AA1060鋁合金電化學(xué)蝕刻對(duì)涂層性能的影響

趙丹，鎖聰，張正祎，馬寧, ，陸璐

（1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司工藝研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110850； 2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 100136）

在航空工業(yè)領(lǐng)域，鋁合金常被用于制造飛機(jī)蒙皮，表面噴涂漆膜有助于提高其在水、油以及鹽霧環(huán)境中的耐腐蝕性能。在涂漆前，通常采用物理方法或化學(xué)方法對(duì)鋁合金進(jìn)行表面處理，以提高鋁合金的耐蝕性及其與漆膜之間的附著力。與研磨、噴砂等物理方法相比，電化學(xué)方法能夠更有效地提升金屬與聚合物之間的粘附性能[1-2]。

構(gòu)造具有適宜波紋度和表面粗糙度的表面紋理，有利于提高漆膜的表面反射率和附著力[3-6]。本文利用一種簡(jiǎn)單的設(shè)備，采用中性電解液對(duì)AA1060鋁合金表面進(jìn)行電化學(xué)蝕刻而得到水接觸角低于50°的親水表面，并分析了其形貌、粗糙度和波紋度。從視覺(jué)外觀和附著力的角度來(lái)看，本工藝加工的漆面符合現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，漆膜附著力良好。與研磨工藝相比，本工藝具有綠色制造和成本較低的優(yōu)點(diǎn)，值得開(kāi)發(fā)和實(shí)施。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 AA1060鋁合金表面處理工藝

采用30 mm × 20 mm × 1 mm的AA1060鋁合金基板，電化學(xué)蝕刻或研磨后表面涂覆厚度約為0.03 mm的丙烯酸聚氨酯TB06-9涂層。

1. 1. 1 電化學(xué)蝕刻

先用砂紙打磨去除AA1060鋁合金表面的氧化層，再以鋁合金基板作為陽(yáng)極，銅板作為陰極，采用表1所示的參數(shù)，在電流密度0.7 A/cm2下電化學(xué)蝕刻7 min，以獲得利于漆膜粘合及表面光反射的微/納米結(jié)構(gòu)。 接著在去離子水中超聲清洗90 s，最后置于60 ℃的烘箱中干燥10 min。

表1 電化學(xué)蝕刻參數(shù)Table 1 Process parameters of electrochemical etching

1. 1. 2 研磨

使用BMP-25型金相預(yù)磨機(jī)和400#砂紙，在700 r/min的轉(zhuǎn)速下對(duì)AA1060鋁合金研磨2 min。

1. 2 性能表征和分析方法

使用Zeiss Sigma掃描電子顯微鏡觀察鋁合金表面的微觀形貌。采用Zygo NewView 5022三維表面輪廓儀分析試樣表面的三維形貌，并測(cè)量鋁合金表面的Ra(高度特征參數(shù)中的內(nèi)輪廓偏距絕對(duì)值的算術(shù)平均值)、Rz(輪廓峰頂線與谷底線之間的距離)和Rsm(間距特征參數(shù)中輪廓微觀不平度間距的平均值)，在每個(gè)樣品的不同位置進(jìn)行測(cè)量，取樣區(qū)域面積為1.41 mm × 1.06 mm。

采用Kruss DSA100光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量室溫下水在鋁合金表面的接觸角(CA)，并通過(guò)Microvision MV-VD030SC電子顯微鏡捕獲液滴圖像。

采用Form Talysurf i系列CLI2000感應(yīng)粗糙度分析儀分析鋁合金表面輪廓的波紋度(Wa)。

按照GB/T 1720-2020《漆膜劃圈試驗(yàn)》采用漆膜劃圈試驗(yàn)儀檢測(cè)漆膜附著力。首先使轉(zhuǎn)針尖端接觸涂層，以80 r/min的速率順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，劃出重疊圓滾線的劃痕，用4倍放大鏡觀察，并與標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行對(duì)比和評(píng)級(jí)，每種樣品單獨(dú)測(cè)試，以減小評(píng)級(jí)誤差。

使用漆膜沖擊試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 1732-2020《漆膜耐沖擊測(cè)定法》對(duì)漆膜進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。將1 kg的鐵球分別從50、75和100 cm的高度自由落下，使用4倍放大鏡觀察漆膜有無(wú)裂紋、起皺及剝落現(xiàn)象。

2 結(jié)果與討論

2. 1 電化學(xué)蝕刻對(duì)AA1060鋁合金表面微觀形貌的影響

從圖1可知，經(jīng)研磨處理的AA1060鋁合金表面只有磨粒摩擦留下的磨痕，并沒(méi)有明顯的微坑結(jié)構(gòu)。采用不同溶液電化學(xué)蝕刻后AA1060鋁合金表面具有不同的微觀結(jié)構(gòu)，但都有電化學(xué)蝕刻留下的微坑，這種結(jié)構(gòu)有利于提高鋁合金表面的潤(rùn)濕性，使水性涂料更易附著。電化學(xué)蝕刻試樣的水接觸角遠(yuǎn)低于研磨試樣，即親水性更優(yōu)，采用0.4 mol/L NaCl溶液蝕刻后水接觸角為6.2°，親水性最佳。雖然從圖2給出的截面形貌來(lái)看，電化學(xué)蝕刻試樣的微觀表面比研磨試樣表面更粗糙，但從圖3的3D輪廓可知其表面整體均勻、光滑。

圖2 不同鋁合金樣品的橫截面形貌 Figure 2 Cross-sectional morphologies of different aluminum alloy samples

圖3 采用NaNO3溶液電化學(xué)蝕刻后AA1060鋁合金的三維輪廓 Figure 3 3-dimensional surface profile of AA1060 aluminum alloy after being etched electrochemically in NaNO3 solution

2. 2 電化學(xué)蝕刻對(duì)AA1060鋁合金表面涂層外觀的影響

用LED光照射涂層試樣，并從45°角觀察表面反射情況。從圖4可清楚地看到采用0.4 mol/L NaNO3溶液電化學(xué)蝕刻的樣品1和樣品2以及研磨樣品表面涂層的光反射效果都很好，但采用0.4 mol/L NaCl溶液電化學(xué) 蝕刻的樣品3和樣品4表面涂層對(duì)光的反射效果都不佳。平均波紋度是影響涂漆表面反射率的重要因素，當(dāng)表面平均波紋度為1 μm時(shí)光反射率最高[7]。如圖5所示，采用NaNO3溶液和NaCl溶液電化學(xué)刻蝕后，AA1060鋁合金的平均波紋度分別為1.156 7 μm和3.048 6 μm，前者更接近1 μm，光反射率也就更高。

2. 3 電化學(xué)蝕刻對(duì)AA1060鋁合金表面粗糙度的影響

從圖6可以看出，樣品2的各項(xiàng)粗糙度參數(shù)最小，Ra僅為0.6 μm。一般認(rèn)為，樣品表面平均波紋度為1 μm左右以及Ra在幾十到幾百納米范圍內(nèi)時(shí)，噴漆后涂層的光亮性較佳。因此從理論上而言，樣品2表面的涂層更光亮。

圖6 采用不同溶液電化學(xué)蝕刻后AA1060鋁合金的表面粗糙度參數(shù) Figure 6 Surface roughness parameters of AA1060 aluminum alloys after being electrochemically etched in different solutions

2. 4 電化學(xué)蝕刻對(duì)AA1060鋁合金表面涂層附著力的影響

從圖7和圖8可知，AA1060鋁合金表面涂層經(jīng)劃圈試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)后都完好，無(wú)明顯的裂紋、剝落等現(xiàn)象，附著力為1級(jí)。

圖7 劃圈試驗(yàn)后AA1060鋁合金表面涂層狀態(tài) Figure 7 Appearance of coating on AA1060 aluminum alloy surface after circular scratching test

圖8 沖擊試樣后不同樣品表面涂層狀態(tài) Figure 8 Appearance of coatings on different samples after impact test

3 結(jié)論

采用0.4 mol/L NaNO3或NaCl溶液對(duì)AA1060鋁合金電化學(xué)蝕刻，得到水接觸角低于50°的親水表面。相對(duì)而言，使用NaNO3溶液電化學(xué)蝕刻時(shí)AA1060鋁合金表面的平均波紋度和表面粗糙度更低，光反射性更好。采用2種電解液電化學(xué)蝕刻后，表面漆膜的附著力都為1級(jí)。