國產鋁合金表面涂層體系在多因素綜合加速試驗條件下的老化規(guī)律研究

潘嶠，楊麗媛，孫志華，劉明，駱晨，高蒙，趙明亮

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京 100095）

前言

國產2A97 鋁合金具有輕質高強、韌性好等特點，在航空領域備受關注[1]。近年來，已廣泛應用于各類飛機的蒙皮、機翼等部位，達到了減重的目的[2]。但飛機在服役過程中會長期暴露于各種惡劣的自然環(huán)境條件下，并引發(fā)鋁合金結構及表面防護體系的腐蝕和老化，成為重要的安全隱患[3，4]。在熱帶海洋及島礁大氣環(huán)境中，鋁合金及表面防護體系會頻繁地處于濕熱、紫外輻照、鹽溶液薄液膜潤濕、干濕交替等狀態(tài)[5，6]。本工作在實驗室條件下利用自行研制的加速試驗裝置，以國產2A97 鋁合金底漆試樣件為研究對象，借鑒以往的研究經驗[7]，通過對比其在加速試驗前、后的外觀變化、微觀形貌變化、以及電化學行為的差異，研究了國產鋁合金表面涂層體系在典型熱帶島礁海洋大氣環(huán)境中的初期失效行為。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料和試樣

試樣基材（2A97 鋁合金）的主要化學成分見表1。2A97鋁合金裸材試樣的尺寸為50×100×（1.2～1.5）mm。經過硫酸陽極化處理后，涂覆鋅黃環(huán)氧樹脂底漆，底漆厚度為25～30 μm。

1.2 試驗使用的主要儀器和設備

加速試驗及性能測試分析過程中使用的主要儀器和設備情況如表2 所示。

表1 2A97 鋁合金的主要化學成分（wt%）

表2 主要儀器和設備

表3 戶內加速試驗步驟與試驗條件

2 試驗過程

2.1 加速腐蝕試驗方法

選用的加速試驗方法為控溫、控濕、紫外輻照、預浸漬、吹風同步控制的多因素綜合加速試驗。加速試驗譜是在參考某熱帶島礁大氣環(huán)境因素數據的基礎上建立，加速試驗譜模塊及相應的參數條件見表3。

2.2 研究方法

2.2.1 腐蝕形貌觀察

圖1 2A97 鋁合金涂層試樣經過綜合加速試驗的宏觀腐蝕形貌

在綜合加速試驗的各個取樣周期，取出試樣進行觀察，用數碼相機NikonD50 拍照，記錄外觀變化，隨后用VHX 100視頻顯微鏡對試樣拍攝放大500倍的微觀照片，記錄微觀形貌變化。

2.2.2 試樣的電化學阻抗譜（EIS）分析

圖2 2A97 鋁合金涂層試樣經過綜合加速試驗的微觀腐蝕形貌

電化學阻抗測試采用三電極體系，其中以飽和甘汞電極（SCE），鉑電極，2A97 鋁合金基材分別對應參比電極、輔助電極和工作電極。開始測試前，將試樣浸泡于質量分數為3.5 %的NaCl 溶液中10 ～20 min，待電位穩(wěn)定后開始測量，有效測試面積為1 cm2。

3 試驗結果及分析

3.1 宏觀形貌變化

圖1 為2A97 鋁合金涂層試樣經歷綜合加速試驗后各周期的宏觀腐蝕形貌。由宏觀照片可知，2A97 鋁合金涂層初始試樣表面較為平整，呈墨綠色；經歷1 周期加速試驗后，表面開始出現較為明顯的顏色變化，有墨綠色變?yōu)闇\綠色；2 周期后，試樣表面局部區(qū)域有少量雜質附著，其余區(qū)域未觀察到明顯的變化；3 周期后，試樣表面雜質附著區(qū)域有所增大；4 周期后，試樣表面變化不明顯；5 周期后，試樣表面局部區(qū)域出現了明顯的涂層損傷（紅圈位置），并且顏色持續(xù)變淺。由此可推斷，經歷5 個周期的室內綜合加速試驗后，試樣表面局部區(qū)域的防護涂層體系已經產生了一定程度的老化。

3.2 微觀形貌變化

圖2 為2A97 鋁合金涂層試樣經歷綜合加速試驗后各周期的微觀腐蝕形貌。由微觀形貌照片可知，2A97 鋁合金涂層初始試樣表面相對平整，無明顯的凹坑等缺陷；經歷1 周期加速試驗后，局部區(qū)域開始出現微小的凹坑（藍色區(qū)域）；2 周期后，試樣表面局部區(qū)域凹坑深度有所增加，其余區(qū)域未觀察到明顯的變化；3 周期后，試樣表面出現較大深度凹坑的區(qū)域面積有所增大；4 周期后，試樣表面整體變化不明顯；5 周期后，試樣表面局部區(qū)域出現了更為明顯的凹坑缺陷，并且原有的微小凹坑逐漸相連，使得面積增大。由此可推斷，經過5 個周期綜合加速試驗后，試樣的表面局部區(qū)域的防護涂層體系已經出現了大面積的凹坑缺陷。

3.3 電化學交流阻抗譜分析

圖3（a）為2A97 鋁合金涂層試樣經歷綜合加速試驗后的Bode 曲線圖。由圖3（a）可知，隨著試驗時間的增加，試樣在低頻處（0.01 Hz）的阻抗模值呈逐漸減小的趨勢，其中經歷5 個試驗周期后試樣的低頻阻抗模值由初始的1.88×109Ω 下降為2.04×107Ω。

圖3 2A97 鋁合金涂層試樣經過綜合加速試驗后的EIS 測試結果

圖3（b）為2A97 鋁合金涂層試樣經歷綜合加速試驗后的Nyquist 曲線圖。由圖3（b）可知，初始試樣的Nyquist 曲線呈斜率較大的直線，表明電流通路中存在明顯的等效電容效果；與初始試樣相比，隨著加速試驗周期的增加，試樣在同一測試頻率下，其阻抗實部和虛部均呈逐漸減小的趨勢，即曲線逐漸向橫軸偏移，電流通路中等效電阻的作用越來越明顯；5 個周期加速試驗后的試樣在同一測試頻率下，出現了明顯的容抗弧。由此說明，經歷綜合加速試驗后，被檢測區(qū)域涂層的防護效果有所下降，使得電解液相對更為容易地通過涂層表面的缺陷擴散到內部并與基體材料直接接觸，從而形成了電流通路[8]。Bode 曲線圖和Nyquist 曲線圖的特征與試樣的形貌特征相吻合。

4 結論

1）2A97 鋁合金涂層試樣在5 個周期的綜合加速試驗過程中呈現出涂層凹坑面積持續(xù)增加，深度持續(xù)加深的老化變化規(guī)律。

2）2A97 鋁合金涂層試樣在經歷5 個周期的綜合加速試驗后，出現了明顯的涂層老化，涂層失去了防護作用。