溫度對(duì)鋁鋰合金陽極氧化膜性能的影響分析

凌付平

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處金工實(shí)訓(xùn)中心 江蘇 南通 226010）

0 引言

近幾年，隨著科技發(fā)展，鋁鋰合金的應(yīng)用越來越廣泛。事實(shí)上，鋁鋰合金的研究分為多個(gè)階段，第一階段為起步階段，生成的鋁鋰合金塑性差、不耐熱，無法有效地應(yīng)用在相關(guān)領(lǐng)域[1-2]；第二階段為發(fā)展階段，此階段生成的鋁鋰合金盡管仍存在許多問題，但相對(duì)于第一階段已經(jīng)略有改善；第三階段為大規(guī)模應(yīng)用階段，這一階段生成的鋁鋰合金解決了大部分性能問題，腐蝕性、焊接性均較穩(wěn)定，因此開始在航天、醫(yī)療中得到廣泛的應(yīng)用[3]。

盡管目前生產(chǎn)的鋁鋰合金質(zhì)量較高，但受其制備方法影響，極容易出現(xiàn)腐蝕問題，為了提高鋁鋰合金的穩(wěn)定性，工業(yè)中對(duì)其進(jìn)行陽極氧化處理，即使用多種陽極氧化液生成鋁鋰合金陽極氧化膜。這些鋁鋰合金陽極氧化膜的腐蝕性較低，性能穩(wěn)定，但在氧化過程中會(huì)釋放大量熱，增加電解質(zhì)溫度，影響陽極氧化膜性能，易造成疏松、粉化等不良現(xiàn)象，為了延長鋁鋰合金的使用壽命，提高其綜合性能，避免其受熱運(yùn)動(dòng)影響[4-6]。本文結(jié)合鋁鋰合金氧化膜特性，分析了溫度對(duì)鋁鋰合金氧化膜性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及準(zhǔn)備

本文選取LY12 鋁鋰合金軋板作為實(shí)驗(yàn)材料，該軋板的尺寸為50 mm×60 mm×2 mm，熱處理等級(jí)為中級(jí)，為了降低強(qiáng)度對(duì)性能分析實(shí)驗(yàn)造成的影響，該鋁鋰合金軋板中還添加了適量的抗腐蝕性Cr 離子[7-9]。實(shí)驗(yàn)陰極材料選取經(jīng)過處理的鉛板，氧化槽液由濃硫酸、添加劑組成，為了提高實(shí)驗(yàn)的分析效果，本文搭建了實(shí)驗(yàn)使用的氧化裝置，如下圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)氧化裝置

由圖1可知，該氧化裝置是根據(jù)WD20-500 連接的，其包括參數(shù)控制裝置、冷卻裝置、氧化電源、計(jì)算機(jī)等，計(jì)算機(jī)可以不斷采集來自氧化電源的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行制冷、輔助攪拌，提高氧化裝置的氧化效率，有效地進(jìn)行氧化冷卻。

為了深入分析溫度對(duì)鋁鋰合金陽極氧化膜的影響，本文還選取了FEIfib-sem 雙束掃描電鏡、JX2000 顯微圖像分析儀、XJP 計(jì)算機(jī)圖像顯示儀、EDS 能量檢測(cè)儀、覆蓋測(cè)厚儀等，儀器選取完畢后，可以進(jìn)一步制備鋁鋰合金陽極氧化膜。首先需要將選取的鋁鋰合金加工成小塊，進(jìn)行堿洗、出光、清水沖洗前處理，獲取溫度梯度，其次使用去離子水進(jìn)行水洗，再根據(jù)制備需求進(jìn)行工藝參數(shù)氧化，最后再使用熱水進(jìn)行封孔，檢測(cè)制備的鋁鋰合金陽極氧化膜的膜層，從而完成陽極氧化膜制備[10]。制備完畢后，使用線切割機(jī)床對(duì)制備完畢的試樣進(jìn)行切割、打磨，去除多余的部分，清洗掉灰狀附著物，從而得到標(biāo)準(zhǔn)的性能分析材料。

2 實(shí)驗(yàn)過程

首先使用批量氧化法，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)電流，針對(duì)鋁合金陽極進(jìn)行氧化操作，其次使用溫度梯度法，對(duì)制備的陽極氧化膜進(jìn)行性能檢測(cè)，從外觀、膜厚、硬度等方面對(duì)其性能進(jìn)行了深入分析。

在鋁鋰合金氧化初期，首先需要設(shè)置合理的電流密度，在一般情況下，初始的電流密度應(yīng)小于0.5 A/dm2，為了提高氧化的穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)使用批量氧化法適當(dāng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)電流密度，即選取一段時(shí)間，多次針對(duì)電流密度進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至電流密度與實(shí)驗(yàn)所需電流密度相等。此時(shí)可以立即開始氧化，設(shè)置陰陽極電壓差在實(shí)驗(yàn)過程中，需要注意電流電壓變化問題，最大程度上避免實(shí)驗(yàn)材料溶解。一旦出現(xiàn)了局部溶解，需要立即停止氧化，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，更換實(shí)驗(yàn)試件，避免其對(duì)最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成不利影響。結(jié)合上述的實(shí)驗(yàn)過程，可以測(cè)量抽取試樣的參數(shù)，為了降低實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)性，本文共抽取了10 個(gè)初始試樣進(jìn)行密度比重檢測(cè)，相關(guān)的工藝參數(shù)如下表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

結(jié)合表1的工藝參數(shù)，配制氧化液，使用膠頭滴管采集濃度為98%的工業(yè)濃硫酸，并使用燒杯稱量蒸餾水，接下來將98%的工業(yè)濃硫酸放置到蒸餾水中，再添加封孔液封孔，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)作基礎(chǔ)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先分析溫度對(duì)氧化膜均勻性的影響，即使用溫度梯度法采集不同溫度下鋁鋰合金陽極氧化膜表面的均勻性變化示意圖，并使用JX2000 顯微圖像分析儀記錄，各個(gè)溫度下的鋁鋰合金陽極氧化膜均勻度示意圖如下圖2所示。

圖2 鋁鋰合金陽極氧化膜均勻度示意圖

由圖2可知，生成的a、b、c 顯微圖像的氧化溫度均為-3 ℃，a 圖像的電流密度為4 A/dm2，b 圖像的電流密度為6 A/dm2，c 圖像的電流密度為8 A/dm2；生成的d、e、f 顯微圖像的氧化溫度均為2 ℃，d 圖像的電流密度為4 A/dm2，e 圖像的電流密度為6 A/dm2，f 圖像的電流密度為8 A/dm2。由上述圖像可以看出，在電流密度相等的情況下，氧化溫度越低的a、b、c 圖像顯示的鋁鋰合金陽極氧化膜整體顏色更深，膜分布更均勻；而氧化溫度相對(duì)較高的d、e、f 圖像顯示的鋁鋰合金陽極氧化膜整體顏色更淺，存在部分分布不均勻區(qū)域，證明隨著溫度的升高，鋁鋰合金陽極氧化膜的均勻性會(huì)逐漸下降。

結(jié)合上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以進(jìn)一步針對(duì)鋁鋰合金陽極氧化膜進(jìn)行分析，即分別在不同溫度下制備鋁鋰合金陽極氧化膜，并分析不同溫度下，鋁鋰合金陽極氧化膜的厚度變化關(guān)系，如下表2所示。

表2 溫度-鋁鋰合金陽極氧化膜厚度關(guān)系表

由表2可知，在鋁鋰合金陽極氧化膜制備的過程中，需要始終保持其電流密度在6 A/dm2范圍內(nèi)。上述制備方法均使用溫度梯度法進(jìn)行制備，各個(gè)試樣的原始氧化膜厚度為5 μm。制備結(jié)果表明，當(dāng)溫度由5 ℃下降至0 ℃時(shí)，鋁鋰合金陽極氧化膜厚度由65.25 μm 下降至45.52 μm；當(dāng)溫度由0 ℃下降至-5 ℃時(shí)，鋁鋰合金陽極氧化膜厚度由45.52 μm 下降至21.41 μm，此時(shí)鋁鋰合金陽極氧化膜的厚度變化顯著，隨溫度下降而顯著下降。當(dāng)溫度由10 ℃下降至6 ℃時(shí)，鋁鋰合金陽極氧化膜制備的厚度由90.87 μm下降至71.74 μm，下降速度相對(duì)較緩慢，而溫度由-6 ℃下降至-11 ℃時(shí)，鋁鋰合金陽極氧化膜制備的厚度由19.14 μm 下降至14.12 μm，下降速度進(jìn)一步變緩，證明隨著溫度的增加，制備的鋁鋰合金陽極氧化膜越來越厚，性能逐漸下降，隨著溫度的下降，制備的鋁鋰合金陽極氧化膜越來越薄，性能逐漸提升，但溫度過低或過高時(shí)，兩者的受影響變化程度都相對(duì)下降。

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析溫度對(duì)鋁鋰合金陽極氧化膜電流密度的影響，使用FEIfib-sem 雙束掃描電鏡、EDS 能量檢測(cè)儀檢測(cè)在不同溫度下鋁鋰合金陽極氧化膜電流密度，檢測(cè)結(jié)果如下表3所示。

表3 溫度-電流密度關(guān)系

由表3可知，當(dāng)溫度為-10 ℃時(shí)鋁鋰合金陽極氧化膜的電流密度最高，為10.99 dm2，當(dāng)溫度為9 ℃時(shí)鋁鋰合金陽極氧化膜的電流密度最低，為2.39 dm2。當(dāng)溫度由-10 ℃升高至5 ℃時(shí)，電流密度逐漸下降，但總體下降幅度較小，每隔1 ℃的溫差，電流密度的差值低于1 A/dm2。當(dāng)溫度由6 ℃升高至9 ℃時(shí)，電流密度也在不斷下降，整體下降幅度較高，每隔1 ℃的溫差，電流密度的差值高于1 A/dm2。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的升高，鋁鋰合金陽極氧化膜的電流密度逐漸下降，相關(guān)的氧化性能逐漸降低，且溫度越高，電流密度的變化幅度越大，鋁鋰合金陽極氧化膜的性能改變?cè)矫黠@。

為了深入分析硬度對(duì)鋁鋰合金氧化膜性能的影響，首先需要選取一個(gè)合適的氧化膜制備方法，即分別使用常規(guī)氧化膜制備法和溫度梯度氧化膜制備法制備鋁鋰合金陽極氧化膜，兩種方法的制備厚度如下圖3所示。

圖3 制備性能對(duì)比圖

由圖3可知，本實(shí)驗(yàn)要求鋁鋰合金陽極氧化膜的厚度在30 μm～45 μm 之間，因此，使用溫度梯度法制備的鋁鋰合金陽極氧化膜更符合本實(shí)驗(yàn)需求。

使用溫度梯度法制備出厚度為35 μm 的鋁鋰合金陽極氧化膜，此時(shí)需要保證電流密度恒定，冷卻液溫差及氧化液溫差對(duì)鋁鋰合金陽極氧化膜硬度的影響關(guān)系如下表4所示。

表4 溫差-硬度影響關(guān)系

由表4可知，氧化液溫度越高，其硬度越大，變化程度相對(duì)穩(wěn)定，鋁鋰合金陽極氧化膜硬度的性能也越來越好。

最后分析了溫度對(duì)鋁鋰合金陽極氧化膜微觀形貌的影響，在相同氧化時(shí)間下，調(diào)整陽極氧化膜的氧化溫度，使用XJP 計(jì)算機(jī)圖像顯示儀顯示其生成的微觀形貌圖像，如下圖4所示。

圖4 溫度－微觀形貌關(guān)系

由圖4可知，隨著氧化溫度的升高圖像的微觀形貌越來越復(fù)雜，證明鋁鋰合金陽極氧化膜的微觀性能隨溫度的升高而逐漸下降。

4 結(jié)語

綜上所述，鋁鋰合金是一種新型復(fù)合金屬材料，其主要由鋁金屬和鋰離子組成，延展性較高，強(qiáng)度適宜，為了提高其耐腐蝕性，在其表面生成了陽極氧化膜，該氧化膜易受溫度影響變形。為了進(jìn)一步提高鋁鋰合金的性能，保證其使用穩(wěn)定性，本文研究了鋁鋰合金陽極氧化膜的性能，并從均勻度、厚度、電流密度等方面分析了溫度對(duì)其性能的影響，為后續(xù)鋁鋰合金的優(yōu)化制備作出了一定的貢獻(xiàn)。