鋁合金陽極氧化膜表面異常典型案例分析

淡婷，宋全，孫宏波，李克梅，彭錚，郭祖光

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

陽極氧化是鋁合金常用的表面處理方式之一。經陽極氧化后，鋁合金的力學性能和耐腐蝕性能都有很大提高[1-2]，并且所得陽極氧化膜為多孔結構，很適合染色而獲得漂亮的外觀。然而，目前航天用鋁合金陽極氧化產品表面出現異常現象(如黑點、黑斑、印痕、條帶等)的頻次頗高。本文選取了4種典型案例進行分析，涉及到7075、LF6和2A14三種鋁合金基體，對航天產品陽極氧化膜表面缺陷的發(fā)現與分析具有一定的指導意義。

1 4種典型的陽極氧化膜表面異常案例分析

1.1 基材成分差異導致的陽極氧化膜表面異常

某7075鋁合金產品經機加工、陽極氧化后表面存在不規(guī)則的黑色斑跡(見圖1)。對黑斑部位進行橫向剖切，用5 mL/L氫氟酸 + 15 mL/L鹽酸 + 25 mL/L硝酸溶液浸蝕后采用德國蔡司Observer Z1m金相顯微鏡進行觀察，結果如圖2所示。黑斑處的顯微組織與正常位置不同，并且黑斑處基體異常組織的深度不定。采用S-3700N型掃描電鏡附帶的能譜儀分析發(fā)現，黑斑處合金元素Mg的質量分數略高于正常位置(見表1)。鎂含量偏高會使基體的耐腐蝕能力減弱，在陽極氧化前的堿洗過程中被腐蝕而形成腐蝕坑(見圖3)，導致陽極氧化后對應位置的表面粗糙度與正常位置不同，從而顯示出肉眼可見的黑斑[3]。因此，鋁合金基材局部成分異常會導致其陽極氧化膜出現黑色斑跡。

圖3 黑斑位置基體的腐蝕坑Figure 3 Etching pits on the substrate of black spot

表1 黑斑和正常區(qū)域基體的元素組成Table 1 Elemental compositions of substrate at black spot and normal area

圖1 7075鋁合金產品表面的黑斑Figure 1 Black spots on the surface of a 7075 aluminum alloy product

圖2 黑斑位置截面的金相照片(放大6.5倍)Figure 2 Sectional metallograph of black spots at a magnification of 6.5×

1.2 基體晶粒不均勻導致的陽極化膜表面異常

如圖4所示，某LF6鋁合金氣缸零件經陽極氧化后呈灰綠色，但周向表面出現大量白色斑跡，大部分呈等軸狀，局部白斑拉長并具有方向性。從圖5可知，白色斑跡處的氧化膜與灰綠色區(qū)域的氧化膜連續(xù)。白色斑跡的表面氧化膜較平整，厚度約3 μm，對應部位基體的高倍晶粒度為4級；灰綠色區(qū)域基體表面不平整，表面氧化膜也凹凸不平，厚度約12 μm，對應部位基體的高倍晶粒度為9級?；揖G色區(qū)域晶體均勻，晶界多、溶解快，生成的陽極氧化膜厚且顏色均勻；而白色斑跡處晶界少且晶體之間的取向不同，陽極氧化時溶解少、溶解慢，各取向晶粒的電荷分布存在差異，生成的陽極氧化膜薄且顏色差異大[4]?；w的顯微組織不均勻，預處理和陽極氧化后零件表面氧化膜的平整度和厚度也不均勻，光線的散射使人眼在視覺上觀察到灰白相間的現象。

圖4 LF6鋁合金氣缸表面的白色斑跡Figure 4 White spots on surface of LF6 aluminum alloy cylinder

圖5 白斑樣品的橫截面形貌Figure 5 Cross-sectional morphologies of the samples with white spots

1.3 基體流線切斷導致的陽極氧化膜表面有條紋

某2A14鋁合金端框在陽極氧化后上端表面均勻分布有若干條紋，條紋間隔約210 mm，寬約4 mm，與零件外圓切線呈60°夾角(見圖6)。從圖7可知，條紋處的組織與兩側正常組織的鍛造流線不連續(xù)，呈60°剪切狀態(tài)，且條紋處組織較兩側正常組織細小(見圖8)，晶粒拉長方向和化合相分布都與流線方向一致，而正常位置的顯微組織流線沿周向分布。經調查得知，車間冷鍛時對零件上下端面進行鍛造，鍛錘寬度為400 mm，每次人工進給量為200 ~ 300 mm，這與條紋間距吻合。零件上端面冷鍛時前一錘與下一錘鍛壓相接處的組織流線與兩側均勻變形的組織流線不連續(xù)，造成晶粒與化合相呈不同方向分布。但由于流線不均勻在端框軸向基本無深度，所以其對零件的硬度和拉伸性能無影響。綜上認為，端面冷鍛時鍛錘前后鍛壓相接處組織流線不連續(xù)，造成了晶粒和化合相分布方向與均勻變形處不同，從而在高透明的陽極化膜上產生了視覺上的色差[5]，于是出現深色條紋。

圖6 2A14鋁合金端框表面條紋的間距Figure 6 Spacing of stripes on surface of 2A14 aluminum alloy end frame

圖7 2A14鋁合金端框表面條紋處的形貌Figure 7 Morphology of stripes on surface of 2A14 aluminum alloy end frame

圖8 2A14鋁合金端框表面條紋(a)和正常位置(b)的微觀組織Figure 8 Microstructures of stripes (a) and normal position (b) of 2A14 aluminum alloy end frame

1.4 基體腐蝕導致的陽極氧化膜表面黑點

如圖9所示，某2A14鋁合金殼體外表面陽極氧化后出現黑色斑點。對黑斑處進行剖切檢查，發(fā)現斑點處都存在陽極氧化膜，但斑點處基體已發(fā)生深度約為29 μm的沿晶腐蝕，并且表面有微量凸起(見圖10)。由于陽極氧化膜的熱膨脹系數約為鋁合金基體的1/5，當溫度升高時，氧化膜中會產生較大的熱應力，易使膜層開裂和脫落，從而顯著降低氧化膜的抗腐蝕能力[6]。

圖9 2A14鋁合金殼體外表面的黑色斑點Figure 9 Black spots on outer surface of 2A14 aluminum alloy shell

圖10 2A14鋁合金殼體黑色斑跡處陽極氧化膜的截面形貌Figure 10 Cross-sectional morphology of anodization film at black spots on surface of 2A14 aluminum alloy shell

2 討論

綜上所述，鋁合金陽極氧化后的異?，F象與基材的化學成分、顯微組織、流線連續(xù)性、表面狀態(tài)等相關。通常鋁合金陽極氧化膜透明度高，有很強的透光和反光能力，基體化學成分異常、顯微組織不同、流線不連續(xù)、表面凹坑等都會造成陽極氧化膜的厚度、粗糙度或均勻性不同，產生了不同方位角的反射，即強烈的散射造成視覺色差，最終以黑斑、條紋、黑點等形式呈現。雖然大部分對應部位都有陽極氧化膜覆蓋，但也有局部鋁合金基體的腐蝕較深，無法確定內部是否存在腐蝕介質，長期儲存可能造成產品報廢。

3 改進和預防

(1) 從陽極氧化膜表面異常現象形成的原因來看，應提高鋁合金基體品質，如加強原材料鑄錠成分的均勻度，保證鍛造、熱處理等加工工藝的均勻性，等等。

(2) 嚴格控制產品加工生產過程，主要從加工過程中切削液的污染、產品存儲環(huán)境等方面進行改善。