AA1060铝合金电化学蚀刻对涂层性能的影响

赵丹，锁聪，张正祎，马宁, ，陆璐

（1.沈阳飞机工业(集团)有限公司工艺研究所，辽宁 沈阳 110850； 2.沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 100136）

在航空工业领域，铝合金常被用于制造飞机蒙皮，表面喷涂漆膜有助于提高其在水、油以及盐雾环境中的耐腐蚀性能。在涂漆前，通常采用物理方法或化学方法对铝合金进行表面处理，以提高铝合金的耐蚀性及其与漆膜之间的附着力。与研磨、喷砂等物理方法相比，电化学方法能够更有效地提升金属与聚合物之间的粘附性能[1-2]。

构造具有适宜波纹度和表面粗糙度的表面纹理，有利于提高漆膜的表面反射率和附着力[3-6]。本文利用一种简单的设备，采用中性电解液对AA1060铝合金表面进行电化学蚀刻而得到水接触角低于50°的亲水表面，并分析了其形貌、粗糙度和波纹度。从视觉外观和附着力的角度来看，本工艺加工的漆面符合现行的行业标准，漆膜附着力良好。与研磨工艺相比，本工艺具有绿色制造和成本较低的优点，值得开发和实施。

1 实验

1. 1 AA1060铝合金表面处理工艺

采用30 mm × 20 mm × 1 mm的AA1060铝合金基板，电化学蚀刻或研磨后表面涂覆厚度约为0.03 mm的丙烯酸聚氨酯TB06-9涂层。

1. 1. 1 电化学蚀刻

先用砂纸打磨去除AA1060铝合金表面的氧化层，再以铝合金基板作为阳极，铜板作为阴极，采用表1所示的参数，在电流密度0.7 A/cm2下电化学蚀刻7 min，以获得利于漆膜粘合及表面光反射的微/纳米结构。 接着在去离子水中超声清洗90 s，最后置于60 ℃的烘箱中干燥10 min。

表1 电化学蚀刻参数Table 1 Process parameters of electrochemical etching

1. 1. 2 研磨

使用BMP-25型金相预磨机和400#砂纸，在700 r/min的转速下对AA1060铝合金研磨2 min。

1. 2 性能表征和分析方法

使用Zeiss Sigma扫描电子显微镜观察铝合金表面的微观形貌。采用Zygo NewView 5022三维表面轮廓仪分析试样表面的三维形貌，并测量铝合金表面的Ra(高度特征参数中的内轮廓偏距绝对值的算术平均值)、Rz(轮廓峰顶线与谷底线之间的距离)和Rsm(间距特征参数中轮廓微观不平度间距的平均值)，在每个样品的不同位置进行测量，取样区域面积为1.41 mm × 1.06 mm。

采用Kruss DSA100光学接触角测量仪测量室温下水在铝合金表面的接触角(CA)，并通过Microvision MV-VD030SC电子显微镜捕获液滴图像。

采用Form Talysurf i系列CLI2000感应粗糙度分析仪分析铝合金表面轮廓的波纹度(Wa)。

按照GB/T 1720-2020《漆膜划圈试验》采用漆膜划圈试验仪检测漆膜附着力。首先使转针尖端接触涂层，以80 r/min的速率顺时针旋转，划出重叠圆滚线的划痕，用4倍放大镜观察，并与标准样品进行对比和评级，每种样品单独测试，以减小评级误差。

使用漆膜冲击试验机，按照GB/T 1732-2020《漆膜耐冲击测定法》对漆膜进行冲击试验。将1 kg的铁球分别从50、75和100 cm的高度自由落下，使用4倍放大镜观察漆膜有无裂纹、起皱及剥落现象。

2 结果与讨论

2. 1 电化学蚀刻对AA1060铝合金表面微观形貌的影响

从图1可知，经研磨处理的AA1060铝合金表面只有磨粒摩擦留下的磨痕，并没有明显的微坑结构。采用不同溶液电化学蚀刻后AA1060铝合金表面具有不同的微观结构，但都有电化学蚀刻留下的微坑，这种结构有利于提高铝合金表面的润湿性，使水性涂料更易附着。电化学蚀刻试样的水接触角远低于研磨试样，即亲水性更优，采用0.4 mol/L NaCl溶液蚀刻后水接触角为6.2°，亲水性最佳。虽然从图2给出的截面形貌来看，电化学蚀刻试样的微观表面比研磨试样表面更粗糙，但从图3的3D轮廓可知其表面整体均匀、光滑。

图2 不同铝合金样品的横截面形貌 Figure 2 Cross-sectional morphologies of different aluminum alloy samples

图3 采用NaNO3溶液电化学蚀刻后AA1060铝合金的三维轮廓 Figure 3 3-dimensional surface profile of AA1060 aluminum alloy after being etched electrochemically in NaNO3 solution

2. 2 电化学蚀刻对AA1060铝合金表面涂层外观的影响

用LED光照射涂层试样，并从45°角观察表面反射情况。从图4可清楚地看到采用0.4 mol/L NaNO3溶液电化学蚀刻的样品1和样品2以及研磨样品表面涂层的光反射效果都很好，但采用0.4 mol/L NaCl溶液电化学 蚀刻的样品3和样品4表面涂层对光的反射效果都不佳。平均波纹度是影响涂漆表面反射率的重要因素，当表面平均波纹度为1 μm时光反射率最高[7]。如图5所示，采用NaNO3溶液和NaCl溶液电化学刻蚀后，AA1060铝合金的平均波纹度分别为1.156 7 μm和3.048 6 μm，前者更接近1 μm，光反射率也就更高。

2. 3 电化学蚀刻对AA1060铝合金表面粗糙度的影响

从图6可以看出，样品2的各项粗糙度参数最小，Ra仅为0.6 μm。一般认为，样品表面平均波纹度为1 μm左右以及Ra在几十到几百纳米范围内时，喷漆后涂层的光亮性较佳。因此从理论上而言，样品2表面的涂层更光亮。

图6 采用不同溶液电化学蚀刻后AA1060铝合金的表面粗糙度参数 Figure 6 Surface roughness parameters of AA1060 aluminum alloys after being electrochemically etched in different solutions

2. 4 电化学蚀刻对AA1060铝合金表面涂层附着力的影响

从图7和图8可知，AA1060铝合金表面涂层经划圈试验和冲击试验后都完好，无明显的裂纹、剥落等现象，附着力为1级。

图7 划圈试验后AA1060铝合金表面涂层状态 Figure 7 Appearance of coating on AA1060 aluminum alloy surface after circular scratching test

图8 冲击试样后不同样品表面涂层状态 Figure 8 Appearance of coatings on different samples after impact test

3 结论

采用0.4 mol/L NaNO3或NaCl溶液对AA1060铝合金电化学蚀刻，得到水接触角低于50°的亲水表面。相对而言，使用NaNO3溶液电化学蚀刻时AA1060铝合金表面的平均波纹度和表面粗糙度更低，光反射性更好。采用2种电解液电化学蚀刻后，表面漆膜的附着力都为1级。