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分享▩↟₪:一種飛機結構用鋁合金表面鍍層的製備及其耐蝕性

2022-09-09 10:41:45 

摘 要▩↟₪:針對飛機結構用鋁合金在使用過程中容易發生腐蝕的缺點│₪₪,採用化學鍍工藝在2024航空鋁合金表面製備 了Ni-P合金•₪│、Ni-W-P合金和Ni-P-MWCNTs複合鍍層3種鍍層│₪₪,研究多臂碳奈米管(MWCNTs)與Na2WO4 新增量 對鍍層沉積速率的影響│₪₪,並對三種鍍層的表面微觀形貌•₪│、結合力•₪│、疏水效能•₪│、耐蝕性等進行觀察與分析₪✘。結果表明▩↟₪: Ni-P-MWCNTs複合鍍層的沉積速率隨著 WMCNTs量的增加呈現先增後減│₪₪,當 WMCNTs加入量為0.3g/L時│₪₪,其 沉積速率達到最大值10.03mg/(cm2·h)₪✘。Ni-W-P合金鍍層的沉積速率隨著 Na2WO4 加入量的增大而增大並逐 漸趨於穩定│₪₪,當 Na2WO4 加入量為18g/L時│₪₪,沉積速率達到15.21mg/(cm2·h)₪✘。幾種試樣的綜合性能由強到弱依 次為 Ni-W-P鍍層>Ni-P-MWCNTs鍍層>Ni-P鍍層>基體試樣₪✘。

關鍵詞▩↟₪:化學鍍;鋁合金;疏水性;耐蝕性;多臂碳奈米管(MWCNTs)

中圖分類號▩↟₪:TG174.4 文獻標誌碼▩↟₪:A 文章編號▩↟₪:1005-748X(2020)03-0043-05


2024航空鋁合金是一種高強度的硬鋁合金│₪₪,廣 泛用於製作飛機上的高負荷承力結構件與零部 件[1-2]₪✘。但是│₪₪,2024航空鋁合金易發生腐蝕│₪₪,這會導 致飛機結構件老化•₪│、脫落•₪│、鼓包且產生暗灰色或灰白 色鱗片狀產物│₪₪,極大地降低了飛機的安全性與經濟性[3-5]₪✘。由飛機結構鋁合金材料發生腐蝕而導致的 航空事故屢見不鮮│₪₪,臺灣華航一架 B747型飛機由 於金屬疲勞腐蝕導致墜機│₪₪,造成225人死亡[6]₪✘。梁 媛媛[7]針對國內外航空公司B747型飛機的腐蝕情 況展開研究│₪₪,發現許多飛機客艙地板梁等處均存在 大量的腐蝕₪✘。據統計│₪₪,航空公司用於飛機腐蝕檢查 與修理的費用約佔飛機總結構檢修費用的1/4[6]₪✘。 可見│₪₪,避免飛機結構鋁合金材料發生腐蝕能極大地 提高飛機執行的安全性與經濟性₪✘。針對金屬材料在 使用過程中容易發生腐蝕的缺點│₪₪,國內外學者展開了研究₪✘。RABIZADEH 等[8]將 SiO2 新增到 Ni-P 塗層中 提 高 了 塗 層 的 表 面 硬 度 及 耐 蝕 性₪✘。AL-ISHAHI等[9]採用化學鍍沉積方法在銅表面沉積了 Ni-P-CNTs複合鍍層│₪₪,並對鍍層的效能進行了測 試│₪₪,指出碳奈米管(CNTs)的加入能提高鍍層的硬 度•₪│、耐蝕性以及耐磨性₪✘。LIU 等[10]採用大功率二極 管鐳射器處理 Ni-W-P合金鍍層表面│₪₪,結果表明激 光可降低材料表面孔隙率│₪₪,提高材料的耐蝕性₪✘。

以上學者僅僅研究了一種新增物對 Ni-P鍍層 效能的影響│₪₪,並未綜合比較常見的幾種新增物對 Ni-P鍍層效能的影響₪✘。本工作研究了2024航空鋁 合金化學鍍 Ni-P合金表面的微觀形貌│₪₪,發現其孔隙 率大•₪│、緻密性差│₪₪,表明其耐蝕性差₪✘。為了得到耐蝕性 更好 的 鍍 層│₪₪,筆 者 前 期 研 究 了 Na2WO4 溶 液 與 MWCNTs對 Ni-P鍍層效能的影響│₪₪,並透過效能表 徵測試比較三者的微觀形貌•₪│、結合力•₪│、耐蝕性以及疏 水性│₪₪,以期為飛機結構材料表面處理技術的研究提 供參考₪✘。

1 試驗

1.1 試驗材料與儀器

採用尺寸為30mm×10mm×2mm 的2024 航空鋁合金為基材₪✘。

所用儀器有▩↟₪:電子天平•₪│、紅外光譜儀•₪│、接觸角測 量儀•₪│、掃描電子顯微鏡•₪│、電化學工作站₪✘。

1.2 工藝流程

工藝流程包括鋁合金預處理與化學鍍₪✘。首先進 行鋁合金預處理│₪₪,用砂紙對鋁合金基材進行打磨拋 光│₪₪,降低其表面粗超度₪✘。水洗後│₪₪,60℃下用丙酮和 乙醇超聲清洗(10min)以去除基材表面殘留的碎屑 及油汙₪✘。將基材浸入20g/L NaOH 溶液中鹼洗 2min後│₪₪,浸入20%(質量分數│₪₪,下同)HNO3 溶液中 酸洗30s│₪₪,水洗•₪│、風乾後進行化學鍍│₪₪,鍍液組成見 表1│₪₪,鍍液pH 為9│₪₪,溫度為85℃│₪₪,施鍍時間為1h₪✘。 整體工藝流程如圖1所示₪✘。

1.3 鍍層效能測試及形貌表徵

(1)採用JSM-5900LV高解析度場發射掃描電 子顯微鏡│₪₪,觀察鍍層表面微觀結構形貌₪✘。

(2)按照 GB/T9286-1998《色漆和清漆漆膜 的劃格實驗》│₪₪,對鍍層和鋁合金基體之間的結合力進 行測試₪✘。

(3)採用 HARKE-SPCAX1接觸角測量儀│₪₪,對 鍍層疏水效能進行測試₪✘。

(4)按照JB/T6073-1992《金屬覆蓋層實驗 室全浸腐蝕試驗》對鋁合金試樣進行加速腐蝕測試│₪₪, 並用科斯特 CS150電化學工作站對鍍層進行極化 曲線測定₪✘。

(5)採用稱量法測試鋁合金試樣表面鍍層的質 量變化│₪₪,並根據施鍍時間和施鍍面積計算沉積速率₪✘。

2 結果與討論

2.1NaWO 溶液濃度對鍍層沉積速率的影響

由圖2可見▩↟₪:Ni-W-P鍍層的沉積速率隨鍍液中 Na2WO4 含量的增加而增大│₪₪,當 Na2WO4 質量濃度 上升到 18g/L 時│₪₪,鍍層的沉積速率達到最大值 [15.21mg/(cm2·h)]│₪₪,此後繼續增加 Na2WO4 的 量│₪₪,鍍 層 的 沉 積 速 率 出 現 一 定 幅 度 的 下 降₪✘。 Na2WO4 含量的增加促使溶液中鎢離子增加│₪₪,有助 於增加沉積速率₪✘。但若溶液中金屬離子過高│₪₪,溶液 穩定性會變差│₪₪,甚至出現自分解現象│₪₪,易生成亞磷酸 鎳和氫 氧 化 鎳 等 物 質 沉 澱│₪₪,從 而 使 沉 積 速 率 下 降[11]₪✘。綜上所述│₪₪,建議2024航空鋁合金表面直接 化學鍍 NiWP鍍層的 Na2WO4 最佳質量濃度為 18g/L₪✘。

2.2 MWCNTs含量對鍍層沉積速率的影響

由圖3可見▩↟₪:Ni-P-MWCNTs鍍層的沉積速率 先是隨 MWCNTs量的增加而逐漸增大│₪₪,當 MWC-NTs質量分數為0.3g/L時│₪₪,鍍層的沉積速率達到 最大 值 [10.03 mg/(cm2 ·h)]│₪₪,此 後 繼 續 增 大MWCNTs的量│₪₪,鍍層的沉積速率開始出現一定幅 度的下降₪✘。MWCNTs含量的增加使得鍍液中懸浮 MWCNTs的量增多│₪₪,其對鍍件表面的沖刷•₪│、刮擦作 用也會加劇│₪₪,進而鍍件表面活性點的數量增加│₪₪,提高 了 Ni•₪│、P•₪│、WMCNTs在鍍件表面的吸附機率│₪₪,沉積 速率上升[12]₪✘。過多懸浮 MWCNTs會覆蓋鍍件表 面的活性點│₪₪,導致 Ni•₪│、P在鍍件表面的還原反應受 到抑制│₪₪,而且過量 WMCNTs還極易出現共團聚現 象不利於 Ni•₪│、P•₪│、WMCNTs的共積│₪₪,故 NiPMWC NTs複合鍍層的沉積速率逐漸減小₪✘。綜上所述│₪₪,推 薦2024航空鋁合金表面化學鍍 Ni-P-MWCNTs復 合鍍層的最佳 MWCNTs質量濃度為0.3g/L₪✘。

2.3 鍍層的形貌與效能

2.3.1鍍層的微觀形貌

由圖4可見▩↟₪:空白鋁合金基體試樣表面比較粗 糙│₪₪,平整度及光滑度較差│₪₪,有很多深淺不一•₪│、形態各 異的坑;NiP鍍層試樣明顯不同於基體試樣│₪₪,其表 面被胞狀鍍層完全覆蓋│₪₪,且胞體大小均勻│₪₪,表面平整 度及光滑度較好│₪₪,但仍存在針孔•₪│、空隙等缺陷│₪₪,導致 其緻密性較差;Ni-P-MWCNTs鍍層表面呈典型的 胞狀結構分佈│₪₪,MWCNTs已成功鍍在了Ni-P胞體之間│₪₪,鍍層的針孔等缺陷減少│₪₪,緻密性得到提升│₪₪,但 其平整度及光滑度有所下降│₪₪,表面略顯粗糙│₪₪,此外 MWCNTs出現了團聚現象│₪₪,其分散情況並不理想│₪₪, 這表明僅靠超聲•₪│、攪拌等物理分散手段並不能很好 地解決 MWCNTs的團聚問題;Ni-W-P鍍層表面無 明顯針孔等缺陷│₪₪,胞體結合緊密•₪│、均勻│₪₪,緻密性最好₪✘。 綜合試樣的表面緻密性•₪│、光滑度及平整度│₪₪,試樣微觀 表面綜合性能排序為 Ni-W-P鍍層>Ni-P-MWC- NTs鍍層>Ni-P鍍層>空白試樣₪✘。

一種飛機結構用鋁合金表面鍍層的製備及其耐蝕性

2.3.2鍍層的結合力

由圖5可見▩↟₪:Ni-P鍍層的劃痕邊緣處僅出現了 幾處零星脫落│₪₪,且脫落面積小於5%│₪₪,其結合力等級 可評為1級;Ni-P-MWCNTs複合鍍層的邊緣處同 樣存在幾處零星脫落│₪₪,但無論是脫落面積│₪₪,還是脫落 區域數量均小於 Ni-P鍍層的│₪₪,這表明新增 MWC-NTs增強了鍍層與鋁合金之間的結合力;Ni-W-P 鍍層的結合力明顯優於 Ni-P鍍層及 Ni-P-MWC-NTs鍍層的│₪₪,其劃痕邊緣及交叉處光滑│₪₪,無鍍層脫落 情況│₪₪,結合力達到0級│₪₪,表明 Na2WO4 的加入提升了 鍍層的結合力₪✘。三種鍍層試樣按照結合力排序為 Ni- W-P鍍層>Ni-P-MWCNTs鍍層>Ni-P鍍層₪✘。

2.3.3鍍層的疏水性

由圖6可見☁✘✘☁│:基體試樣和 Ni-P鍍層的接觸角都小於90°╃╃↟│,表現為親水性;Ni-W-P鍍層的接觸角達 到了96.7°╃╃↟│,大於 90°╃╃↟│,表 現 為 疏 水 性╃╃↟│,表 明 添 加 Na2WO4 可以增強鍍層的疏水效能;Ni-P-MWC-NTs鍍層的接觸角為103°╃╃↟│,說明新增 MWCNTs能 增強鍍層的疏水效能╃◕☁◕。這是因為 MWCNTs的加 入╃╃↟│,降低了鍍層表面的光滑度和平整度╃╃↟│,併產生了類 空氣墊微/奈米結構╃╃↟│,導致水滴與鍍層的接觸面積減 小╃╃↟│,從而提升了鍍層的疏水效能[13]╃◕☁◕。綜上分析╃╃↟│,幾 種試樣的疏水效能由高到低為 Ni-P-MWCNTs鍍 層>Ni-W-P鍍層>Ni-P鍍層>基體試樣╃◕☁◕。

2.3.4鍍層的耐蝕性

由圖7可見☁✘✘☁│:相比於基體試樣╃╃↟│,三種鍍層試樣的 極化曲線均發生了不同程度的偏移╃◕☁◕。結合表2資料 可見☁✘✘☁│:相比於基體試樣╃╃↟│,三種鍍層試樣的腐蝕電位均 提高╃│、腐蝕電流密度均降低╃◕☁◕。這表明三種鍍層試樣 的耐蝕性均高於基體試樣的╃◕☁◕。基體表面致密的 Ni- P鍍層有效隔離鋁合金與空氣中Cl- ╃│、O2 等腐蝕介 質的接觸╃╃↟│,且良好的疏水性減少了水分及其中腐蝕 介質的滲透╃╃↟│,故耐蝕效能提高╃◕☁◕。MWCNTs獨特的 長鏈結構使得外界環境中的腐蝕介質經鍍層向鋁合 金基體的滲透更為複雜╃╃↟│,Ni-W-P鍍層中W原子的加入降低了的鍍層的活潑性╃╃↟│,進一步提高了鍍層的 耐蝕性╃◕☁◕。根據極化曲線測試結果╃╃↟│,幾種試樣耐蝕性 能由強到弱依次為☁✘✘☁│:Ni-W-P鍍層>Ni-P-MWCNTs 鍍層>Ni-P鍍層>空白試樣╃◕☁◕。

3 結論

(1)隨著鍍液中 WMCNTs含量的增加╃╃↟│,Ni-P- WMCNTs鍍層的沉積速率呈現先增後減╃╃↟│,當 WM- CNTs的質量濃度為0.3g/L時╃╃↟│,其沉積速率達到 最大值10.03mg/(cm2·h)╃╃↟│,所以直接化學鍍Ni-P- MWCNTs鍍 層 的 最 佳 WMCNTs 質 量 濃 度 為 0.3g/L;

(2)Ni-W-P 鍍 層 的 沉 積 速 率 隨 著 鍍 液 中 Na2WO4 量 的 增 大 而 增 大 並 逐 漸 趨 於 穩 定╃╃↟│,當 Na2WO4 質量分數為18g/L時╃╃↟│,其沉積速率達到 15.21mg/(cm2·h)╃╃↟│,所以直接化學鍍Ni-W-P鍍層 的 Na2WO4 質量濃度為18g/L;

(3)綜合鍍層表面的緻密性╃│、光滑度╃│、平整度╃│、 結合力╃│、疏水效能╃│、耐蝕效能╃╃↟│,幾種試樣由優到劣的 排序為 Ni-W-P鍍層>Ni-P-MWCNTs鍍層>Ni-P 鍍層>空白試樣╃◕☁◕。


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<文章來源>材料與測試網>期刊論文>腐蝕與防護>41卷>3期(pp:43)>

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