CN113215634B - 一种提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法，包括：喷丸强化、确定残余压应力层深度、清洗、碱腐蚀、酸洗、阳极氧化、封闭，其中，在确定残余压应力层深度的步骤中，基于喷丸强度参数与残余压应力层深度的关系，由预设的喷丸强度参数，得到残余压应力层深度Ds，在碱腐蚀的步骤中，根据碱腐蚀深度Dc与残余压应力层深度Ds之间存在最佳系数Y，确定碱腐蚀深度为Dc＝Y·Ds，根据碱腐蚀深度Dc与碱腐蚀时间t对应关系建立的线性拟合曲线Dc＝f(t)，由残余压应力层的深度Ds，计算获得对应的腐蚀时间。该方法可有效提高铝合金零件的表面处理性能，提升零件综合性能，进而提升装备质量与性能，具有较大经济及社会效益。

Description

一种提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法
技术领域
本发明涉及铝合金表面改性技术领域，特别是涉及一种提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法。
背景技术
喷丸强化是提高金属材料疲劳抗力的重要表面强化技术方法，采用合理的喷丸工艺参数能够达到显著改善铝合金等金属材料抗疲劳性能的目的。喷丸强化是金属零件在受到高速弹丸的撞击时，在零件表面产生细微的冷态塑性变形，从而使零件表面的强度和硬度提高，并在表层产生残余压应力，它是以提高机械零部件疲劳强度为目标的一种表面处理技术。
铝合金表面防腐技术主要包括化学氧化、阳极氧化、微弧氧化、镀硬铬、化学镀镍等，根据不同的使用需求，使用不同的防腐工艺。其中，阳极氧化技术是应用最广泛和最成功的，也是研究和开发最全面和最深入的技术。
国内外已将喷丸强化以及铝合金阳极氧化工艺分别进行了研究应用，但针对铝合金结构材料的防腐蚀、抗疲劳综合性能的复合表面处理工艺的研究鲜有报导。目前铝合金阳极氧化工艺对材料力学性能的影响认识不足，相关工艺标准均只规定了膜层表面质量、耐蚀性、膜重、厚度等要求，往往不要求其力学性能。但是随着航空、汽车、建筑等领域对铝合金构件的综合性能要求越来越高，阳极氧化工艺对材料的力学性能特别是疲劳性能的影响也越来越受到人们的关注。
喷丸强化使材料表层产生残余压应力层，这对抑制疲劳裂纹萌生和扩展带来积极作用，但是弹丸撞击材料产生的微塑性变形增加了表面应力集中系数，这对疲劳性能带来消极作用，因此合理匹配喷丸强化参数设计对材料疲劳性能至关重要。阳极氧化后铝合金表面形成氧化膜层的结构是影响材料疲劳性能的一个重要因素，氧化膜层脆而且硬，则氧化膜层与基体的界面处往往存在残余应力，裂纹扩展速率较快，会降低材料的疲劳性能。
近年，我国已经陆续开展先进航空、航天飞行器的研制，其结构件要求具有长寿命、高可靠性。基于损伤容限设计准则，对航空航天结构材料综合性能提出了较高要求，明确提出针对铝合金结构材料的防腐蚀、抗疲劳综合性能的需求。与之相关的喷丸强化以及阳极氧化的复合表面处理技术的研究少见，现有技术中喷丸强化及阳极化工艺参数设计分开考虑，喷丸强化后为了提高抗腐蚀性能而进行的阳极氧化工艺往往降低材料疲劳性能。现有阳极氧化前需要进行碱腐蚀，这是为了将铝合金表面自然生成的氧化膜腐蚀掉，裸露出金属基体，保证阳极氧化成膜效果，从而提升耐蚀性。由于碱腐蚀使得铝合金表面被去掉一定深度，而对上道工序喷丸强化的效果造成影响，从而削弱喷丸强化对铝合金疲劳性能的提升效果。
目前，现有技术尚不能建立起喷丸强化参数与阳极氧化前处理参数参数之间的协同匹配关系，从而保证耐蚀性和抗疲劳性达到最优值。本申请拟将喷丸强化及阳极氧化二者关键工艺参数控制建立关联，提出一种精确控制疲劳性能和抗腐蚀性能最佳匹配的复合表面处理方法。
因此，发明人提供了一种提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法，针对铝合金表面改性处理，在同时采纳喷丸强化和阳极氧化的不同表面处理技术时，如何建立起喷丸强化参数与阳极氧化前处理参数之间的协同匹配关系，从而保证耐蚀性和抗疲劳性达到最优值的技术问题。
(2)技术方案
本发明的实施例提出了一种提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法，该方法至少包括以下步骤(1)～步骤(7)：
(1)喷丸强化，对铝合金表面进行喷丸强化处理，表层产生残余压应力；
(2)确定残余压应力层深度，喷丸强化后，基于喷丸强度参数与残余压应力层深度的关系，由预设的喷丸强度参数，得到残余压应力层深度Ds；
(3)清洗，采用酒精、丙酮的有机溶剂对喷丸强化后的铝合金进行表面清洁，去除油污；
(4)碱腐蚀，根据碱腐蚀深度Dc与残余压应力层深度Ds之间存在最佳系数Y＝(8％～15％)，确定碱腐蚀深度为Dc＝Y·Ds，根据碱腐蚀深度Dc与碱腐蚀时间t对应关系建立的线性拟合曲线Dc＝f(t)，得到f(t)＝(8％～15％)Ds，由残余压应力层的深度Ds，计算获得对应的腐蚀时间t1～t2，将步骤(3)清洗后的铝合金在40～60g/L氢氧化钠溶液中，50℃温度下腐蚀时间达t1～t2；
(5)酸洗，将碱腐蚀后的铝合金浸渍于酸性溶液中，室温下出光，直至表面光亮；
(6)阳极氧化，将酸洗后的铝合金进行阳极氧化；
(7)封闭，阳极氧化完成后在5～30g/L重铬酸钾溶液中，100℃温度下封闭15～20min，得到经复合表面处理后的铝合金。
进一步地，在(7)封闭处理后，还包括(8)疲劳及盐雾腐蚀测试，将复合表面处理后的铝合金进行高周疲劳测试，依据GB/T 3075-2008进行，最大应力300Mpa，应力比R＝0.1，试验频率f＝104Hz，对比母材疲劳寿命N1与表面处理后疲劳寿命N2，4N1≤N2≤8N1时，铝合金表面处理后，疲劳性能满足要求；按照GJB150A标准进行干湿交替盐雾测试，复合表面处理后经过1000小时的盐雾测试，表面无明显腐蚀点，耐腐蚀性能满足要求。
进一步地，所述步骤(2)确定残余压应力层深度中，确定所述喷丸强度参数与残余压应力层深度的关系方法为：采用与步骤(1)喷丸强化相同材料的铝合金试件，通过不同喷丸强化参数进行强化处理后，利用小孔法进行残余应力分布测试，获得喷丸强化参数与残余压应力层深度Ds的对应关系。
进一步地，所述步骤(4)碱腐蚀中，确定所述碱腐蚀深度Dc与碱腐蚀时间t对应关系建立的线性拟合曲线Dc＝f(t)的方法为：分别对相同铝合金材料试样碱腐蚀时间30秒、60秒、90秒......及30n秒，n为正整数，通过显微镜观测不同碱腐蚀时间的腐蚀深度，对n组数据进行线性拟合，得到碱腐蚀深度及时间的关系曲线Dc＝f(t)。
进一步地，所述步骤(5)酸洗中，在300～500g/L硝酸溶液中酸洗。
进一步地，所述步骤(6)阳极氧化中，将酸洗后的铝合金在30.5g/L～52g/L硫酸、5.2g/L～10.7g/L硼酸及1g/L添加剂混合溶液中，恒压15V进行阳极氧化。
(3)有益效果
本专利提出建立了喷丸强度参数与阳极氧化前处理参数对材料疲劳及腐蚀性能的匹配关系，获得了一种同时提高铝合金疲劳寿命及耐腐蚀性能的处理方法，其中疲劳性能可提高3-7倍，标准盐雾腐蚀试验超过1000小时，可以有效提高航空航天铝合金零件的表面处理性能，提升零件综合性能，进而提升装备质量与性能，具有较大经济及社会效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了材料、设备和操作方式的任何等同替换和修改。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
请参照图1所示，实施例1提供了一种提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法，对7150铝合金进行喷丸强度值0.143mmN的喷丸强化处理，喷丸强化后利用小孔法进行残余应力分布测试，压应力层深度为100μm。该制备方法至少包括以下步骤(1)～步骤(7)：
(1)喷丸强化，对7150铝合金表面进行喷丸强度值为0.143mmN的喷丸强化处理，表层产生残余压应力。
(2)确定残余压应力层深度，喷丸强化后，基于喷丸强度参数与残余压应力层深度的关系，由预设的喷丸强度参数0.143mmN，得到残余压应力层深度Ds为100μm。
步骤(2)中，确定所述喷丸强度参数与残余压应力层深度的关系方法为：采用与步骤(1)喷丸强化相同材料的7150铝合金试件，通过不同喷丸强化参数进行强化处理后，利用小孔法进行残余应力分布测试，获得喷丸强化参数与残余压应力层深度Ds的对应关系。
(3)清洗，采用酒精、丙酮的有机溶剂对喷丸强化后的7150铝合金进行表面清洁，去除油污。
(4)碱腐蚀，根据碱腐蚀深度Dc与残余压应力层深度Ds之间存在最佳系数Y＝(8％～15％)，确定碱腐蚀深度为Dc＝Y·Ds＝8～15μm，根据碱腐蚀深度Dc与碱腐蚀时间t对应关系建立的线性拟合曲线Dc＝f(t)，得到f(t)＝(8％～15％)Ds，由残余压应力层的深度Ds为100μm，计算获得对应的腐蚀时间t1～t2(47～87s)，将步骤(3)清洗后的7150铝合金在40～60g/L氢氧化钠溶液中，50℃温度下腐蚀时间达47～87s。
步骤(4)的碱腐蚀中，确定碱腐蚀深度Dc与碱腐蚀时间t对应关系建立的线性拟合曲线Dc＝f(t)的方法为：分别对相同的7150铝合金材料试样碱腐蚀时间30秒、60秒、90秒......及30n秒，n为正整数，通过显微镜观测不同碱腐蚀时间的腐蚀深度，对n组数据进行线性拟合，得到碱腐蚀深度及时间的关系曲线Dc＝f(t)。
(5)酸洗，将碱腐蚀后的7150铝合金浸渍于300～500g/L硝酸溶液中，室温下出光，直至表面光亮。
(6)阳极氧化，将酸洗后的铝合金在30.5g/L～52g/L硫酸、5.2g/L～10.7g/L硼酸及1g/L添加剂混合溶液中进行阳极氧化，恒压15V，氧化时间30min。
(7)封闭，阳极氧化完成后在5～30g/L重铬酸钾溶液中，100℃温度下封闭15～20min，得到经复合表面处理后的铝合金。
作为另一种实施方式，在(7)封闭处理后，还包括(8)疲劳及盐雾腐蚀测试，验证材料综合性能。将复合表面处理后的7150铝合金进行高周疲劳测试，依据GB/T 3075-2008进行，最大应力300Mpa，应力比R＝0.1，试验频率f＝104Hz，对比母材疲劳寿命N1＝63233与表面处理后疲劳寿命N2＝315703，经复合表面处理后铝合金疲劳寿命N2是母材疲劳寿命的4.99倍，疲劳性能满足技术指标要求。
按照GJB150A标准进行了干湿交替盐雾测试，复合表面处理后试样经过1000小时的盐雾测试后，表面无明显腐蚀点，耐腐蚀性能满足技术指标要求。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法，其特征在于，包括：
(1)喷丸强化，对铝合金表面进行喷丸强化处理，表层产生残余压应力；
(2)确定残余压应力层深度，喷丸强化后，基于喷丸强度参数与残余压应力层深度的关系，由预设的喷丸强度参数，得到残余压应力层深度Ds；确定所述喷丸强度参数与残余压应力层深度的关系方法为：采用与步骤(1)喷丸强化相同材料的铝合金试件，通过不同喷丸强化参数进行强化处理后，利用小孔法进行残余应力分布测试，获得喷丸强化参数与残余压应力层深度Ds的对应关系；
(3)清洗，采用酒精、丙酮的有机溶剂对喷丸强化后的铝合金进行表面清洁，去除油污；
(4)碱腐蚀，根据碱腐蚀深度Dc与残余压应力层深度Ds之间存在最佳系数Y＝(8％～15％)，确定碱腐蚀深度为Dc＝Y·Ds，根据碱腐蚀深度Dc与碱腐蚀时间t对应关系建立的线性拟合曲线Dc＝f(t)，得到f(t)＝(8％～15％)Ds，由残余压应力层的深度Ds，计算获得对应的腐蚀时间t1～t2，将步骤(3)清洗后的铝合金在40～60g/L氢氧化钠溶液中，50℃温度下腐蚀时间达t1～t2；
确定所述碱腐蚀深度Dc与碱腐蚀时间t对应关系建立的线性拟合曲线Dc＝f(t)的方法为：分别对相同铝合金材料试样碱腐蚀时间30秒、60秒、90秒......及30n秒，n为正整数，通过显微镜观测不同碱腐蚀时间的腐蚀深度，对n组数据进行线性拟合，得到碱腐蚀深度及时间的关系曲线Dc＝f(t)；
(5)酸洗，将碱腐蚀后的铝合金浸渍于酸性溶液中，室温下出光，直至表面光亮；
(6)阳极氧化，将酸洗后的铝合金进行阳极氧化；
(7)封闭，阳极氧化完成后在5～30g/L重铬酸钾溶液中，100℃温度下封闭15～20min，得到经复合表面处理后的铝合金。
2.根据权利要求1所述的提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法，其特征在于，在步骤(7)封闭处理后，还包括步骤(8)疲劳及盐雾腐蚀测试，将复合表面处理后的铝合金进行高周疲劳测试，依据GB/T 3075-2008进行，最大应力300Mpa，应力比R＝0.1，试验频率f＝104Hz，对比母材疲劳寿命N1与表面处理后疲劳寿命N2，4N1≤N2≤8N1时，铝合金表面处理后，疲劳性能满足要求；按照GJB150A标准进行干湿交替盐雾测试，复合表面处理后经过1000小时的盐雾测试，表面无明显腐蚀点，耐腐蚀性能满足要求。
3.根据权利要求1所述的提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法，其特征在于，所述步骤(5)酸洗中，在300～500g/L硝酸溶液中酸洗。
4.根据权利要求1所述的提高铝合金耐腐蚀及抗疲劳性能的方法，其特征在于，所述步骤(6)阳极氧化中，将酸洗后的铝合金在30.5g/L～52g/L硫酸、5.2g/L～10.7g/L硼酸及1g/L添加剂混合溶液中，恒压15V进行阳极氧化。
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