浅析民用飞机铝合金零件表面处理

摘要：简要介绍了铝合金零件表面处理的目的，主要对机体铝合金零件表面处理的四种方法进行研究，阐述了阳极化的原理。旨在为民用飞机铝合金零件表面处理提供参考和借鉴。

关键词：铝合金；表面处理；阳极化

铝合金具有力学性能好、质量轻等优点，已被广泛应用于各行业中，尤其是在轻量化要求较高的航空航天器领域。铝合金经过各种机械（电）化学方法处理后具有表面形貌、表面粗糙程度及在自然环境中防腐蚀性等表面特性。此外，铝合金零件经阳极化处理后，耐盐雾试验可高达500h以上，经化学转换膜处理后，耐盐雾试验性能可大于168h。

1.铝合金表面处理的目的

由于铝与氧的亲和力较强，即使在20℃空气中也会很快在洁净的表面形成一薄层无定 形氧化膜 Al2O3。此外，环境中可能存在的氯气、氟、二氧化硫等，使其表面成分更为复杂。为了提高铝合金的防护能力及装饰性，必须对铝材表面进行处理，以去掉表面层物质。表面处理是一个转化过程，它将铝材表面未知的和可能不希望有的物质转化为已知的且具有希望特性的性质，因此对铝合金零件进行表面处理的目的与要求是：

（1）去除表面力学性能差、与基体结合强度低且在空气等环境中不稳定的物质。

（2）改变表面形貌，以增大表面积，增强胶接界面上的机械啮合作用。

（3）形成新的表面物质，它必须与基体结合优良，本身的内聚强度优良。

（4）提高胶接剂与表面物质之间的亲和性，确保界面粘接力的作用。

（5）保护已处理过的表面，避免或减少存放过程中的表面吸附、溶解和化学反应所造成对表面影响。

2、铝合金表面处理方法

铝合金表面有一层致密的天然氧化膜，耐腐蚀能力较高。民用飞机铝合金的表面处理工艺，基本有以下四种：硫酸阳极化，铬酸阳极化，磷酸阳极化，化学氧化（阿洛丁）。

2.1硫酸阳极化

硫酸阳极化，与铬酸阳极化相比，其优点是保护层为无色，缺点是保护层厚，因而疲劳寿命降低，且成本较高。因此，硫酸阳极化在飞机上使用是有限的。硫酸阳极化，其膜层厚度2.5μm-5.1μm，当工程图纸或工程文件批准时，可用薄膜硫酸阳极化代替铬酸阳极化。

硬质阳极化和装饰零件的着色阳极化是硫酸阳极化的两种改进工艺。铝的硬质阳极化用以提高铝合金的抗磨性能，有时也用于表面修补。硬质阳极化层的厚度为0.0012-0.0014英寸，因厚度较厚，对零件的疲劳寿命影响较大。装饰零件的着色阳极化也称装饰性阳极化，此工艺用于飞机内部有外观要求的零件，主要由供应商来实施。

2.2铬酸阳极化

鉻酸阳极化是飞机上最常用的表面防护方法。阳极化后零件表面呈淡灰色、黄灰色或绿灰色。铬酸阳极化膜层致密，对铝合金具有最好的抗腐蚀保护作用。

2.3磷酸阳极化

磷酸阳极化是铝合金零件结构胶接前的表面处理工艺。磷酸阳极化处理工艺是一类弱酸性阳极化处理方法，与铬酸阳极化、硫酸阳极化方法相比，具有环境友好、毒性小、成本低、工艺参数容易控制等优点。可以明显改善铝合金构建待胶接表面的表面状态，

有效提高铝合金胶接构建的耐久性。磷酸阳极化能在铝合金表面形成厚度大，凹凸不平、多孔的膜，抗腐蚀性很差，但胶接时胶接剂能够渗透进入阳极化铝合金表面孔洞。

2.4铝的转化膜层

铝的转化膜层会在材料表面形成一层抗腐蚀的化学保护层。转化膜层主要用于飞机外表面不喷漆区和内外表面喷漆区的包铝板上。转化膜层的抗腐蚀保护作用不如阳极化好，主要作为涂装底层。但其优点在与不影响疲劳寿命，且工艺简单、操作方便、生产效率高、成本低，不受工件形状大小限制，适用于大批量生产。由于转化涂层不影响疲劳寿命，有些零件要涂转化涂层以替代阳极化处理。

转化膜层主要有两种类型：CC膜层（无色转化膜层）、及MC膜层（多色转化膜层）。CC膜层应符合MIL-C-5541，3类要求，MC膜层应符合MIL-C-5541，1A类要求。当没有规定类型时，应采用MC膜层。飞机外形表面零件应采用CC膜层。

化学转化膜层成膜的过程大致分为三步：

金属表面被氧化而变成离子转入溶液，同时产生原子氢；

初生的原子氢会使一定的6价铬还原成3价铬，由于表面的H+被消耗而使附近的PH值升高，使还原的3价铬以胶体的氢氧化铬形式在表面沉淀；

氢氧化铬沉淀的同时，会吸附一定的6价铬，构成一定组成的铬酸盐膜。

酸性溶液中的铬（6价）酸盐是强氧化剂，而铬盐的还原物通常是不溶性的。因此经过上述三步，能够在金属表面生成不溶性盐或增加天然氧化膜的厚度。

3、阳极化的原理

阳极化是一种在铝合金表面均匀地形成一层薄薄的氧化铝的电解工艺。飞机上大多数的无包铝层铝合金都进行阳极化处理；对于包铝层零件，有些要进行阳极化处理，有些则涂上转化涂层，这取决于零件在飞机上使用的区域。

铝合金阳极化处理包括预处理和阳极化处理2个过程，如图 1 所示，其中预处理包括铝合金板表面除油、 碱液漂洗和和酸液漂洗。

其成膜包括三步骤：

（1） 阳极反应：电解质是强酸性，阳极电位作用下，表面附近水分子被氧化成原子氧[O]，[O]可迅速与表面的铝发生作用形成一层致密的氧化铝薄膜。

（2） 阴极反应：阴极仅起导电作用，表面会析出氢。

（3） 氧化膜的生长：阳极反应生成的氧化膜是绝缘性的，如果电解液不能使其溶解，则发展到一定程度，电流会被阻挡，膜层停止生长。

阳极化的膜层的微观形貌是蜂窝状结构，后续可通过重铬酸盐或去离子水实现水化封闭蜂窝微孔，增加耐蚀能力。

4、结语

铝合金零件经过表面处理之后，其破坏强度、 屈服强度、 弹性模量和断裂延伸率等力学性能基本保持不变，防腐蚀性能得到了提高。铝合金零件的阳极化处理方法优于化学氧化方法，而磷酸阳极化处理是一类弱酸性阳极化处理方法，与铬酸或硫酸阳极化方法相比，具有环境友好、毒性小、成本低、工艺参数易控制等优点，可以明显改善铝合金零件的表面状态，有效地提高铝合金零件的耐久性。

作者简介：

王茹（1986，6-），女，陕西镇安，本科，工程师，研究方向：材料工艺。