航空铝合金结构表面的阿洛丁处理方法

航空铝合金结构表面的阿洛丁处理方法

石镇滔

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司黑龙江哈尔滨150060

摘要：航空铝合金具有高度定向性、在时效过程中析出强化相以及阳极性金属元素在晶间偏析的典型特征，在适宜的腐蚀环境中极易发生剥离损伤.虽然可以采用过时效热处理、表面包铝或表面涂覆有机涂料提高耐蚀能力，但在工程应用中铝合金的剥离损伤依旧存在。本文分析了航空铝合金结构表面的阿洛丁处理方法。

关键词：航空铝合金；结构表面；阿洛丁；处理方法；

在航空结构材料中，由于铝合金材料的电位比较低，在溶液浸泡或潮湿环境中易与其他金属材料发生电化学腐蚀，严重影响飞机零件的使用寿命。铝合金表面阿洛丁处理是铝合金化学氧化的一种，在飞机制造行业应用非常广泛。航空铝合金材料表面阿洛丁处理，是指在材料表面施加阿洛丁溶液，使溶液与表面材料发生化学反应，在铝合金材料表面形成化学转化层。该化学转化层的作用主要包括：将铝合金材料与周围环境中的液体等腐蚀介质隔离开，起到防腐作用；提高航空底漆涂料与铝合金结构表面之间的结合力，提高底漆的附着效果；保持航空铝合金结构的导电性，满足飞机零部件之间的导电要求。

一、航空用系列铝合金的性能和应用情况

飞机需要有高的运输效率和良好的飞行性能，因而需要结构材料具有高强、高韧、抗疲劳、耐腐蚀和高可焊等性能。而目前飞机中常用的是铝合金。铝合金塑形高，具有断裂韧性和抗疲劳扩展性，耐热性等特点。铝合金厚板主要用在机身、机翼、抗剪肋板和腹板以及对强度要求较高的其他结构件上。合金具有较高的韧性，抗疲劳性能和抗应力腐蚀等优良性能。因此常用在波音，空客等民用大飞机上，铝合金的基础上进一步高纯化得到的。其主要用于生产T3511状态挤压件，该挤压件已经用于制造Boeing757和767等大飞机的结构件。2219合金具有良好的焊接性，耐热性，韧性等性能，在飞机油箱制造过程中得到使用。2324-t39铝材经过一系列处理后，屈服强度大幅度提高，接近22%，即将在波音系列飞机上广泛使用。

二、航空铝合金结构表面的阿洛丁处理方法

1.性能测试。用扫描电子显微镜（SEM）观察膜的表观形貌，分析膜的形成规律。用数字式覆层测厚仪（MVC21000JMT1）测定氧化膜的厚度，恒压探头进行检测，不受人为因素的影响。按GJB150要求进行96h中性盐雾试验，测试条件为：φ（NaCl）5%水溶液，盐雾沉降量为2mL/L，pH值为6.5～7.2，采用连续喷雾方式，实验温度35℃，试片在盐雾箱中腐蚀96h后，统计两种膜层上点蚀所占氧化膜面积的比例，并将此作为试验的结果分析指标，点蚀率越低，表明氧化膜层的耐腐蚀性能越好。

2.化学氧化是在一定的温度下，通过化学反应，使铝离子和氧化溶液中的氧相互作用，形成一层致密的氧化膜。根据pH值的不同，铬酸根离子的形式也不同。常用的阿洛丁溶液包括：阿洛丁600，处理后铝合金表面呈黄色；阿洛丁1200、1200S、1201，处理后铝合金表面呈浅金色到棕黄色；阿洛丁1000、1500，处理后保持铝合金本色。从表面形貌中可。化学导电氧化膜由大小不同、不规则、密集和呈突起状的球状颗粒组成，大的颗粒之间和大的颗粒之上夹杂或附着小的颗粒，结晶粗。阿洛丁化学转化膜表面颗粒大小一致，膜层均匀细致，致密，无瘤子，无色斑，化学导电氧化膜层相对于原始基底为致密态，膜层厚度沿基底向外生长方向变化显著，后期氧化膜的生长主要为疏松膜的生长，疏松层存在的小孔洞彼此相连，致密层所占比例出现下降。阿洛丁化学转化膜在整个涂覆过程中都表导电氧化溶液中铬酐是成膜的主要物质，与铝反应生成六价或者三价铬的化合物和铝的铬酸盐及其含水复合物，溶液中铬酐含量过少会影响成膜。铁氰化钾和氟化氢钠能够加快氧化速度，减少氧化时间。调整两者含量比例可使氧化膜呈现不同颜色。正常情况下，氧化膜颜色为彩虹色。改变溶液中氟化氢钠和铁氰化钾含量，氧化膜颜色变化。氟化氢钠含量过高时，氧化膜疏松甚至成粉状。氧化时间过长将会导致膜层疏松，这与之前的SEM形貌图所示是一致的，还可能导致膜层呈土黄色，光泽性差；采用无铬-阿洛丁工艺生成的化学转化膜颜色呈现为金黄色，由于溶液中不含铬，没有生成如六价铬和重金属盐，是一环保型工艺，而且影响膜层质量的因素主要是温度和时间，其他因素对膜层质量影响相对较小。证明温度过高，导致膜层无法生成，温度过低，膜层结合力太差，没有实际应用价值，最佳温度在28.5℃～30.0℃之间，时间在1min～2min之间较为合适。采用盐雾试验测试两种氧化膜的耐腐蚀性能，表明无铬-氧化膜点蚀率为20%左右，而导电氧化的点腐蚀率要明显高出很多，达到40%。，说明无铬-阿洛丁工艺化学氧化膜耐蚀性能较好，所形成的膜层对基体起到较好的保护作用。为了进一步分析铝合金无铬化学氧化膜的性能，测试了铝合金经过两种工艺处理前后的微观表面形貌。无铬-阿洛丁工艺处理的铝合金基体表面较平整，有条状斑纹。经浸渍处理后，形成一层化学转化膜，基体表面发生明显变化。而导电化学氧化工艺处理后的铝合金基片表面不太平整，其微观表面上分布着许多“水泡”状物。这些“水泡”不但增加了化学转化膜表面的实际面积，而且当该化学氧化膜作为涂漆底层时，也利于增加与涂漆的结合力。这与之前SEM观察到的转化膜多孔，疏松状态是一致的。当膜层受外力作用遭到破坏时，吸附在氧化膜表面上的的不断析出，会使其表面再发生化学氧化，从而有效防护铝合金基体能够在较长时间内不受侵蚀。阿洛丁化学转化膜与导电氧化工艺相比，有如下优点：成膜性好，喷涂膜厚度可控，可作为其他底漆；在铝合金及其他金属的表面具有良好的附着力；施工工具及工艺简单，尤其是无铬-阿洛丁表面处理工艺对环境的污染较小。

3.目前，阿洛丁工艺在铝合金表面处理应用非常广泛，尤其是在航空制造领域，飞机绝大部分钣金零件都在使用阿洛丁化学氧化工艺，总结其原因主要有以下几个原因：（1）阿洛丁氧化膜较薄（约0．5～4μm），质软、多孔，有良好的吸附能力，既不改变材料的机械性能，也不影响工件尺寸，通常可作为油漆或其他涂料的底层。（2）阿洛丁氧化操作时间短，不耗电，设备简单，生产成本比较低，且氧化膜有较强的耐蚀性。（3）阿洛丁氧化是导电氧化，能够起稳定接触电阻及导电作用。（4）阿洛丁氧化工艺过程只有碱清洗的温度在60℃左右，其他过程均在常温下进行，生产控制温度较低，既降低能源的消耗，有减少生产现场的环境污染。（5）阿洛丁的溶液稳定，使用寿命长，容易维护，适合大规模连续生产。根据面积等效原理，将腐蚀坑当量化成半椭圆表面裂纹，能更准确地预测铝合金材料在不同应力比条件下的疲劳寿命，较好地反映材料的实际使用性能，验证了腐蚀坑当量化以及基于断裂力学预测材料疲劳全寿命方法的有效性。

随着世界各国环境保护要求的逐步提高，阿洛丁工艺对环境污染和操作人员的职业健康影响越来越的到人们重视，科研人员正在研究很多无铬化学氧化工艺，尽管取得了很大进步，但在较长时间内还不能取代其再航空制造领域的应用，在无铬氧化工艺的研究还需要进一步做大量的研究工作。

参考文献：

［1］郭红霞．铝及铝合金的化学氧化工艺［J］．电镀与涂饰，2016，22（4）：17－18．

［2］纪红，朱祖芳．铝及铝合金无铬表面处理技术研究进展［J］．电镀与涂饰，2016，28（6）：34－39．

［3］朱祖芳．铝合金阳极氧化表面处理技术［M］．北京：化学工业出版社，2017：82．

［4］韩哲，熊金平，左禹．铝及铝合金的化学氧化工艺［J］．电镀与涂饰，2016，30（11）：14－18．