摘 要:為了保證航空鋁合金在海洋環(huán)境中的安全服役,設(shè)計(jì)了一種低磷鎳/中磷鎳/高磷鎳的組合梯度化學(xué)鍍鎳磷 層。采用SEM 和 XRD表征鍍層的微觀形貌和相結(jié)構(gòu),并通過(guò)電化學(xué)方法評(píng)價(jià)了鍍層的耐蝕性。結(jié)果表明:相比于 2A11鋁合金基體,化學(xué)鍍鎳磷層的自腐蝕電位更正,自腐蝕電流更低;組合梯度鍍層試樣在35 ℃,5% NaCl鹽霧環(huán) 境中腐蝕500h后,表面未見(jiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象,能滿足航空鋁合金耐腐蝕性能的要求。 

關(guān)鍵詞:航空;2A11鋁合金;化學(xué)鍍鎳磷層;耐蝕性 

中圖分類號(hào):TG174                                                        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A                                      文章編號(hào):1005-748X(2022)06-0067-04

鋁合金比強(qiáng)度高,且具有良好的延展性及導(dǎo)熱 性,被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。然而,鋁合金的化學(xué)性 質(zhì)活潑、硬度低和耐蝕性差,其應(yīng)用受到了限制[1], 可以通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻娣雷o(hù)技術(shù)以提高鋁合金在航空 領(lǐng)域的應(yīng)用。常用的鋁合金表面防護(hù)技術(shù)有電鍍、 化學(xué)鍍、陽(yáng)極氧化、高能光束等,其中,化學(xué)鍍作為一 種新興的 表 面 防 護(hù) 技 術(shù),已 被 廣 泛 應(yīng) 用 于 各 個(gè) 領(lǐng) 域[2]?；瘜W(xué)鍍,也稱防護(hù)自催化電鍍,最常用于化學(xué) 鍍鎳。由于施鍍不依賴于電流分布,采用這種表面 改性技術(shù)得到的鍍層厚度均勻,即使在復(fù)雜零件的 鋒利邊緣和深凹區(qū)域也可以均勻和完全施鍍,且鍍層具有良好的耐蝕性及耐磨性,已成為很多金屬及 合金常用的表面防護(hù)技術(shù)[3-5]。 

直升機(jī)零部件通常采用輕質(zhì)鋁合金材料,以達(dá) 到減重的目的。海軍某型號(hào)飛機(jī)常年受鹽霧環(huán)境腐 蝕,普通鋁合金的耐蝕性不能滿足要求。本工作采 用化學(xué)鍍鎳磷的方法,在2A11鋁合金基體上制備 低 P-Ni/中 P-Ni/高 P-Ni的 組 合 梯 度 化 學(xué) 鍍 鎳 磷 層,以期提高零部件的耐蝕性。

1 試驗(yàn) 

1.1 試樣 

以2A11鋁合金為基體材料,經(jīng) T6處理,試樣 尺寸為30mm×50mm×5mm,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。 

在試樣表面進(jìn)行低磷/中磷/高磷組合鍍鎳(簡(jiǎn) 稱鍍層試樣)。試樣經(jīng)砂紙逐級(jí)打磨、清洗后,風(fēng)干備用。2A11鋁合金預(yù)處理和化學(xué)鍍鎳磷工藝流程如 圖1所示。溶液組成及操作條件見(jiàn)表2。每一步用 去離子水洗滌兩次,以避免前一步驟造成的污染。

1.2 鍍層性能檢測(cè) 

1.2.1 表面形貌和相結(jié)構(gòu) 

使用掃描電鏡(SEM)觀察各鍍層試樣的表面 形貌。使用 X 射線衍射儀分析鍍層相結(jié)構(gòu)。 

1.2.2 耐蝕性 

利用極化曲線、電化學(xué)阻抗譜圖(EIS)及鹽霧 試驗(yàn)來(lái)評(píng)定鍍層的耐蝕性。電化學(xué)試驗(yàn)采用三電極 體系,飽和甘汞電極為參比電極,鉑片為輔助電極, 鍍層試樣為工作電極,試驗(yàn)溶液為 3.5%(質(zhì)量分 數(shù),下同)NaCl溶液,試樣工作面積為1cm 2。鹽霧 試驗(yàn)按照 GB15011-2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方 法》進(jìn)行,試驗(yàn)溶液為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)NaCl溶 液,溫度為35 ℃。 

2 結(jié)果與討論 

2.1 形貌及結(jié)構(gòu)

2.1.1 鍍層的表面形貌 

由圖2可見(jiàn):低 P-Ni鍍層表面不均勻,有凹坑, 這提高了鍍層對(duì)基體的吸附力,使得鍍層難以脫落; 低P-Ni/中 P-Ni鍍層表面細(xì)胞大小不均勻,但緊密 相連;低 P-Ni/中 P-Ni/高 P-Ni鍍層呈典型的“花椰 菜”形貌,細(xì)胞尺寸為10~15μm,單元細(xì)胞緊密結(jié) 合,無(wú)明顯縫隙,表面均勻平整,為鍍層試樣耐蝕性 的提高提供了良好的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)比單層鍍層與組 合梯度鍍層的表面形貌可以看出,組合梯度鍍層間 隙逐漸減小,單元細(xì)胞較致密、均勻,組合梯度鍍層 無(wú)明顯缺陷。 

2.1.2 鍍層的 XRD譜 

由圖3可見(jiàn),低 P-Ni鍍層的 XRD 譜在2θ 為 38°,45°,78°處出現(xiàn)明顯的尖峰,說(shuō)明中 P-Ni鍍層中 的磷含量較低,鍍層發(fā)生了一定程度的晶化,鍍層處 于微晶 體 和 非 晶 體 的 混 合 狀 態(tài),即 鍍 層 由 鎳 和 Ni12P5 的兩相混合物構(gòu)成,其 X 射線衍射花樣為寬 化的漫散射峰。 

中P-Ni鍍層和高 P-Ni鍍層中的磷含量均較高 時(shí),在衍射角(2θ)為45°附近,即 Ni(111)的衍射方 向有漫散射衍射峰,表明組合梯度鍍鎳磷層確實(shí)為 非晶態(tài)。球狀顆粒中鎳磷組元以非晶形式結(jié)合,磷 以固溶形式存在于鎳晶格中,形成鎳基過(guò)飽和固溶 體[6],非晶態(tài)鍍層沒(méi)有缺陷和高應(yīng)力區(qū),所以其拉伸 強(qiáng)度較高,這使得鍍層的耐腐蝕和耐磨性提高。

2.2 鍍層耐蝕性 

2.2.1 極化曲線 

由圖4可見(jiàn),組合梯度鍍層試樣的耐蝕性明顯 優(yōu)于單層鍍層試樣的,這是由于隨著磷含量的增加, 鍍層由低磷時(shí)的結(jié)晶或非晶結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦吡讜r(shí) 的非晶結(jié)構(gòu),不具有晶態(tài)合金中的晶體特征,因此, 無(wú)法構(gòu)成腐蝕微電池。同時(shí),非晶態(tài)鍍層表面易形 成氧化膜,進(jìn)一步提高了鍍層對(duì)基體的保護(hù)作用。 由表3可見(jiàn),與鋁合金基體比較,組合梯度鍍層試樣 的腐蝕電位發(fā)生正移,腐蝕電流密度減小,腐蝕電阻 明顯增大,表明組合梯度鍍層試樣的耐蝕性較好。 同時(shí),結(jié)合SEM 形貌可知,高 P 層表面較均勻、致 密,從而提高了試樣的耐蝕性。 

2.2.2 電化學(xué)阻抗譜 

根據(jù)圖5所示各鍍層試樣的電化學(xué)阻抗譜,采 用圖6所示的等效電路模型對(duì)其進(jìn)行分析,相關(guān)電 化學(xué)參數(shù)擬和結(jié)果見(jiàn)表4。為了適應(yīng)不完美的電容 響應(yīng),采用恒相元件(CPE)表征鍍層界面的電容響 應(yīng),CPE的阻抗ZCPE 可通過(guò)式(1)計(jì)算。

式中:ω 是角頻率;j是虛數(shù);Y0 是導(dǎo)納函數(shù);n 是與 偏差有關(guān)的系數(shù)。 

在該模型中,Rs、Rc 和 Rct 分別為溶液電阻、鍍 層電阻和電荷傳遞電阻,C1 為高頻時(shí)間鍍層電容, C2 為低頻時(shí)間的雙電層電容[7]。

如 圖 5 所 示,不 同 組 合 梯 度 鍍 層 試 樣 的 Nyquist圖在相同頻率區(qū)域呈現(xiàn)出相似的單一半橢 圓形狀,表明幾種鍍層試樣表面發(fā)生的過(guò)程大致相 同。結(jié)合表4可見(jiàn):低 P-Ni/中 P-Ni/高 P-Ni鍍層 試樣的電荷轉(zhuǎn)移電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低 P-Ni鍍層試樣和 低P-Ni/中 P-Ni鍍層試樣的,這意味著在腐蝕介質(zhì) 中其膜層電阻更高。低 P-Ni/中 P-Ni/高 P鍍層試 樣具有較大的電荷轉(zhuǎn)移電阻,表明其鍍層結(jié)構(gòu)較致 密和均勻,鍍層表面缺陷較少。綜上所述,低 P-Ni/中 P-Ni/高 P-Ni鍍層試樣的耐蝕性較好,可以保護(hù) 鋁合金基體免受腐蝕和降解。

2.2.3 鹽霧試驗(yàn)結(jié)果 

由圖7可見(jiàn):低 P-Ni/中 P-Ni/高 P-Ni鍍層試 樣在35 ℃下5% NaCl鹽霧環(huán)境中腐蝕500h后, 鍍層表面未出現(xiàn)起皮、起泡和脫落等現(xiàn)象,且無(wú)腐 蝕、無(wú)裂縫;鍍層表面平整光潔,晶胞間結(jié)合緊密,與 鹽霧腐蝕前的鍍層微觀形貌無(wú)明顯區(qū)別,說(shuō)明低 PNi/中 P-Ni/高 P-Ni鍍層試樣可以經(jīng)受?chē)?yán)酷的腐蝕 環(huán)境考驗(yàn),組合梯度鍍層可以對(duì)鋁合金基體起到良 好的保護(hù)作用,從而滿足產(chǎn)品的實(shí)際使用要求。

3 結(jié)論 

(1)組合梯度磷鎳鍍層的工藝流程為拋光→堿洗→酸洗→浸鋅→堿性化學(xué)預(yù)鍍鎳→酸性化學(xué)鍍鎳 磷,其中,浸鋅采用二次浸鋅法,采用這種工藝可有 效提高鋁合金在腐蝕環(huán)境中的耐蝕性。

 (2)相比于2A11鋁合金基體和單層鍍層試樣, 低 P-Ni/中 P-Ni/高 P-Ni鍍 層 試 樣 的 腐 蝕 電 位 更 正,腐蝕電流密度更小,腐蝕電阻更大,具有良好的 耐蝕性,能滿足航空鋁合金耐腐蝕性能的要求。

 (3)經(jīng)過(guò)500h鹽霧試驗(yàn)后,低 P-Ni/中 P-Ni/ 高 P-Ni鍍層試樣表面未見(jiàn)明顯腐蝕跡象。

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<文章來(lái)源 > 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 腐蝕與防護(hù) > 43卷 > 6期 (pp:67)>