铝合金阳极氧化膜表面异常典型案例分析

2021-09-17淡婷宋全孙宏波李克梅彭铮郭祖光

电镀与涂饰 2021年15期

淡婷，宋全，孙宏波，李克梅，彭铮，郭祖光

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

阳极氧化是铝合金常用的表面处理方式之一。经阳极氧化后，铝合金的力学性能和耐腐蚀性能都有很大提高[1-2]，并且所得阳极氧化膜为多孔结构，很适合染色而获得漂亮的外观。然而，目前航天用铝合金阳极氧化产品表面出现异常现象(如黑点、黑斑、印痕、条带等)的频次颇高。本文选取了4种典型案例进行分析，涉及到7075、LF6和2A14三种铝合金基体，对航天产品阳极氧化膜表面缺陷的发现与分析具有一定的指导意义。

1 4种典型的阳极氧化膜表面异常案例分析

1.1 基材成分差异导致的阳极氧化膜表面异常

某7075铝合金产品经机加工、阳极氧化后表面存在不规则的黑色斑迹(见图1)。对黑斑部位进行横向剖切，用5 mL/L氢氟酸 + 15 mL/L盐酸 + 25 mL/L硝酸溶液浸蚀后采用德国蔡司Observer Z1m金相显微镜进行观察，结果如图2所示。黑斑处的显微组织与正常位置不同，并且黑斑处基体异常组织的深度不定。采用S-3700N型扫描电镜附带的能谱仪分析发现，黑斑处合金元素Mg的质量分数略高于正常位置(见表1)。镁含量偏高会使基体的耐腐蚀能力减弱，在阳极氧化前的碱洗过程中被腐蚀而形成腐蚀坑(见图3)，导致阳极氧化后对应位置的表面粗糙度与正常位置不同，从而显示出肉眼可见的黑斑[3]。因此，铝合金基材局部成分异常会导致其阳极氧化膜出现黑色斑迹。

图3 黑斑位置基体的腐蚀坑Figure 3 Etching pits on the substrate of black spot

表1 黑斑和正常区域基体的元素组成Table 1 Elemental compositions of substrate at black spot and normal area

图1 7075铝合金产品表面的黑斑Figure 1 Black spots on the surface of a 7075 aluminum alloy product

图2 黑斑位置截面的金相照片(放大6.5倍)Figure 2 Sectional metallograph of black spots at a magnification of 6.5×

1.2 基体晶粒不均匀导致的阳极化膜表面异常

如图4所示，某LF6铝合金气缸零件经阳极氧化后呈灰绿色，但周向表面出现大量白色斑迹，大部分呈等轴状，局部白斑拉长并具有方向性。从图5可知，白色斑迹处的氧化膜与灰绿色区域的氧化膜连续。白色斑迹的表面氧化膜较平整，厚度约3 μm，对应部位基体的高倍晶粒度为4级；灰绿色区域基体表面不平整，表面氧化膜也凹凸不平，厚度约12 μm，对应部位基体的高倍晶粒度为9级。灰绿色区域晶体均匀，晶界多、溶解快，生成的阳极氧化膜厚且颜色均匀；而白色斑迹处晶界少且晶体之间的取向不同，阳极氧化时溶解少、溶解慢，各取向晶粒的电荷分布存在差异，生成的阳极氧化膜薄且颜色差异大[4]。基体的显微组织不均匀，预处理和阳极氧化后零件表面氧化膜的平整度和厚度也不均匀，光线的散射使人眼在视觉上观察到灰白相间的现象。

图4 LF6铝合金气缸表面的白色斑迹Figure 4 White spots on surface of LF6 aluminum alloy cylinder

图5 白斑样品的横截面形貌Figure 5 Cross-sectional morphologies of the samples with white spots

1.3 基体流线切断导致的阳极氧化膜表面有条纹

某2A14铝合金端框在阳极氧化后上端表面均匀分布有若干条纹，条纹间隔约210 mm，宽约4 mm，与零件外圆切线呈60°夹角(见图6)。从图7可知，条纹处的组织与两侧正常组织的锻造流线不连续，呈60°剪切状态，且条纹处组织较两侧正常组织细小(见图8)，晶粒拉长方向和化合相分布都与流线方向一致，而正常位置的显微组织流线沿周向分布。经调查得知，车间冷锻时对零件上下端面进行锻造，锻锤宽度为400 mm，每次人工进给量为200 ~ 300 mm，这与条纹间距吻合。零件上端面冷锻时前一锤与下一锤锻压相接处的组织流线与两侧均匀变形的组织流线不连续，造成晶粒与化合相呈不同方向分布。但由于流线不均匀在端框轴向基本无深度，所以其对零件的硬度和拉伸性能无影响。综上认为，端面冷锻时锻锤前后锻压相接处组织流线不连续，造成了晶粒和化合相分布方向与均匀变形处不同，从而在高透明的阳极化膜上产生了视觉上的色差[5]，于是出现深色条纹。

图6 2A14铝合金端框表面条纹的间距Figure 6 Spacing of stripes on surface of 2A14 aluminum alloy end frame

图7 2A14铝合金端框表面条纹处的形貌Figure 7 Morphology of stripes on surface of 2A14 aluminum alloy end frame

图8 2A14铝合金端框表面条纹(a)和正常位置(b)的微观组织Figure 8 Microstructures of stripes (a) and normal position (b) of 2A14 aluminum alloy end frame

1.4 基体腐蚀导致的阳极氧化膜表面黑点

如图9所示，某2A14铝合金壳体外表面阳极氧化后出现黑色斑点。对黑斑处进行剖切检查，发现斑点处都存在阳极氧化膜，但斑点处基体已发生深度约为29 μm的沿晶腐蚀，并且表面有微量凸起(见图10)。由于阳极氧化膜的热膨胀系数约为铝合金基体的1/5，当温度升高时，氧化膜中会产生较大的热应力，易使膜层开裂和脱落，从而显著降低氧化膜的抗腐蚀能力[6]。

图9 2A14铝合金壳体外表面的黑色斑点Figure 9 Black spots on outer surface of 2A14 aluminum alloy shell

图10 2A14铝合金壳体黑色斑迹处阳极氧化膜的截面形貌Figure 10 Cross-sectional morphology of anodization film at black spots on surface of 2A14 aluminum alloy shell

2 讨论

综上所述，铝合金阳极氧化后的异常现象与基材的化学成分、显微组织、流线连续性、表面状态等相关。通常铝合金阳极氧化膜透明度高，有很强的透光和反光能力，基体化学成分异常、显微组织不同、流线不连续、表面凹坑等都会造成阳极氧化膜的厚度、粗糙度或均匀性不同，产生了不同方位角的反射，即强烈的散射造成视觉色差，最终以黑斑、条纹、黑点等形式呈现。虽然大部分对应部位都有阳极氧化膜覆盖，但也有局部铝合金基体的腐蚀较深，无法确定内部是否存在腐蚀介质，长期储存可能造成产品报废。