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瀏覽│✘│·│:- 釋出日期│✘│·│:2022-09-09 10:41:45【

摘 要│✘│·│:針對飛機結構用鋁合金在使用過程中容易發生腐蝕的缺點✘₪,採用化學鍍工藝在2024航空鋁合金表面製備 了Ni-P合金↟╃₪◕、Ni-W-P合金和Ni-P-MWCNTs複合鍍層3種鍍層✘₪,研究多臂碳奈米管(MWCNTs)與Na2WO4 新增量 對鍍層沉積速率的影響✘₪,並對三種鍍層的表面微觀形貌↟╃₪◕、結合力↟╃₪◕、疏水效能↟╃₪◕、耐蝕性等進行觀察與分析│•·。結果表明│✘│·│: Ni-P-MWCNTs複合鍍層的沉積速率隨著 WMCNTs量的增加呈現先增後減✘₪,當 WMCNTs加入量為0.3g/L時✘₪,其 沉積速率達到最大值10.03mg/(cm2·h)│•·。Ni-W-P合金鍍層的沉積速率隨著 Na2WO4 加入量的增大而增大並逐 漸趨於穩定✘₪,當 Na2WO4 加入量為18g/L時✘₪,沉積速率達到15.21mg/(cm2·h)│•·。幾種試樣的綜合性能由強到弱依 次為 Ni-W-P鍍層>Ni-P-MWCNTs鍍層>Ni-P鍍層>基體試樣│•·。

關鍵詞│✘│·│:化學鍍;鋁合金;疏水性;耐蝕性;多臂碳奈米管(MWCNTs) 

中圖分類號│✘│·│:TG174.4 文獻標誌碼│✘│·│:A 文章編號│✘│·│:1005-748X(2020)03-0043-05


2024航空鋁合金是一種高強度的硬鋁合金✘₪,廣 泛用於製作飛機上的高負荷承力結構件與零部 件[1-2]│•·。但是✘₪,2024航空鋁合金易發生腐蝕✘₪,這會導 致飛機結構件老化↟╃₪◕、脫落↟╃₪◕、鼓包且產生暗灰色或灰白 色鱗片狀產物✘₪,極大地降低了飛機的安全性與經濟性[3-5]│•·。由飛機結構鋁合金材料發生腐蝕而導致的 航空事故屢見不鮮✘₪,臺灣華航一架 B747型飛機由 於金屬疲勞腐蝕導致墜機✘₪,造成225人死亡[6]│•·。梁 媛媛[7]針對國內外航空公司B747型飛機的腐蝕情 況展開研究✘₪,發現許多飛機客艙地板梁等處均存在 大量的腐蝕│•·。據統計✘₪,航空公司用於飛機腐蝕檢查 與修理的費用約佔飛機總結構檢修費用的1/4[6]│•·。 可見✘₪,避免飛機結構鋁合金材料發生腐蝕能極大地 提高飛機執行的安全性與經濟性│•·。針對金屬材料在 使用過程中容易發生腐蝕的缺點✘₪,國內外學者展開了研究│•·。RABIZADEH 等[8]將 SiO2 新增到 Ni-P 塗層中 提 高 了 塗 層 的 表 面 硬 度 及 耐 蝕 性│•·。AL-ISHAHI等[9]採用化學鍍沉積方法在銅表面沉積了 Ni-P-CNTs複合鍍層✘₪,並對鍍層的效能進行了測 試✘₪,指出碳奈米管(CNTs)的加入能提高鍍層的硬 度↟╃₪◕、耐蝕性以及耐磨性│•·。LIU 等[10]採用大功率二極 管鐳射器處理 Ni-W-P合金鍍層表面✘₪,結果表明激 光可降低材料表面孔隙率✘₪,提高材料的耐蝕性│•·。 

以上學者僅僅研究了一種新增物對 Ni-P鍍層 效能的影響✘₪,並未綜合比較常見的幾種新增物對 Ni-P鍍層效能的影響│•·。本工作研究了2024航空鋁 合金化學鍍 Ni-P合金表面的微觀形貌✘₪,發現其孔隙 率大↟╃₪◕、緻密性差✘₪,表明其耐蝕性差│•·。為了得到耐蝕性 更好 的 鍍 層✘₪,筆 者 前 期 研 究 了 Na2WO4 溶 液 與 MWCNTs對 Ni-P鍍層效能的影響✘₪,並透過效能表 徵測試比較三者的微觀形貌↟╃₪◕、結合力↟╃₪◕、耐蝕性以及疏 水性✘₪,以期為飛機結構材料表面處理技術的研究提 供參考│•·。

1 試驗 

1.1 試驗材料與儀器 

採用尺寸為30mm×10mm×2mm 的2024 航空鋁合金為基材│•·。

所用儀器有│✘│·│:電子天平↟╃₪◕、紅外光譜儀↟╃₪◕、接觸角測 量儀↟╃₪◕、掃描電子顯微鏡↟╃₪◕、電化學工作站│•·。

1.2 工藝流程 

工藝流程包括鋁合金預處理與化學鍍│•·。首先進 行鋁合金預處理✘₪,用砂紙對鋁合金基材進行打磨拋 光✘₪,降低其表面粗超度│•·。水洗後✘₪,60℃下用丙酮和 乙醇超聲清洗(10min)以去除基材表面殘留的碎屑 及油汙│•·。將基材浸入20g/L NaOH 溶液中鹼洗 2min後✘₪,浸入20%(質量分數✘₪,下同)HNO3 溶液中 酸洗30s✘₪,水洗↟╃₪◕、風乾後進行化學鍍✘₪,鍍液組成見 表1✘₪,鍍液pH 為9✘₪,溫度為85℃✘₪,施鍍時間為1h│•·。 整體工藝流程如圖1所示│•·。

1.3 鍍層效能測試及形貌表徵 

(1)採用JSM-5900LV高解析度場發射掃描電 子顯微鏡✘₪,觀察鍍層表面微觀結構形貌│•·。 

(2)按照 GB/T9286-1998《色漆和清漆漆膜 的劃格實驗》✘₪,對鍍層和鋁合金基體之間的結合力進 行測試│•·。 

(3)採用 HARKE-SPCAX1接觸角測量儀✘₪,對 鍍層疏水效能進行測試│•·。 

(4)按照JB/T6073-1992《金屬覆蓋層實驗 室全浸腐蝕試驗》對鋁合金試樣進行加速腐蝕測試✘₪, 並用科斯特 CS150電化學工作站對鍍層進行極化 曲線測定│•·。 

(5)採用稱量法測試鋁合金試樣表面鍍層的質 量變化✘₪,並根據施鍍時間和施鍍面積計算沉積速率│•·。 

2 結果與討論 

2.1NaWO 溶液濃度對鍍層沉積速率的影響 

由圖2可見│✘│·│:Ni-W-P鍍層的沉積速率隨鍍液中 Na2WO4 含量的增加而增大✘₪,當 Na2WO4 質量濃度 上升到 18g/L 時✘₪,鍍層的沉積速率達到最大值 [15.21mg/(cm2·h)]✘₪,此後繼續增加 Na2WO4 的 量✘₪,鍍 層 的 沉 積 速 率 出 現 一 定 幅 度 的 下 降│•·。 Na2WO4 含量的增加促使溶液中鎢離子增加✘₪,有助 於增加沉積速率│•·。但若溶液中金屬離子過高✘₪,溶液 穩定性會變差✘₪,甚至出現自分解現象✘₪,易生成亞磷酸 鎳和氫 氧 化 鎳 等 物 質 沉 澱✘₪,從 而 使 沉 積 速 率 下 降[11]│•·。綜上所述✘₪,建議2024航空鋁合金表面直接 化學鍍 NiWP鍍層的 Na2WO4 最佳質量濃度為 18g/L│•·。

2.2 MWCNTs含量對鍍層沉積速率的影響 

由圖3可見│✘│·│:Ni-P-MWCNTs鍍層的沉積速率 先是隨 MWCNTs量的增加而逐漸增大✘₪,當 MWC-NTs質量分數為0.3g/L時✘₪,鍍層的沉積速率達到 最大 值 [10.03 mg/(cm2 ·h)]✘₪,此 後 繼 續 增 大MWCNTs的量✘₪,鍍層的沉積速率開始出現一定幅 度的下降│•·。MWCNTs含量的增加使得鍍液中懸浮 MWCNTs的量增多✘₪,其對鍍件表面的沖刷↟╃₪◕、刮擦作 用也會加劇✘₪,進而鍍件表面活性點的數量增加✘₪,提高 了 Ni↟╃₪◕、P↟╃₪◕、WMCNTs在鍍件表面的吸附機率✘₪,沉積 速率上升[12]│•·。過多懸浮 MWCNTs會覆蓋鍍件表 面的活性點✘₪,導致 Ni↟╃₪◕、P在鍍件表面的還原反應受 到抑制✘₪,而且過量 WMCNTs還極易出現共團聚現 象不利於 Ni↟╃₪◕、P↟╃₪◕、WMCNTs的共積✘₪,故 NiPMWC NTs複合鍍層的沉積速率逐漸減小│•·。綜上所述✘₪,推 薦2024航空鋁合金表面化學鍍 Ni-P-MWCNTs復 合鍍層的最佳 MWCNTs質量濃度為0.3g/L│•·。

2.3 鍍層的形貌與效能 

2.3.1鍍層的微觀形貌

由圖4可見│✘│·│:空白鋁合金基體試樣表面比較粗 糙✘₪,平整度及光滑度較差✘₪,有很多深淺不一↟╃₪◕、形態各 異的坑;NiP鍍層試樣明顯不同於基體試樣✘₪,其表 面被胞狀鍍層完全覆蓋✘₪,且胞體大小均勻✘₪,表面平整 度及光滑度較好✘₪,但仍存在針孔↟╃₪◕、空隙等缺陷✘₪,導致 其緻密性較差;Ni-P-MWCNTs鍍層表面呈典型的 胞狀結構分佈✘₪,MWCNTs已成功鍍在了Ni-P胞體之間✘₪,鍍層的針孔等缺陷減少✘₪,緻密性得到提升✘₪,但 其平整度及光滑度有所下降✘₪,表面略顯粗糙✘₪,此外 MWCNTs出現了團聚現象✘₪,其分散情況並不理想✘₪, 這表明僅靠超聲↟╃₪◕、攪拌等物理分散手段並不能很好 地解決 MWCNTs的團聚問題;Ni-W-P鍍層表面無 明顯針孔等缺陷✘₪,胞體結合緊密↟╃₪◕、均勻✘₪,緻密性最好│•·。 綜合試樣的表面緻密性↟╃₪◕、光滑度及平整度✘₪,試樣微觀 表面綜合性能排序為 Ni-W-P鍍層>Ni-P-MWC- NTs鍍層>Ni-P鍍層>空白試樣│•·。

一種飛機結構用鋁合金表面鍍層的製備及其耐蝕性

2.3.2鍍層的結合力 

由圖5可見│✘│·│:Ni-P鍍層的劃痕邊緣處僅出現了 幾處零星脫落✘₪,且脫落面積小於5%✘₪,其結合力等級 可評為1級;Ni-P-MWCNTs複合鍍層的邊緣處同 樣存在幾處零星脫落✘₪,但無論是脫落面積✘₪,還是脫落 區域數量均小於 Ni-P鍍層的✘₪,這表明新增 MWC-NTs增強了鍍層與鋁合金之間的結合力;Ni-W-P 鍍層的結合力明顯優於 Ni-P鍍層及 Ni-P-MWC-NTs鍍層的✘₪,其劃痕邊緣及交叉處光滑✘₪,無鍍層脫落 情況✘₪,結合力達到0級✘₪,表明 Na2WO4 的加入提升了 鍍層的結合力│•·。三種鍍層試樣按照結合力排序為 Ni- W-P鍍層>Ni-P-MWCNTs鍍層>Ni-P鍍層│•·。