淡婷，宋全，孫宏波，李克梅，彭錚，郭祖光

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

陽極氧化是鋁合金常用的表面處理方式之一。經(jīng)陽極氧化后，鋁合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能都有很大提高[1-2]，并且所得陽極氧化膜為多孔結(jié)構(gòu)，很適合染色而獲得漂亮的外觀。然而，目前航天用鋁合金陽極氧化產(chǎn)品表面出現(xiàn)異常現(xiàn)象(如黑點(diǎn)、黑斑、印痕、條帶等)的頻次頗高。本文選取了4種典型案例進(jìn)行分析，涉及到7075、LF6和2A14三種鋁合金基體，對航天產(chǎn)品陽極氧化膜表面缺陷的發(fā)現(xiàn)與分析具有一定的指導(dǎo)意義。

1 4種典型的陽極氧化膜表面異常案例分析

1.1 基材成分差異導(dǎo)致的陽極氧化膜表面異常

某7075鋁合金產(chǎn)品經(jīng)機(jī)加工、陽極氧化后表面存在不規(guī)則的黑色斑跡(見圖1)。對黑斑部位進(jìn)行橫向剖切，用5 mL/L氫氟酸 + 15 mL/L鹽酸 + 25 mL/L硝酸溶液浸蝕后采用德國蔡司Observer Z1m金相顯微鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2所示。黑斑處的顯微組織與正常位置不同，并且黑斑處基體異常組織的深度不定。采用S-3700N型掃描電鏡附帶的能譜儀分析發(fā)現(xiàn)，黑斑處合金元素Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于正常位置(見表1)。鎂含量偏高會(huì)使基體的耐腐蝕能力減弱，在陽極氧化前的堿洗過程中被腐蝕而形成腐蝕坑(見圖3)，導(dǎo)致陽極氧化后對應(yīng)位置的表面粗糙度與正常位置不同，從而顯示出肉眼可見的黑斑[3]。因此，鋁合金基材局部成分異常會(huì)導(dǎo)致其陽極氧化膜出現(xiàn)黑色斑跡。

圖3 黑斑位置基體的腐蝕坑Figure 3 Etching pits on the substrate of black spot

表1 黑斑和正常區(qū)域基體的元素組成Table 1 Elemental compositions of substrate at black spot and normal area

圖1 7075鋁合金產(chǎn)品表面的黑斑Figure 1 Black spots on the surface of a 7075 aluminum alloy product

圖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 基體晶粒不均勻?qū)е碌年枠O化膜表面異常

如圖4所示，某LF6鋁合金氣缸零件經(jīng)陽極氧化后呈灰綠色，但周向表面出現(xiàn)大量白色斑跡，大部分呈等軸狀，局部白斑拉長并具有方向性。從圖5可知，白色斑跡處的氧化膜與灰綠色區(qū)域的氧化膜連續(xù)。白色斑跡的表面氧化膜較平整，厚度約3 μm，對應(yīng)部位基體的高倍晶粒度為4級(jí)；灰綠色區(qū)域基體表面不平整，表面氧化膜也凹凸不平，厚度約12 μm，對應(yīng)部位基體的高倍晶粒度為9級(jí)。灰綠色區(qū)域晶體均勻，晶界多、溶解快，生成的陽極氧化膜厚且顏色均勻；而白色斑跡處晶界少且晶體之間的取向不同，陽極氧化時(shí)溶解少、溶解慢，各取向晶粒的電荷分布存在差異，生成的陽極氧化膜薄且顏色差異大[4]?；w的顯微組織不均勻，預(yù)處理和陽極氧化后零件表面氧化膜的平整度和厚度也不均勻，光線的散射使人眼在視覺上觀察到灰白相間的現(xiàn)象。

圖4 LF6鋁合金氣缸表面的白色斑跡Figure 4 White spots on surface of LF6 aluminum alloy cylinder

圖5 白斑樣品的橫截面形貌Figure 5 Cross-sectional morphologies of the samples with white spots

1.3 基體流線切斷導(dǎo)致的陽極氧化膜表面有條紋

某2A14鋁合金端框在陽極氧化后上端表面均勻分布有若干條紋，條紋間隔約210 mm，寬約4 mm，與零件外圓切線呈60°夾角(見圖6)。從圖7可知，條紋處的組織與兩側(cè)正常組織的鍛造流線不連續(xù)，呈60°剪切狀態(tài)，且條紋處組織較兩側(cè)正常組織細(xì)小(見圖8)，晶粒拉長方向和化合相分布都與流線方向一致，而正常位置的顯微組織流線沿周向分布。經(jīng)調(diào)查得知，車間冷鍛時(shí)對零件上下端面進(jìn)行鍛造，鍛錘寬度為400 mm，每次人工進(jìn)給量為200 ~ 300 mm，這與條紋間距吻合。零件上端面冷鍛時(shí)前一錘與下一錘鍛壓相接處的組織流線與兩側(cè)均勻變形的組織流線不連續(xù)，造成晶粒與化合相呈不同方向分布。但由于流線不均勻在端框軸向基本無深度，所以其對零件的硬度和拉伸性能無影響。綜上認(rèn)為，端面冷鍛時(shí)鍛錘前后鍛壓相接處組織流線不連續(xù)，造成了晶粒和化合相分布方向與均勻變形處不同，從而在高透明的陽極化膜上產(chǎn)生了視覺上的色差[5]，于是出現(xiàn)深色條紋。

圖6 2A14鋁合金端框表面條紋的間距Figure 6 Spacing of stripes on surface of 2A14 aluminum alloy end frame

圖7 2A14鋁合金端框表面條紋處的形貌Figure 7 Morphology of stripes on surface of 2A14 aluminum alloy end frame

圖8 2A14鋁合金端框表面條紋(a)和正常位置(b)的微觀組織Figure 8 Microstructures of stripes (a) and normal position (b) of 2A14 aluminum alloy end frame

1.4 基體腐蝕導(dǎo)致的陽極氧化膜表面黑點(diǎn)

如圖9所示，某2A14鋁合金殼體外表面陽極氧化后出現(xiàn)黑色斑點(diǎn)。對黑斑處進(jìn)行剖切檢查，發(fā)現(xiàn)斑點(diǎn)處都存在陽極氧化膜，但斑點(diǎn)處基體已發(fā)生深度約為29 μm的沿晶腐蝕，并且表面有微量凸起(見圖10)。由于陽極氧化膜的熱膨脹系數(shù)約為鋁合金基體的1/5，當(dāng)溫度升高時(shí)，氧化膜中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，易使膜層開裂和脫落，從而顯著降低氧化膜的抗腐蝕能力[6]。

圖9 2A14鋁合金殼體外表面的黑色斑點(diǎn)Figure 9 Black spots on outer surface of 2A14 aluminum alloy shell

圖10 2A14鋁合金殼體黑色斑跡處陽極氧化膜的截面形貌Figure 10 Cross-sectional morphology of anodization film at black spots on surface of 2A14 aluminum alloy shell

2 討論

綜上所述，鋁合金陽極氧化后的異常現(xiàn)象與基材的化學(xué)成分、顯微組織、流線連續(xù)性、表面狀態(tài)等相關(guān)。通常鋁合金陽極氧化膜透明度高，有很強(qiáng)的透光和反光能力，基體化學(xué)成分異常、顯微組織不同、流線不連續(xù)、表面凹坑等都會(huì)造成陽極氧化膜的厚度、粗糙度或均勻性不同，產(chǎn)生了不同方位角的反射，即強(qiáng)烈的散射造成視覺色差，最終以黑斑、條紋、黑點(diǎn)等形式呈現(xiàn)。雖然大部分對應(yīng)部位都有陽極氧化膜覆蓋，但也有局部鋁合金基體的腐蝕較深，無法確定內(nèi)部是否存在腐蝕介質(zhì)，長期儲(chǔ)存可能造成產(chǎn)品報(bào)廢。

3 改進(jìn)和預(yù)防

(1) 從陽極氧化膜表面異?，F(xiàn)象形成的原因來看，應(yīng)提高鋁合金基體品質(zhì)，如加強(qiáng)原材料鑄錠成分的均勻度，保證鍛造、熱處理等加工工藝的均勻性，等等。

(2) 嚴(yán)格控制產(chǎn)品加工生產(chǎn)過程，主要從加工過程中切削液的污染、產(chǎn)品存儲(chǔ)環(huán)境等方面進(jìn)行改善。