鋁合金表面陽極化處理及其膠接性能分析

鋁合金表面陽極化處理及其膠接性能分析摘要：鋁合金構(gòu)件使用過程中不可避免產(chǎn)生裂紋損傷，需要對其進行必要的修理。復合材料膠接修復是指將已固化的、半固化的或者未固化的復合材料預浸料補片，用膠接的方法貼補到構(gòu)件的損傷區(qū)，進行局部補強，以達到延長結(jié)構(gòu)使用壽命的一種有效方法。復合材料膠接修復具有結(jié)構(gòu)增重小、抗疲勞性能和耐腐蝕性能好、修理時間短、成本低等優(yōu)點，是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的結(jié)構(gòu)修理方法。關(guān)鍵詞：磷酸；陽極化；鋁合金板；表面自然條件下，鋁合金材料表面會形成致密的氧化膜，有一定的耐腐蝕能力。但在實際使用條件下，若不采取適當?shù)姆雷o措施，鋁合金材料仍然會發(fā)生腐蝕。為了提高鋁合金材料的耐腐蝕能力，滿足使用需求，通常采用硫酸陽極氧化的方法對鋁合金表面進行防護。一、氧化膜層的形貌、組成及特點磷酸陽極化處理鋁合金時，最主要的過程是金屬的晶胞在電場作用下發(fā)生電解質(zhì)溶液的溶解過程，使得鋁合金表面生成了一層均勻、致密的多孔氧化膜，該氧化膜為雙層結(jié)構(gòu)：內(nèi)層是薄而致密的阻擋層，與基體直接結(jié)合在一起；外層是粗厚的多孔層，垂直于鋁合金表面生長。陽極化時，首先生成了阻擋層，隨著反應的進行，氧化膜外層被電解液溶解成蜂窩狀的多孔層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有利于電解液和基體的連通，使反應繼續(xù)下去。阻擋層薄而致密，性質(zhì)不活潑，如鋁合金的阻擋層厚1000?1500nm，比酸蝕法產(chǎn)生的（20?80nm）厚得多，阻擋層可用水封閉并生成氧化物的水合物，以增強耐腐蝕性能；多孔層呈網(wǎng)狀松孔結(jié)構(gòu)，其頂部為纖維管狀結(jié)構(gòu)，膜孔呈凹凸不平的六邊形蜂窩狀。鋁合金經(jīng)磷酸陽極氧化成膜后表面呈凹凸不平的多孔結(jié)構(gòu)，膜孔大致為六邊形；隨著陽極化過程的繼續(xù)，磷酸電解質(zhì)溶液溶解已形成的孔格壁，造成部分已形成的膜孔壁消失，形成尺度不同的膜孔；膜孔的外接圓直徑約為4.78^m，是各種陽極氧化膜中最大的，有利于膠粘劑深入到膜孔根部；多孔膜的厚度約為90.10^m。多孔層頂部的纖維狀結(jié)構(gòu)高度約為100nm，可通過類似纖維強化作用而增大界面上的機械嚙合效果，從而利于提高膠接強度。鋁合金表面生成的氧化物是極性物質(zhì)，能提升界面與極性膠粘劑間的色散力和范德華力，這層氧化物還可能與膠粘劑中的極性基團形成共價鍵，從而能大幅提高其化學鍵合力，使氧化膜的內(nèi)聚力較強，不易被破壞，同時又具有較高的表面吸附力，對膠粘劑的潤濕性好，使得鋁合金試片與膠粘劑的結(jié)合更為緊密，膠接更為牢固持久。二、磷酸陽極化工藝參數(shù)對鋁合金膠接性能的影響將Al-Li-S4合金在預處理后進行磷酸陽極化處理，采用正交法優(yōu)選了4個因素，得到鋁鋰合金陽極化處理的最佳條件：磷酸濃度150g/L，陽極化時間15min，極間電壓15V，溶液溫度20C。此工藝條件所得試樣膠接后的剪切強度可達38.56MPa。磷酸溶液濃度。鋁合金氧化膜的生成速度與磷酸電解液的濃度密切相關(guān)：隨著磷酸濃度的升高，氧化膜的生成速度隨之增大，而磷酸濃度過高時，氧化膜的生成率小于溶解速度，不利于氧化膜的積累。因此，在一定范圍內(nèi)，提高電解質(zhì)溶液的濃度可以增大氧化膜的厚度，從而提高鋁合金板的膠接性能。此外，在磷酸溶液中加入有機酸有利于膜層硬度和厚度的增加，稀土元素鈰的加入則能有效提高電解液的活性。溫度。在一定范圍內(nèi)，提高電解液的溫度可以提高鋁合金銘酸陽極化后的膠接性能，因為溫度越高，陽極化反應越劇烈，越有助于在鋁合金表面形成致密的氧化膜。此結(jié)論在磷酸陽極化工藝中也同樣成立。金屬陽極氧化本身是放熱反應，隨著反應的進行，電解液溫度將升高；金屬氧化膜的電阻很大，會使大量電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，導致電解液溫度不斷上升。當溫度超過一定值時，溶解作用將超過氧化作用，極易導致過腐蝕現(xiàn)象，使氧化膜疏松起粉，不利于后續(xù)的膠接。一般而言，在電解液中添加適量的有機羧酸或丙三醇等，可有效減少反應熱效應的不良影響，提高電解液的溫度允許上限，且不會降低氧化膜的質(zhì)量，還可提高生產(chǎn)效率。但是，液溫升高時氧化膜溶解加快、膜層厚度減薄的規(guī)律并不會改變。采用壓縮空氣攪拌法，不僅能迅速散發(fā)生成熱，保證液溫穩(wěn)定，還有助于溶液成分均勻穩(wěn)定，避免氣體的聚積，防止造成局部無氧化膜或氧化膜很薄的現(xiàn)象。此外，陽極化處理完成后，在一定溫度下烘干氧化膜有利于消除膜孔洞中的吸附水，防止水分形成化合氧化膜，有利于初始膠接性能的提高。陽極化電壓。電壓和溫度對鋁合金硼酸-硫酸陽極化的影響實際上都是通過對電流密度的影響而起作用的，所以鋁合金氧化膜的形成實際上只與電流密度和時間有關(guān)，或直接與通電量有關(guān)，在一定范圍內(nèi)，氧化膜的生成量與通電量成正比，且服從法拉第電解定律。這種理論在磷酸陽極化工藝中也同樣適用。若陽極電流密度過高，升溫劇烈，極易使氧化膜疏松呈粉狀或砂粒狀，對氧化膜質(zhì)量十分不利。因此，當電解液溫度恒定時，在一定范圍內(nèi)控制陽極化電壓是十分必要的。隨著陽極化過程的進行，氧化膜層的增厚會使陽極氧化電流降低。為確保膜層的質(zhì)量，在陽極氧化過程中須保持電流密度恒定，一般可借助整流器來提高電壓。如果溫度偏低，則可相應延長陽極化時間或稍微提高電壓；如果溫度偏高，則可適當縮短陽極化時間或稍微降低電壓。陽極化時間。陽極化時間對膠接性能的影響較復雜，存在一個最佳組合：電解質(zhì)溶液濃度較低時，處理時間應適當延長；電解質(zhì)溶液濃度較高時，處理時間相應縮短。陽極化時間也與其他因素相關(guān)，在穩(wěn)定槽液的濃度和溫度條件下，在磷酸陽極化過程中，陽極化時間與電壓的交互作用是主要的，而電壓的影響次之。三、鋁合金陽極化后的性能膠接性能。鋁合金經(jīng)磷酸陽極化處理后的最大拉剪強度為45.99MPa，是未陽極化處理的3倍，接頭拉剪破壞模式表現(xiàn)為混合破壞。鋁合金經(jīng)磷酸陽極化處理后的拉剪強度比未處理的提高了238%；陽極化后的鋁合金/復合材料的拉剪強度相應提高了近104%。力學性能。鋁合金經(jīng)過磷酸陽極化處理后，盡管表面發(fā)生了各種化學和物理變化，但對其破壞強度、屈服強度、彈性模量拉伸性能和斷裂延伸率的影響可以忽略。因為其上的陽極氧化膜層厚度較小，遠遠小于鋁合金厚度，其尺度的變化可以忽略；另外，陽極化過程中磷酸溶液可能會部分鈍化鋁合金表面的微裂紋等，降低膠接副失效的幾率。鋁合金膠接副的耐環(huán)境性能和耐久性能。磷酸陽極化法能顯著提高鋁合金環(huán)氧膠接接頭在各種環(huán)境下的耐久性。鋁合金膠接副經(jīng)溶液浸泡、室外放置、高溫加熱等處理后，其拉剪強度保持不變或降低幅度不大。這是因為：（1）由于鋁合金表面氧化膜的特殊結(jié)構(gòu)，可在膠接界面上形成良好的機械嚙合，和膠粘劑一起共同作用，使得膠接副不易被水分子解吸附，而且水分在滲入界面的過程中受膠粘劑固化后形成的柱狀體結(jié)構(gòu)阻擋，需從柱狀體之間繞行，增加了滲透的路徑，有利于阻止水分滲入膠接界面；（2）鋁合金氧化膜的熱膨脹系數(shù)介于膠粘劑和鋁合金之間，能部分緩沖鋁合金和膠粘劑之間產(chǎn)生的熱應力不匹配，使其具有較好的耐熱性；（3）鋁合金氧化膜上殘留的P元素以AlPO4的形式存在，能夠抑制氧化物的水合作用，防止了膠接接頭在應力和潮濕環(huán)境作用下變質(zhì)，有力地提高了表面的耐久性能。磷酸陽極化膜的最大優(yōu)點在于耐水性強，這是其他陽極化法所不能比擬的。此外，由于經(jīng)磷酸陽極化處理后鋁合金的表面活性高，不僅膠接強度得以提高，對疲勞性也有很大的好處。總之，要提高非膠接部分的