙烯酸聚氨酯防腐底漆表面未出現(xiàn)顏色變化，且擦拭過程沒有底漆脫落，說明鋁合金試樣未被腐蝕，TB06-9 底漆具有較好的抗腐蝕特性。

3 結(jié)論

鋁合金經(jīng)表面磷酸陽極化（PAA）處理后噴涂SY-D9、BR-127 底膠均具有較好的耐鹽霧腐蝕性，試驗表明，BR-127 比SY-D9 具有更好的耐鹽霧腐蝕性，TB06-9 底漆同樣具有較好的耐鹽霧腐蝕性。

圖5 兩種表面處理狀態(tài)Fig.5 Two surface treatment states

圖6 PAA+BR-127+TB06-9腐蝕960hFig.6 PAA+BR-127+TB06-9 after 960h corrosion