返修對(duì)鋁合金疲勞性能及其陽(yáng)極氧化膜性能的影響

葛玉麟*，宇波，張騏，詹中偉，孫志華

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

鋁合金在航空、航天等領(lǐng)域被廣泛使用，但其耐蝕性較差，通常需要進(jìn)行一定的表面處理來(lái)延長(zhǎng)其使用壽命。工業(yè)上一般通過(guò)陽(yáng)極氧化在基體表面原位形成幾微米厚的膜層來(lái)提高鋁合金的耐蝕性。

鋁合金陽(yáng)極氧化工藝已經(jīng)很成熟，但是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，主要包含兩類(lèi)。一類(lèi)是基體自身缺陷(如成分差異、晶粒不均、腐蝕等)造成的黑點(diǎn)、印痕、條帶、顏色不均等問(wèn)題[1]，這類(lèi)問(wèn)題通過(guò)返修很難得到解決。另一類(lèi)是陽(yáng)極氧化過(guò)程中電流密度[2]、槽液溫度[3]等參數(shù)控制不當(dāng)以及槽液雜質(zhì)超標(biāo)等[4]引起的膜層疏松、粉化、局部燒蝕等缺陷[5]，生產(chǎn)中對(duì)這類(lèi)問(wèn)題件一般是進(jìn)行返修，有時(shí)甚至進(jìn)行多次返修。但多次返修可能會(huì)影響鋁合金基體的疲勞性能和陽(yáng)極氧化膜性能[6-7]。本文針對(duì)2024 和7150 航空鋁合金，分析了返修次數(shù)對(duì)膜層耐蝕性、基體疲勞性能等的影響，為鋁合金陽(yáng)極氧化問(wèn)題件的返修處理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 陽(yáng)極氧化和退膜工藝

將2024 和7150 鋁合金加工成100 mm × 50 mm × 3 mm 的試片。陽(yáng)極氧化的主要工序?yàn)閴A洗、酸出光、陽(yáng)極氧化和封閉。陽(yáng)極氧化采用中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院的環(huán)保型蘋(píng)果酸-硫酸體系電解液，工藝條件為：溫度25 °C，電壓15 V，時(shí)間20 min。

在90 °C 下采用37 mL/L 磷酸 + 17 g/L 鉻酸酐混合溶液退除陽(yáng)極氧化膜，每隔10 min 對(duì)試樣進(jìn)行清洗、吹干和稱(chēng)重，直至試樣的質(zhì)量不變，即視為膜層完全退除干凈。

1. 2 性能測(cè)試

1. 2. 1 膜層外觀和顯微形貌

目視陽(yáng)極氧化試樣外觀，采用FEI Quanta 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣的截面形貌。

1. 2. 2 膜重

按照ASTM B137-95Standard Test Method for Measurement of Coating Mass Per Unit Area on AnodicallyCoated Aluminum，將陽(yáng)極氧化試樣干燥并稱(chēng)重后進(jìn)行退膜，每5 min 取出試樣，用去離子水沖洗、干燥后稱(chēng)重，直至稱(chēng)重結(jié)果穩(wěn)定，根據(jù)退膜前后的質(zhì)量差和試樣面積計(jì)算膜重。

1. 2. 3 膜層耐蝕性

按照GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行中性鹽霧(NSS)試驗(yàn)，采用pH = 6.5 ～ 7.2 的50 g/L NaCl 溶液。試樣測(cè)試面朝上并與垂直方向呈30°放置，溫度35 °C，每80 cm2面積的沉降速率為1 ～ 2 mL/h。

1. 2. 4 基體疲勞性能

按照HB 5287-1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》檢測(cè)2024 和7150 鋁合金棒的疲勞性能，采用圖1所示的單截面光滑軸向應(yīng)力疲勞試棒，應(yīng)力集中系數(shù)Kt= 1。

圖1 疲勞試棒示意圖Figure 1 Schematic diagram of fatigue test bar

2 結(jié)果與討論

2. 1 返修次數(shù)對(duì)陽(yáng)極氧化膜層結(jié)構(gòu)的影響

從圖2 可知，返修1 次和2 次對(duì)2024 鋁合金陽(yáng)極氧化膜外觀無(wú)影響，膜層依舊完整、均勻，呈均勻的金屬光澤。7150 鋁合金在返修1 次后膜層表面出現(xiàn)輕微的斑紋，返修2 次后膜層表面橫向斑紋顏色加深。由此可見(jiàn)，返修會(huì)降低7150 鋁合金表面陽(yáng)極氧化膜的均勻性，可能是因?yàn)榛w材料原有拉絲部位的表面活性較高，在退膜和再陽(yáng)極氧化過(guò)程中對(duì)應(yīng)部位的基體腐蝕速率和陽(yáng)極氧化速率較其他部位高。

圖2 返修不同次數(shù)后2024 鋁合金(a)和7150 鋁合金(b)表面陽(yáng)極氧化膜的外觀Figure 2 Appearance of oxide films on 2024 aluminum alloy (a) and 7150 aluminum alloy (b)after re-anodization for different times

由表1 可知，2024 鋁合金和7150 鋁合金初次陽(yáng)極氧化以及返修1 次、2 次后陽(yáng)極氧化所得膜層的膜重相近，說(shuō)明返修2 次以?xún)?nèi)對(duì)2 種鋁合金陽(yáng)極氧化膜重的影響不大。在相同的工藝條件下，2024 鋁合金的陽(yáng)極氧化膜重低于7150 鋁合金陽(yáng)極氧化膜重，前者保持在40 mg/dm2左右，后者在70.6 mg/dm2左右。這是因?yàn)?024鋁合金的銅含量較高，在陽(yáng)極氧化過(guò)程中不易成膜，其表面所得的膜層相對(duì)較薄。

表1 2024 和7150 鋁合金在不同返修次數(shù)后的陽(yáng)極氧化膜重Table 1 Mass of oxide films per unit area on 2024 and 7150 aluminum alloys after re-anodization for different times

從圖3 可知，2024 鋁合金表面在返修不同次數(shù)后保持連續(xù)、平直，未發(fā)現(xiàn)微米級(jí)腐蝕坑，說(shuō)明返修對(duì)2024鋁合金表面的影響不顯著。7150 鋁合金返修1 次時(shí)表面無(wú)明顯的腐蝕坑，但返修2 次后表面出現(xiàn)了微米級(jí)的凹坑，與返修2 次時(shí)陽(yáng)極氧化膜出現(xiàn)深色斑紋對(duì)應(yīng)。這是因?yàn)?150 鋁合金陽(yáng)極氧化膜較厚，膜層完全退除所需時(shí)間較2024 鋁合金長(zhǎng)，即退除溶液接觸7150 鋁合金的時(shí)間更長(zhǎng)，更容易在晶間和原拉絲表面低凹部位形成腐蝕點(diǎn)。

圖3 返修不同次數(shù)后2024 鋁合金(a)和7150 鋁合金(b)表面陽(yáng)極氧化膜的橫截面形貌Figure 3 Cross-sectional morphologies of oxide films on 2024 aluminum alloy (a) and 7150 aluminum alloy (b)after re-anodization for different times

2. 2 返修次數(shù)對(duì)膜層耐蝕性的影響

圖4 為返修不同次數(shù)的2024 和7150 鋁合金陽(yáng)極氧化試樣在中性鹽霧中暴露1 478 h 后的表面狀態(tài)?？梢钥吹剿性嚇拥哪宇伾甲儨\，腐蝕點(diǎn)均不超過(guò)3 個(gè)，2024 鋁合金陽(yáng)極氧化膜維持較高的光潔度，7150 鋁合金陽(yáng)極氧化膜只是斑紋加深，未發(fā)現(xiàn)顯著的腐蝕點(diǎn)，說(shuō)明返修2 次后膜層表面形成的斑紋未對(duì)其耐蝕性造成不利影響。

圖4 返修不同次數(shù)后2024 鋁合金(a)和7150 鋁合金(b)表面陽(yáng)極氧化膜經(jīng)中性鹽霧試驗(yàn)后的外觀Figure 4 Appearance of oxide films on 2024 aluminum alloy (a) and 7150 aluminum alloy (b) formed by re-anodization for different times after neutral salt spray test

2. 3 返修次數(shù)對(duì)鋁合金基體疲勞性能的影響

從表2 可知，返修1 次和2 次后2024 鋁合金的疲勞壽命只是略降，與首次陽(yáng)極氧化時(shí)在同1 個(gè)數(shù)量級(jí)。7150 鋁合金在返修后疲勞壽命顯著下降，即使返修1 次，對(duì)基體疲勞性能的影響也較大。結(jié)合圖2b 顯示的淺色斑紋來(lái)推斷，7150 鋁合金在返修1 次后表面已形成了少量腐蝕坑，但可能因數(shù)量較少，即使在顯微鏡下也不易被觀察到，而腐蝕坑處易出現(xiàn)應(yīng)力集中，進(jìn)而使基體的疲勞性能降低，具體機(jī)制有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

表2 返修不同次數(shù)后2024 和7150 鋁合金的疲勞壽命Table 2 Fatigue life of 2024 and 7150 aluminum alloys after re-anodization for different times

3 結(jié)論

(1) 2024 鋁合金返修2 次后，其陽(yáng)極氧化膜依然能保持較高的耐蝕性，且基體疲勞性能受到的影響較小。

(2) 返修2 次對(duì)7150 鋁合金陽(yáng)極氧化膜的耐蝕性無(wú)影響，但顯著影響基體疲勞壽命，因此建議限制7150 鋁合金陽(yáng)極氧化試樣的返修次數(shù)。