淺析民用飛機(jī)鋁合金零件表面處理

摘要：簡(jiǎn)要介紹了鋁合金零件表面處理的目的，主要對(duì)機(jī)體鋁合金零件表面處理的四種方法進(jìn)行研究，闡述了陽(yáng)極化的原理。旨在為民用飛機(jī)鋁合金零件表面處理提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：鋁合金；表面處理；陽(yáng)極化

鋁合金具有力學(xué)性能好、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中，尤其是在輕量化要求較高的航空航天器領(lǐng)域。鋁合金經(jīng)過(guò)各種機(jī)械（電）化學(xué)方法處理后具有表面形貌、表面粗糙程度及在自然環(huán)境中防腐蝕性等表面特性。此外，鋁合金零件經(jīng)陽(yáng)極化處理后，耐鹽霧試驗(yàn)可高達(dá)500h以上，經(jīng)化學(xué)轉(zhuǎn)換膜處理后，耐鹽霧試驗(yàn)性能可大于168h。

1.鋁合金表面處理的目的

由于鋁與氧的親和力較強(qiáng)，即使在20℃空氣中也會(huì)很快在潔凈的表面形成一薄層無(wú)定 形氧化膜 Al2O3。此外，環(huán)境中可能存在的氯氣、氟、二氧化硫等，使其表面成分更為復(fù)雜。為了提高鋁合金的防護(hù)能力及裝飾性，必須對(duì)鋁材表面進(jìn)行處理，以去掉表面層物質(zhì)。表面處理是一個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程，它將鋁材表面未知的和可能不希望有的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為已知的且具有希望特性的性質(zhì)，因此對(duì)鋁合金零件進(jìn)行表面處理的目的與要求是：

（1）去除表面力學(xué)性能差、與基體結(jié)合強(qiáng)度低且在空氣等環(huán)境中不穩(wěn)定的物質(zhì)。

（2）改變表面形貌，以增大表面積，增強(qiáng)膠接界面上的機(jī)械嚙合作用。

（3）形成新的表面物質(zhì)，它必須與基體結(jié)合優(yōu)良，本身的內(nèi)聚強(qiáng)度優(yōu)良。

（4）提高膠接劑與表面物質(zhì)之間的親和性，確保界面粘接力的作用。

（5）保護(hù)已處理過(guò)的表面，避免或減少存放過(guò)程中的表面吸附、溶解和化學(xué)反應(yīng)所造成對(duì)表面影響。

2、鋁合金表面處理方法

鋁合金表面有一層致密的天然氧化膜，耐腐蝕能力較高。民用飛機(jī)鋁合金的表面處理工藝，基本有以下四種：硫酸陽(yáng)極化，鉻酸陽(yáng)極化，磷酸陽(yáng)極化，化學(xué)氧化（阿洛丁）。

2.1硫酸陽(yáng)極化

硫酸陽(yáng)極化，與鉻酸陽(yáng)極化相比，其優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)層為無(wú)色，缺點(diǎn)是保護(hù)層厚，因而疲勞壽命降低，且成本較高。因此，硫酸陽(yáng)極化在飛機(jī)上使用是有限的。硫酸陽(yáng)極化，其膜層厚度2.5μm-5.1μm，當(dāng)工程圖紙或工程文件批準(zhǔn)時(shí)，可用薄膜硫酸陽(yáng)極化代替鉻酸陽(yáng)極化。

硬質(zhì)陽(yáng)極化和裝飾零件的著色陽(yáng)極化是硫酸陽(yáng)極化的兩種改進(jìn)工藝。鋁的硬質(zhì)陽(yáng)極化用以提高鋁合金的抗磨性能，有時(shí)也用于表面修補(bǔ)。硬質(zhì)陽(yáng)極化層的厚度為0.0012-0.0014英寸，因厚度較厚，對(duì)零件的疲勞壽命影響較大。裝飾零件的著色陽(yáng)極化也稱裝飾性陽(yáng)極化，此工藝用于飛機(jī)內(nèi)部有外觀要求的零件，主要由供應(yīng)商來(lái)實(shí)施。

2.2鉻酸陽(yáng)極化

鉻酸陽(yáng)極化是飛機(jī)上最常用的表面防護(hù)方法。陽(yáng)極化后零件表面呈淡灰色、黃灰色或綠灰色。鉻酸陽(yáng)極化膜層致密，對(duì)鋁合金具有最好的抗腐蝕保護(hù)作用。

2.3磷酸陽(yáng)極化

磷酸陽(yáng)極化是鋁合金零件結(jié)構(gòu)膠接前的表面處理工藝。磷酸陽(yáng)極化處理工藝是一類(lèi)弱酸性陽(yáng)極化處理方法，與鉻酸陽(yáng)極化、硫酸陽(yáng)極化方法相比，具有環(huán)境友好、毒性小、成本低、工藝參數(shù)容易控制等優(yōu)點(diǎn)。可以明顯改善鋁合金構(gòu)建待膠接表面的表面狀態(tài)，

有效提高鋁合金膠接構(gòu)建的耐久性。磷酸陽(yáng)極化能在鋁合金表面形成厚度大，凹凸不平、多孔的膜，抗腐蝕性很差，但膠接時(shí)膠接劑能夠滲透進(jìn)入陽(yáng)極化鋁合金表面孔洞。

2.4鋁的轉(zhuǎn)化膜層

鋁的轉(zhuǎn)化膜層會(huì)在材料表面形成一層抗腐蝕的化學(xué)保護(hù)層。轉(zhuǎn)化膜層主要用于飛機(jī)外表面不噴漆區(qū)和內(nèi)外表面噴漆區(qū)的包鋁板上。轉(zhuǎn)化膜層的抗腐蝕保護(hù)作用不如陽(yáng)極化好，主要作為涂裝底層。但其優(yōu)點(diǎn)在與不影響疲勞壽命，且工藝簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)效率高、成本低，不受工件形狀大小限制，適用于大批量生產(chǎn)。由于轉(zhuǎn)化涂層不影響疲勞壽命，有些零件要涂轉(zhuǎn)化涂層以替代陽(yáng)極化處理。

轉(zhuǎn)化膜層主要有兩種類(lèi)型：CC膜層（無(wú)色轉(zhuǎn)化膜層）、及MC膜層（多色轉(zhuǎn)化膜層）。CC膜層應(yīng)符合MIL-C-5541，3類(lèi)要求，MC膜層應(yīng)符合MIL-C-5541，1A類(lèi)要求。當(dāng)沒(méi)有規(guī)定類(lèi)型時(shí)，應(yīng)采用MC膜層。飛機(jī)外形表面零件應(yīng)采用CC膜層。

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層成膜的過(guò)程大致分為三步：

金屬表面被氧化而變成離子轉(zhuǎn)入溶液，同時(shí)產(chǎn)生原子氫；

初生的原子氫會(huì)使一定的6價(jià)鉻還原成3價(jià)鉻，由于表面的H+被消耗而使附近的PH值升高，使還原的3價(jià)鉻以膠體的氫氧化鉻形式在表面沉淀；

氫氧化鉻沉淀的同時(shí)，會(huì)吸附一定的6價(jià)鉻，構(gòu)成一定組成的鉻酸鹽膜。

酸性溶液中的鉻（6價(jià)）酸鹽是強(qiáng)氧化劑，而鉻鹽的還原物通常是不溶性的。因此經(jīng)過(guò)上述三步，能夠在金屬表面生成不溶性鹽或增加天然氧化膜的厚度。

3、陽(yáng)極化的原理

陽(yáng)極化是一種在鋁合金表面均勻地形成一層薄薄的氧化鋁的電解工藝。飛機(jī)上大多數(shù)的無(wú)包鋁層鋁合金都進(jìn)行陽(yáng)極化處理；對(duì)于包鋁層零件，有些要進(jìn)行陽(yáng)極化處理，有些則涂上轉(zhuǎn)化涂層，這取決于零件在飛機(jī)上使用的區(qū)域。

鋁合金陽(yáng)極化處理包括預(yù)處理和陽(yáng)極化處理2個(gè)過(guò)程，如圖 1 所示，其中預(yù)處理包括鋁合金板表面除油、 堿液漂洗和和酸液漂洗。

其成膜包括三步驟：

（1） 陽(yáng)極反應(yīng)：電解質(zhì)是強(qiáng)酸性，陽(yáng)極電位作用下，表面附近水分子被氧化成原子氧[O]，[O]可迅速與表面的鋁發(fā)生作用形成一層致密的氧化鋁薄膜。

（2） 陰極反應(yīng)：陰極僅起導(dǎo)電作用，表面會(huì)析出氫。

（3） 氧化膜的生長(zhǎng)：陽(yáng)極反應(yīng)生成的氧化膜是絕緣性的，如果電解液不能使其溶解，則發(fā)展到一定程度，電流會(huì)被阻擋，膜層停止生長(zhǎng)。

陽(yáng)極化的膜層的微觀形貌是蜂窩狀結(jié)構(gòu)，后續(xù)可通過(guò)重鉻酸鹽或去離子水實(shí)現(xiàn)水化封閉蜂窩微孔，增加耐蝕能力。

4、結(jié)語(yǔ)

鋁合金零件經(jīng)過(guò)表面處理之后，其破壞強(qiáng)度、 屈服強(qiáng)度、 彈性模量和斷裂延伸率等力學(xué)性能基本保持不變，防腐蝕性能得到了提高。鋁合金零件的陽(yáng)極化處理方法優(yōu)于化學(xué)氧化方法，而磷酸陽(yáng)極化處理是一類(lèi)弱酸性陽(yáng)極化處理方法，與鉻酸或硫酸陽(yáng)極化方法相比，具有環(huán)境友好、毒性小、成本低、工藝參數(shù)易控制等優(yōu)點(diǎn)，可以明顯改善鋁合金零件的表面狀態(tài)，有效地提高鋁合金零件的耐久性。

作者簡(jiǎn)介：

王茹（1986，6-），女，陜西鎮(zhèn)安，本科，工程師，研究方向：材料工藝。