铝合金表面阳极化层环境损伤失效行为研究

刘春江，黄超，姜涛，刘新灵，何玉怀



铝合金表面阳极化层环境损伤失效行为研究

刘春江1,2,3，黄超4，姜涛1,2,3，刘新灵1,2,3，何玉怀1,2,3

（1.北京航空材料研究院中国航空工业集团公司失效分析中心，北京 100095；2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；3.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095；4.国营芜湖机械厂，芜湖 241007）

目的研究7B04铝合金硫酸阳极化层环境作用下的失效行为，分析单独盐雾试验和环境谱作用下阳极化层的损伤行为和影响因素。方法通过中性盐雾试验和环境谱周期性试验（盐雾试验+温度试验）研究了硫酸阳极化层在不同腐蚀时间或不同腐蚀周期下的腐蚀损伤变化过程，并采用体视显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察了不同腐蚀时间下或不同腐蚀周期下的表面形貌，结合有限元方法研究了阳极化层与铝合金基体热膨胀系数不匹配引起的热应力，定量分析了热应力对阳极化层失效行为的影响。结果经历中性盐雾试验和环境谱试验的硫酸阳极化层损伤失效现象是不一样的，中性盐雾试验中硫酸阳极化层主要呈鼓起开裂失效，而环境谱试验中硫酸阳极化层以开裂剥落失效为主。结论中性盐雾试验中硫酸阳极化层主要是腐蚀介质通过表面微孔进入基体，导致基体腐蚀阳极化层鼓起，而环境谱试验因温度作用产生的热应力引起了硫酸阳极化层的开裂，形成了腐蚀介质进入基体的通道，引起阳极化层的剥落。

铝合金；阳极化层；腐蚀；热应力；有限元

铝合金是飞机的重要结构材料，为提高其综合防腐性能，通常情况下需进行必要的表面处理[1—2]。硫酸阳极氧化是一种常用表面处理工艺，硫酸阳极化层的破坏直接引起铝合金基体的腐蚀，并引起结构失效[3—4]，因此需要对铝合金的阳极氧化膜的耐蚀性和失效行为进行研究，而通常的研究方法为盐雾试验、化学浸泡等方法评价[5—6]，也可采用电化学方法研究阳极氧化铝合金腐蚀介质中的耐蚀性[7]，。另外，由于氧化膜热传导性能和热膨胀系数与基体存在很大差异，因而在较高温度下服役时，氧化膜中会产生很大的热应力，使膜层发生热开裂，导致其保护能力显著降低甚至失效，氧化膜的失效过程将对其性能产生不利影响，导致氧化膜耐蚀性能下降，强度降低而使局部受损害，对机体保护作用下降[8]。

本文通过中性盐雾试验、环境谱试验研究7B04铝合金阳极化层的失效行为，并结合有限元模拟，计算分析在温度作用下热应力对阳极化层开裂的影响。

1 实验方法

试样基材为铝合金7B04，规格为50 mm×100 mm×3 mm。表面经硫酸阳极化处理，铝合金阳极化参数：18 V，180 g/L 硫酸，25 min，膜厚8～9 μm。处理好的试样置于干燥器中保存备用。

将经过处理的试样分别开展中性盐雾试验、环境谱试验和有限元模拟计算。其中，中性盐雾试验为5.0% NaCl溶液（pH为6.5~7.2），取样周期为12、48、72、96、120、144、168、192、216、240和264 h，取出试样进行表面形貌观察；环境谱试验包括：热冲击（温度149 ℃，保温1 h，升温10~15 min）、盐雾试验（温度40 ℃，152 h，盐雾沉降量1~2 mL/(h·80cm2）；有限元分析：建立铝合金阳极化层的局部有限元模型，分析温度对阳极化层热应力的影响。

由于阳极氧化层很薄，按全尺寸建模将会导致巨大的计算量，所以建立试样的局部模型，模型尺寸为10 mm×5 mm×1 mm，膜层厚度为0.008 mm，见图1。采用ANSYS Workbench 软件进行分析，其中7B04铝合金的力学性能参数（采用软件中自带数据）、热膨胀系数[9]；表面阳极氧化层力学性能参数[10]、热膨胀系数[11]见表1。结合环境谱试验中的热冲击过程中，试样需经历149 ℃的温度，施加边界条件。

图1 带阳极氧化层的几何模型和有限元模型

表1 计算参数

2 实验结果与讨论

2.1 中性盐雾试验结果

中性盐雾试验经历不同腐蚀时间的宏观形貌见图2。12 h时试样表面出现腐蚀点，随着腐蚀时间增长，腐蚀点增多并逐渐出现腐蚀产物堆积的现象，逐渐发展为腐蚀斑，随着腐蚀时间的增加点蚀变大且腐蚀产物增多，大点蚀周围逐渐出现许多小点蚀，至240 h时小点蚀长大也已经比较明显。

2.2 环境谱试验结果

环境谱试验经历不同腐蚀周期后的宏观形貌见图3。经历第1周期后，试样表面出现轻微的点蚀现象，随着腐蚀周期的增加，点蚀现象严重且产生较多堆积的腐蚀产物。在体视镜下对经历不同腐蚀时间后试样的表面进行观察（见图4）可见：未试验时试样表面的阳极化层表面存在一些小孔隙；经历1个腐蚀周期后阳极化层表面出现尺寸较大的点蚀，且阳极化膜出现网格状开裂现象；随着腐蚀周期的增加，网格状开裂更加明显，且阳极化层出现粉化现象，但是出现的点蚀在形状和尺寸上并没有发生明显变化。

图4 不同腐蚀周期的体视镜形貌观察

2.3 有限元分析结果

由于铝合金基体与阳极氧化层物理参数的差别，在试验温度为149 ℃的情况下，因阳极氧化层较薄，受到热膨胀作用引起的应变和应力作用会更明显；对于阳极氧化层（主要成分为氧化铝）的断裂应变鲜有研究，但有学者对氧化铝断裂应变进行了综合分析和研究后[11]，取氧化铝的断裂应变为0.002。Yoichi Takeda[13]通过慢拉伸试验和接触电阻抗测量（SSRT-CER）来评价应变对氧化膜电性能的影响，分析获得氧化膜破裂时应变在0.001~0.003之间。因此，文中取阳极化层的断裂应变为0.002。

有限元计算结果表明，在受到149 ℃的温度载荷时，铝合金基体与阳极氧化层应力应变随厚度的变化关系见图5。在铝合金与阳极氧化层之间应力应变均发生突变，且阳极层内的应力和应变远高于基体，分别达到320 MPa、0.003，超过氧化膜的临界应变，会引起阳极氧化层的开裂。另外，值得注意的是，在阳极化层存在缺陷（孔洞）的位置，易引起应力集中，引起阳极氧化层的网状开裂节点处于缺陷处。

另外，根据计算可知，在100 ℃阳极化层内应变降低为0.002，因此阳极氧化层在100 ℃及以上时易产生开裂。

图5 铝合金基体与阳极氧化层热应力应变随厚度的变化关系

3.4 实验结果分析

通过扫描电镜观察分别对中性盐雾试验和环境谱试验的试样表面进行观察。经历中性盐雾试验的试样表面点蚀处出现较多腐蚀产物，且可见阳极化层被腐蚀产物明显顶起，见图6；经历环境谱试验的试样表面，试样表面腐蚀坑处的阳极化层脱落，并且阳极化层开裂现象明显，见图4。

对于阳极氧化层，表面存在孔隙，且阳极氧化层为多孔结构[14]，成为腐蚀介质进入金属基体的通道，引起基体腐蚀膨胀，使阳极化层鼓起开裂，进一步加速了腐蚀介质进入金属基体的速度，加速了铝合金基体的腐蚀。而经历环境谱的试样，由于受温度的影响，引起与基体热膨胀系数的不同，阳极化层出现开裂，也成为腐蚀介质进入金属基体的通道，加速了金属基体的腐蚀并降低了阳极化层与金属基体的结合强度，出现阳极化层脱落，而未观察到阳极氧化层鼓起现象。

图6 中性盐雾试验后试样表面阳极氧化层腐蚀特征

3 结论

1) 经历中性盐雾试验和环境谱试验的硫酸阳极化层损伤失效现象是不一样的，中性盐雾试验中硫酸阳极化层主要是腐蚀介质通过表面微孔进入基体，导致基体腐蚀，引起阳极化呈鼓起开裂失效。

2) 温度作用产生的热应力引起了硫酸阳极化层的开裂，形成了腐蚀介质进入基体，加速了腐蚀并促进了阳极化层的剥落。

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Environmental Damage Failure Behaviors of Anodic Films on Aluminum Alloy

LIU Chun-jiang1,2,3, HUANG Chao4, JIANG Tao1,2,3, LIU Xin-ling1,2,3, HE Yu-huai1,2,3

(1.AVIC Failure Analysis Center, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China; 2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095,China; 3.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China; 4.Wuhu Machinery Plant, Wuhu 241007, Chjna)

Objective To research failure behaviors of anodic films on aluminum alloy in corrosion environment and analyze damage behaviors and influential factors of anodic films under separate salt spray test and environmental spectra test. Methods The changing process of corrosion damage on sulfuric acid anodic film in different corrosion states and periods was researched through neutral salt spray test and environmental periodic test (salt spray test and temperature test). Surface morphologies were observed by stereoscopic microscope and scanning electron microscopy (SEM) at different time or corrosion cycle, and finite element method (FEM) was used to research the thermal stress due to the coefficient of thermal expansion of aluminum alloy matrix and anodic film. Results Damage failures of sulfuric acid anodic films after neutral salt spray test and environmental spectra test were different. The failure of sulfuric acid anodic film after neutral salt spray test was bugling crack, which was different from the main failure of peeling off cracking on anodic films after test. Conclusion In neutral salt spray test,corrosive comes into the matrix of the sulfuric acid anodic film and resultsin plumping of the anodic film. While in the environment spectrum test, the thermal stress generated for high temperature causes cracking of the sulfuric acid anodic film and forms a channel through which corrosive medium can enter the substrate to cause peeling off of anodic film.

aluminum alloy; anodic film; corrosion; thermal stress; FEM

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.024

TJ85；TG174.3

A

1672-9242(2017)03-0123-05

2016-09-05；

2016-11-27

刘春江（1987—），男，河南平顶山人，工程师，研究方向为失效分析与预防，数值仿真计算。