铝合金阳极氧化着黑色热控涂层工艺研究

刘会彬，　邹松华

(天津航天长征火箭制造有限公司，天津　300462 )



铝合金阳极氧化着黑色热控涂层工艺研究

刘会彬，邹松华

(天津航天长征火箭制造有限公司，天津300462 )

摘要：介绍了一种铝合金阳极氧化着黑色热控涂层工艺，此工艺采用硫酸阳极氧化方法以及深黑32#有机染料着色，对LY12铝合金H112热处理状态材料进行了处理。通过正交试验对氧化时间、氧化温度、电流密度工艺参数进行优化，得到高发射率的最佳工艺参数。

关键词:阳极氧化； 着色； 热控涂层； 膜层半球发射率

引　言

当人造卫星、飞船和空间站在太空工作时，要长期经受太阳、行星、空间温度交替加热和冷却，引起高低温的剧烈变化。在太空中因缺少空气作为介质，其热交换主要通过热辐射的方式进行。因此，航天器广泛采用具有特定光学性质的热控涂层涂覆于航天器外表面来调节和控制航天器与外界的热交换，从而维持航天器在一个预定的、正常的工作范围。

热控涂层(温控涂层)是航天器外表面用来调节和控制航天器与外界进行热交换的特种涂层[1-2]。

太阳吸收比(αs)为太阳吸收辐射通量与入射辐射通量之比。发射率(εH)为热辐射体的辐射出射度与处于相同温度全辐射体(黑体)的辐射出射度的比值。半球发射率为热辐射体在半球方向上的发射率。0<εH<1；0<αs<1吸收率A(αs)、反射率R(ρs)、透过率T(τν)存在关系式：A+R+T=1对于不透明体，T=0，关系式可简化为A+R=1。

热控涂层的发射率是涂层产品重要的可控热辐射性能参数,发射率数值在0与1之间变化。不同的发射率ε的热控涂层,可决定航天器热平衡温度水平。

热控发射率按发射率分类如表1所示。

表1涂层热辐射性能分类表

涂层热辐射性能分类依据涂层热辐射性能分类标准发射率高发射率涂层>0.8中发射率涂层0.2～0.8低发射率涂层<0.2

由此可以看出，涂层发射率的高低是判断涂层热辐射性能的重要指标。

1　实　验

1.1实验方法1.1.1实验材料及工艺流程

实验采用LY12铝合金H112热处理状态材料作为试样，规格为40mm×40mm×2mm。利用硫酸阳极氧化方法，对其进行着黑色热控涂层工艺研究。试样用240#的砂纸将棱角处打磨至圆滑后备用。

铝阳极氧化工艺流程如下：

除油→水洗→酸出光→水洗→碱腐蚀→水洗→酸出光→水洗→电化学阳极氧化→着黑色→封闭→清洗。

其中除油、酸出光和碱腐蚀为前处理工序。

1.1.2前处理

经过机械加工的试片表面覆盖有少量油污，油污的存在会使试片生成的氧化膜质量降低，从而影响氧化膜层的着色质量，因此试片在阳极氧化前需要进行除油处理。选择化学除油法将试片表面在加工、流转过程中产生的油污去除。

化学除油用40～50g/L Na2CO3，40～50g/L Na3PO4·12H2O，20～30g/L Na2SiO3的溶液在θ为60～80℃将表面油污除尽[3]。

1.1.3阳极氧化

试片阳极氧化的质量是决定黑色阳极氧化热控涂层膜层半球发射率高低的关键，而决定试片阳极氧化质量主要有三个因素，分别为氧化时间、温度和电流密度。

运用正交试验的方法，通过多组试验最终确定阳极氧化工艺参数，正交试验主要考察氧化时间、温度和电流密度三个因素。

当氧化铝膜层较薄时，基体金属铝的热发射起主要作用，所以膜层总体的发射率较低；当非金属氧化铝膜达到一定厚度后，氧化铝膜层的发射率起主要作用，因此在一定范围内提高膜层厚度，有利于提高膜层的发射率；另外当膜层孔隙率增大，膜层的热物理性能较高，同样有利于提高膜层的发射率[4]。

在几种铝和铝合金电化学氧化方法中，硬质阳极氧化法得到的氧化膜层厚度最厚，通常硬质阳极氧化工艺参数中氧化θ为-2℃、电流密度2.5A/dm2、t为60min[5]。经查阅资料了解氧化时间、温度和电流密度三个因素对铝合金氧化膜层厚度与膜层孔隙率的影响，最终确定三个因素的研究范围如表2所示。

表2正交试验因素水平表

水平因 素ABCt/minθ/℃Ja/(A·dm-2)140～70-5～01.5～2.0270～1000～52.0～2.53100～1305～102.5～3.0

1.1.4着色

热控膜层着黑色处理方法较多，本文选用化学浸渍着色法对试片进行着色处理，其中化学浸渍着色包括有机染料和无机染料两种，有机染料的特点是膜层的色牢度高、上色速度快、上色均匀度好及遮盖能力强，但是其耐光保色性没有无机染料好。目前国内多采用有机染料酸性黑ATT进行着黑色处理[3]。本文采用与酸性黑ATT相似，科莱恩化工(中国)有限公司的深黑32#有机染料，在40～60℃的溶液中将试片浸渍20～30min进行着黑色处理，深黑32#在耐光保色性上优于酸性黑ATT。

经深黑32#着色后的试片，颜色效果好，质量稳定并且操作简单，清洗方便，遮盖能力强。

1.1.5封闭

封闭处理是使着色后的氧化膜表面从活性状态转变为化学钝态，达到提高膜层耐蚀性、增强膜层抗污染能力及固定色素体的目的，且提高膜层发射率的稳定性和耐光性[6-7]。

选取SY-3型封闭剂，在80～90℃下进行2～5min的封闭处理，使着黑色膜层迅速封闭膜孔，使膜层的色度牢靠，减少膜层褪色或流色，并使膜层的发射率长期保持稳定。

2　结果与分析

根据表2中的3个因素和3个水平，按L9(34)正交表安排，共计9组试验，结果见表3。

表3正交试验及极差分析

序号因 素ABCt/minθ/℃Ja/(A·dm-2)H112状态试片膜层发射率160-21.80.8526022.30.8436072.80.85490-22.30.8659022.80.8669071.80.857120-22.80.87812021.80.86912072.30.87

续表

序号因 素ABCt/minθ/℃Ja/(A·dm-2)H112状态试片膜层发射率K12.541.711.7K22.571.71.7K301.71.71A2B1C3极差R0.030.010.01A>B=C

表3中第7、8、9组试片膜层表面边缘部位较粗糙，并带有黑色细小颗粒脱落现象，膜层表面质量不合格(见图1)，因此排除7、8、9组试验数据。

图1　膜层粗糙

直接分析：由试片膜层发射率大小比较，第4、5号方案最好，为A2B1C2、A2B2C3。

计算分析：从极差看，三个因素对结果影响排序为A>B=C，从K值看，较优方案为A2B1C3。

A为主要因素，B、C为次要因素，直接分析与计算分析的主要因素结果一致，次要因素结果不一致，实际当氧化电流较大时，零件较容易发生烧蚀现象，因此C因素最好不要太大(不宜取C3)；补做A2B1C2及A2B1C3比对试验。结果见表4。

表4电流密度对比试验表

序号试验次数试验ABC数量/槽t/minθ/℃Ja/(A·dm-2)层发射率(1)A2B1C22570～100-5～02～2.50.85～0.87(2)A2B1C32570～100-5～02.5～3.00.85～0.87验证结果 从发射率测试结果看,直接分析数据和计算分析数据基本相同,但从试片表面膜层质量看,计算分析结果试片表面边缘部位膜层较粗糙,并带有黑色细小颗粒脱落现象,因此选用电流密度较小的结果A2B1C2,即表3中第4组试验数据

综上实验结果可以看出三个因素对膜层的影响。

1)氧化温度。温度升高，溶液溶解能力增大，膜层孔隙率相应增加，膜层疏松多孔，透光度下降，温度过高，对膜的溶解迅速，膜层厚度易减薄疏松，可以观察到膜层的腐蚀起粉。

2)电流密度。提高电流密度，膜层生成速度加快，松孔度也加多，易于着色和封闭，但用提高电流密度来增厚膜层是有限的，电流过高，电流效率降低且孔内热效应加大，会使金属表面过热和局部溶液温度升高，加速氧化膜的溶解，对复杂零件还会造成电流分布不均引起氧化膜厚度和着色不匀，严重时还会烧毁零件。

3)氧化时间。氧化膜的生长速度与氧化时间在一定范围内成正比，随着膜厚的增加膜层的发射率增加明显，而吸收率增长稍慢；随着氧化时间继续延长，氧化膜加厚，膜的电阻加大，导电能力下降，而且由于升温，膜的溶解速度加快，故膜的生长速度开始减慢，膜孔径变大，表面粗糙，氧化膜开始变得不均匀，且膜层内应力加大，着色封闭后容易产生裂纹等缺陷，经受恶略环境可能会出现老化剥落现象。

试片颜色为标准比色卡上第9005号颜色，即亮黑色(见图2)。

图2　经深黑32#着色试片

3　结　论

通过正交试验确定了铝合金阳极氧化着黑色热控涂层工艺，获得了最佳工艺参数为：Ja为2.0～2.5A/dm2，θ为-5～0℃，t为70～100min。获得的铝合金黑色阳极氧化热控涂层呈黑色、着色均匀，具有优越的耐蚀性和较高的膜层发射率εH。

参考文献

[1]闵桂荣.航天器热控制[M].北京：科学出版社，1998:81-90.

[2]张蕾.低as有机硅热控涂层及其空间防护作用研究[J].中国空间科学技术，2003,(2)：15-22.

[3]张允诚，胡如南，向荣.电镀手册[M].北京：国防工业出版社，2007：97,643-646.

[4]罗列超，赵荣根，孟佳，等.航天器用铝光亮阳极氧化涂层特性研究[J].无机材料学报，2002,17(6):1273-1275.

[5]沈品华.现代电镀手册[M].(下册).北京：机械工业出版社，2011:5-49.

[6]周育红，韩喜江，周德瑞,等.铝及铝合金阳极氧化膜的封闭技术[J].哈尔滨工业大学学报，2003,35(11)：1325-1327.

[7]易忠胜，张良.铝常温镍盐封孔剂的试验研究[J].桂林工学院学报，2001,21(3)：285-287.

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.08.009

收稿日期：2016-03-16修回日期： 2016-04-17

中图分类号：TG174.451

文献标识码：B

Process Research of Black Anodized Thermal Control Coating for Aluminum Alloy

LIU Huibin, ZOU Songhua

(Tianjin Aerospace Long March Rocket Manufacturing Co.Ltd.Tianjin 300462,China)

Abstract:The black anodized aluminum alloy thermal control coating process was introduced in this paper.LY12 aluminum alloy with H112 heat treatment state was treated using sulfuric acid anodizing method and coloured with deep dark 32# organic dyestuff.The factors including oxidation time,oxidation temperature and current density were optimized by the orthogonal tests,and the optimum process parameters with high emissivity were obtained.

Keyword:anodizing;coloring;thermal control coating;hemispherical emittance of the coating