航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150000
摘要：磷酸阳极化能有效提高铝合金的胶接性能和胶接接头耐久性。介绍了铝合金磷酸阳极化的机理、工艺、流程、各工艺参数对铝合金胶接性能的作用及规律以及对胶接副耐久性的影响。指出今后应优化铝合金阳极化工艺参数，以提高非胶接部分的耐腐蚀性能，从而提高铝合金胶接件的整体性能。
关键词：铝合金；磷酸阳极化；工艺参数；胶接性能
1前言
铝及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，尤其是对轻量化要求较高的航空航天器领域。在应力腐蚀和环境腐蚀作用下，铝合金构件在服役过程中容易形成裂纹等损伤。对损伤的铝合金构件必须进行必要的处理，从而恢复结构的整体性，胶接修理是一种有效的、成本较低的恢复结构整体性的方法。
2胶接概述
胶接与传统的机械连接、焊接等相比具有明显的优势：（1）胶接结构为面际连接，应力分布均匀，耐疲劳性能好，疲劳裂纹扩展比较缓慢，可在各种环境条件下保持较好的性能，如铝合金薄板胶接的疲劳寿命比点焊高20倍，比铆接高10倍；（2）可将不同种类、厚度的材料有效连接，大幅减少紧固件数量，减轻了整体结构的质量，特别适用于薄型、微小型和复杂型构件的连接，比传统的连接技术更实用；（3）没有缝隙，适用于水密、油密及气密结构；（4）具有绝缘作用，可防止异种金属发生电化学腐蚀，且对振动有阻尼作用，能降低噪声载荷的等级；（5）胶接的工艺温度低，不会影响材质性能；（6）工艺简便，成本低，适合大批量生产。
胶接结构在对结构轻量化要求较高的航空航天领域占有重要地位。通常，在金属胶接或修补前，需要进行必要的表面处理，以保证粘接的坚固、耐久，磷酸阳极化（PAA）能够做到这一点，且经济、环保，具有推广价值。以下对磷酸阳极化法的作用机理、工艺流程、工艺参数及处理后铝合金性能变化等几方面进行总结。
3磷酸阳极化工艺
3.1机理
磷酸阳极化法是弱酸性阳极化，能产生一层均匀、致密的金属氧化膜。以铝合金为例，在磷酸阳极化过程中将发生以下化学反应。
电化学反应铝与阳极化析出的氧作用，生成了Al2O3：
H2O=H++OH－
阴极H++e=[H]，2[H]=H2
阳极2OH－－2e=H2O+[O]
2Al+3[O]=Al2O3（2）
化学反应磷酸电解液不断溶解Al2O3生成的AlPO4：
2Al+2H3PO4=2AlPO4+3H2↑
Al2O3+2H3PO4=2AlPO4+3H2O
由上可知，铝合金磷酸阳极化的过程实际上是铝合金氧化膜生成和溶解相互作用的过程：随着氧化膜厚度增加，电阻逐渐增大导致发热量增大，外层的溶解速度也增大；当膜的溶解速度和生长速度一致后，反应趋于平衡；只有当氧化膜的生成速度大于溶解速度时，氧化膜才能生长、加厚，生成的氧化层呈现疏松多孔状，有利于铝合金的胶接。
3.2工艺
阳极化法按电源种类可分为直流阳极化和交流阳极化2类。一般用不锈钢片或其他惰性材料作阴极，连接直流电源的负极；以金属作阳极，连接直流电源的正极；通过调节磷酸溶液的浓度及温度、阳极化的时间、极间电压、极间距，对待胶接金属进行阳极化处理，以改变其表面形貌，提高其胶接性能和耐久性。磷酸阳极化及胶接的主要工艺流程：表面除油→碱洗→水洗→酸洗→水洗→磷酸阳极化→水洗→烘干→胶接→固化。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
4磷酸阳极化工艺参数对铝合金胶接性能的影响
将Al-Li-S4合金在预处理后进行磷酸阳极化处理，采用正交法优选了4个因素，得到铝锂合金阳极化处理的最佳条件：磷酸浓度150g/L，阳极化时间15min，极间电压15V，溶液温度20℃。此工艺条件所得试样胶接后的剪切强度可达38．56MPa。
4.1磷酸溶液浓度
铝合金氧化膜的生成速度与磷酸电解液的浓度密切相关：随着磷酸浓度的升高，氧化膜的生成速度随之增大，而磷酸浓度过高时，氧化膜的生成率小于溶解速度，不利于氧化膜的积累。因此，在一定范围内，提高电解质溶液的浓度可以增大氧化膜的厚度，从而提高铝合金板的胶接性能。此外，在磷酸溶液中加入有机酸有利于膜层硬度和厚度的增加，稀土元素铈的加入则能有效提高电解液的活性。
4.2温度
在一定范围内，提高电解液的温度可以提高铝合金铬酸阳极化后的胶接性能，因为温度越高，阳极化反应越剧烈，越有助于在铝合金表面形成致密的氧化膜。此结论在磷酸阳极化工艺中也同样成立。金属阳极氧化本身是放热反应，随着反应的进行，电解液温度将升高；金属氧化膜的电阻很大，会使大量电能转变为热能，导致电解液温度不断上升。当温度超过一定值时，溶解作用将超过氧化作用，极易导致过腐蚀现象，使氧化膜疏松起粉，不利于后续的胶接。
一般而言，在电解液中添加适量的有机羧酸或丙三醇等，可有效减少反应热效应的不良影响，提高电解液的温度允许上限，且不会降低氧化膜的质量，还可提高生产效率。但是，液温升高时氧化膜溶解加快、膜层厚度减薄的规律并不会改变。采用压缩空气搅拌法，不仅能迅速散发生成热，保证液温稳定，还有助于溶液成分均匀稳定，避免气体的聚积，防止造成局部无氧化膜或氧化膜很薄的现象。
此外，阳极化处理完成后，在一定温度下烘干氧化膜有利于消除膜孔洞中的吸附水，防止水分形成化合氧化膜，有利于初始胶接性能的提高。
4.3阳极化电压
电压和温度对铝合金硼酸-硫酸阳极化的影响实际上都是通过对电流密度的影响而起作用的，所以铝合金氧化膜的形成实际上只与电流密度和时间有关，或直接与通电量有关，在一定范围内，氧化膜的生成量与通电量成正比，且服从法拉第电解定律。这种理论在磷酸阳极化工艺中也同样适用。若阳极电流密度过高，升温剧烈，极易使氧化膜疏松呈粉状或砂粒状，对氧化膜质量十分不利。因此，当电解液温度恒定时，在一定范围内控制阳极化电压是十分必要的。
随着阳极化过程的进行，氧化膜层的增厚会使阳极氧化电流降低。为确保膜层的质量，在阳极氧化过程中须保持电流密度恒定，一般可借助整流器来提高电压。如果温度偏低，则可相应延长阳极化时间或稍微提高电压；如果温度偏高，则可适当缩短阳极化时间或稍微降低电压。
4.4阳极化时间
阳极化时间对胶接性能的影响较复杂，存在一个最佳组合：电解质溶液浓度较低时，处理时间应适当延长；电解质溶液浓度较高时，处理时间相应缩短。
阳极化时间也与其他因素相关，在稳定槽液的浓度和温度条件下，在磷酸阳极化过程中，阳极化时间与电压的交互作用是主要的，而电压的影响次之。
4.5铝合金阳极化后胶接性能
铝合金经磷酸阳极化处理后的最大拉剪强度为45.99MPa，是未阳极化处理的3倍，接头拉剪破坏模式表现为混合破坏。铝合金经磷酸阳极化处理后的拉剪强度比未处理的提高了238%；阳极化后的铝合金/复合材料的拉剪强度相应提高了近104%。
5结束语
尽管磷酸阳极化法能够有效提高铝合金胶接件的力学性能和耐久性，但由于氧化膜过薄，非胶接部分的耐腐蚀性很差，因而对其应用有所限制。因此，要提高非胶接部分的耐腐蚀性，首先要提高氧化膜的质量，如通过调节铝合金磷酸阳极化工艺参数，可以改善氧化膜层的质量。
参考文献：
[1] 祝萌 朱光明 徐博.磷酸阳极化工艺对铝合金胶接性能的影响[J].材料保护，2014（08）
[2] 詹正运.铝合金磷酸阳极化工艺改进[J].航空维修与工程，2012（11）
[3] 孙振起 黄明辉.航空用铝合金表面处理的研究现状与展望[J].材料导报，2011（12）
论文作者:陈桂洪
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/28
标签：阳极论文; 磷酸论文; 铝合金论文; 电解液论文; 性能论文; 温度论文; 浓度论文; 《防护工程》2018年第29期论文;