CN113832518B - 一种铝合金工件胶接前处理方法 - Google Patents

一种铝合金工件胶接前处理方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种铝合金工件热控胶接前处理方法，包括：(1)工件前处理：对铝合金工件依次进行脱脂、水洗、碱蚀、水洗、中和、水洗处理；(2)阳极化处理：将经前处理的铝合金工件放入阳极氧化槽中进行阳极氧化处理，得到所述氧化膜；其中，所述阳极氧化槽中含有阳极氧化槽液，所述阳极氧化槽液包括：磷酸50‑200g/L、硫酸10‑130g/L、硫酸铈1‑15g/L、硼酸10‑45g/L、磷酸镁0.5‑20g/L。经该处理方法处理后的铝合金工件可以满足热控性能的要求，其太阳光吸收率可以高达0.3，半球发射率高达0.4。

Description

一种铝合金工件胶接前处理方法
技术领域
本发明属于表面处理领域，具体为一种应用在太空作业铝合金蒙皮的热控胶接前处理方法。
背景技术
因为太空中没有大气的保护，太阳光(包含红外、可见、紫外光)的强度远高于地球上，照射面温度高，非照射面温度低，温度波动范围可达-150℃到150℃。太阳光吸收率(以下简称吸收率)是表面对于太阳光中紫外光、可见光和红外光吸收的总强度与入射强度的比值，体现了材料表面对于从红外到紫外波长光的吸收能力。半球发射率(以下简称发射率)是物体经过加热到特定温度后，在180度扇形面以内辐射出红外的强度与黑体辐射的比值，体现了热量以红外辐射的形式损失的能力。这两项特性对于太阳光强烈的太空格外重要。因此针对不同部位，在外太空作业的卫星内部外部铝合金材料的框架通常都对表面的金属材料有太阳光吸收率和半球发射率的数值要求，以保证吸收或辐射出的各个波长的光不会对卫星的正常作业产生影响。
目前，国内对于满足特定吸收率和反射率的表面的研究大多集中在化学合成，如硅酸盐包裹的紫外吸收材料所形成的涂层。通过前期的涂敷，硅酸盐涂层通常要经过高温固化过程，这为工业化生产增加了限制。涂层的寿命也是不可忽略的问题。一方面，由于结合力的问题，在长时间使用后，涂层老化极易从基体剥落。另一方面，在高真空紫外条件下，热控涂层很可能发生降解，导致吸收率和发射率发生偏差。
现有的铝表面处理技术制备的磷酸阳极化胶粘前处理膜层薄，吸收率低，发射率低，不符合在航天器上应用所要求的0.35±0.1的吸收率和0.4±0.1的发射率。
现有磷酸阳极化结构胶接前处理航空工业标准(HB/Z 197-1991)规定了前处理和磷酸阳极化的步骤。标准中并未规定磷酸阳极化膜的厚度。因为磷酸对于铝合金具有较强的溶解性，加之磷酸在水中部分电离，使得导电性相对较弱，成膜效率低于其他酸(如，硫酸、草酸等)。两者综合作用下使得磷酸阳极化形成的膜层厚度较低。经多次测定，经过该标准制备的氧化膜厚度小于等于1.5微米，导致热控性能很差。经过测试按照该标准工艺加工的铝合金表面的太阳能吸收率为0.1，半球阀射率为0.09，无法满足航天组件对于热控性能(太阳能吸收率、半球发射率)的要求。
此外，利用金黄色化学导电氧化，铝及铝合金经导电氧化工艺后所获的氧化膜具有导电性能，且与有机涂料、胶膜等具有良好的胶接性能，由此广泛应用于与有机胶、油漆和作为电泳涂料基底。但是，这种氧化膜亦存在以下缺点：1、导电氧化的膜厚较薄，通常＜1μm，耐磨性能差；2、含有Cr6+六价铬离子，对环境污染严重；3、虽然胶接性能良好，但是半球发射率和吸收率不满足要求。
利用本色化学导电氧化，铝及铝合金经导电氧化工艺后所获的氧化膜具有导电性能，且与有机涂料、胶膜等具有良好的胶接性能，由此广泛应用于与有机胶、油漆和作为电泳涂料基底。但是，这种氧化膜亦存在以下缺点：1、导电氧化的膜厚较薄，通常＜1μm，耐磨性能差；2、部分本色导电氧化方法含有Cr3+三价铬离子，对环境污染严重；3、虽然胶接性能良好，但是半球发射率和吸收率不满足要求。
此外，现有技术中，还可以利用磁控溅射法或化学制备法成膜。
所述磁控溅射法可以将物质以原子尺度附着在基材表面，所制备的表面致密，可以选用的范围比较广。但是因为是以原子纳米尺度制备，效率就是其缺陷，通常来讲如果想要制备金属表面达到微米级别的磨蹭需要几小时，如果是无机氧化物则需要十余小时。同时制备环境苛刻，需要利用分子泵将腔内压力抽到10-3Pa，通常腔体的体积都很小，目前还未见应用于铝合金表面处理工业。
化学制备法又叫非电解法，已经广泛地运用到工业生产当中，相对于电化学转化膜，化学转化膜具有操作方便、成膜均匀的优势。但是化学转化膜多为在强氧化剂作用下生成的致密的钝化膜，无法为铝合金工件的表面胶接提供良好的胶类附着场所。
由此，亟需一种新的应用在太空作业铝合金蒙皮的热控胶接前处理方法来解决上述技术问题。
发明内容
为此，本发明通过改良铝合金工件热控胶接前处理方法，解决了现有磷酸阳极化结构胶接前处理低太阳光吸收率、低半球发射率的问题，使加工后的氧化膜在满足胶接性能的基础上提高热控性能。
一种铝合金工件热控胶接前处理方法，包括：
(1)工件前处理：对铝合金工件依次进行脱脂、水洗、碱蚀、水洗、中和、水洗处理；
(2)阳极化处理：将经前处理的铝合金工件放入阳极氧化槽中进行阳极氧化处理，得到所述氧化膜；
其中，所述阳极氧化槽中含有阳极氧化槽液，所述阳极氧化槽液包括：磷酸50-200g/L、硫酸10-130g/L、硫酸铈1-15g/L、硼酸10-45g/L、磷酸镁0.5-20g/L。
其中，所述步骤(1)中，所述脱脂为超声脱脂，脱脂处理时采用的脱脂液的配方为：Na3PO4 30-55g/L、NaOH 5-10g/L和Na2SO4 10-20g/L；脱脂处理温度为50-65℃，脱脂处理时间为5-10min。
其中，所述步骤(1)中，碱蚀处理时采用的碱蚀液的配方为：NaOH 40-80g/L；碱蚀处理温度为50-75℃，碱蚀处理时间为10-30s。
其中，所述步骤(1)中，中和处理时采用的中和液的配方为：HNO3 50-400g/L、H2O210-200g/L；中和处理温度为10-30℃，中和处理时间为10-30s。
其中，所述步骤(2)中，在阳极氧化槽中，接入脉冲电源的正极作为阳极；将脉冲电源的负极连接铅极板，作为阴极。
其中，所述步骤(2)中，在阳极氧化处理时，打开空气搅拌、制冷机和循环泵。
其中，所述步骤(2)中，在电源电流密度为0.2-4A/dm2、频率为10-300Hz、占空比为5-65％、温度为10-17℃的阳极氧化槽液中，进行阳极氧化40-90min(优选45min)。
其中，若不立即对经步骤(1)所述前处理后的铝合金工件进行步骤(2)所述的阳极氧化处理，则需将经步骤(1)所述前处理后的铝合金工件保持浸泡在水中，以尽量减少工件与空气的接触；或者将或经步骤(1)所述前处理后的铝合金工件尽快吹干，以防止发生新的腐蚀。
本发明具有以下有益技术效果：
传统的磷酸阳极化具有复杂的多孔结构，因为磷酸的超强溶解特性，再加上磷酸中强酸的特性，在溶液中不完全电离，导致溶液导电性远差于硫酸等强酸，导致膜层过薄。在磷酸阳极氧化过程中加入硫酸，增加溶液中粒子的电离程度，增加导电性，提高成膜过程的速率。加入稀土金属的硫酸盐，在几乎不影响溶液组成的基础上，进一步增加成膜效率。硼酸-硫酸阳极氧化进一步强化胶粘性能和改变膜层结构，增强光的吸收率和热辐射能力。磷酸镁起到了缓蚀的作用，可以被其他不溶性磷酸盐如磷酸铝代替。
经本发明所述铝合金工件热控胶接前处理方法所处理后的铝合金工件可以满足热控性能的要求，其太阳光吸收率可以高达0.3，半球发射率高达0.4；而传统的磷酸阳极化的吸收率和发射率均小于0.1。并且根据本发明的制备方法，可以根据需求，调整工艺参数和阳极氧化条件，以满足不同的发射率需求。
附图简要说明
图1为本发明的铝合金工件热控胶接前处理方法工艺流程图。
图2为经本发明的铝合金工件热控胶接前处理方法加工后的铝合金工件表面SEM照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：6系铝合金
(1)工件前处理：
对铝合金工件依次进行脱脂、水洗、碱蚀、水洗、中和、水洗处理；其中，所述步骤(1)中，所述脱脂为超声脱脂，脱脂处理时采用的脱脂液的配方为：Na3PO4 30g/L、NaOH 10g/L和Na2SO4 14g/L；脱脂处理温度为55℃，脱脂处理时间为7min。
其中，所述步骤(1)中，碱蚀处理时采用的碱蚀液的配方为：NaOH 75g/L；碱蚀处理温度为50℃，碱蚀处理时间为30s。
其中，所述步骤(1)中，中和处理时采用的中和液的配方为：HNO3 230g/L、H2O2100g/L；中和处理温度为20℃，中和处理时间为20s。
(2)阳极化处理：
阳极化过程采用正负脉冲电源，工件接阳极，铅板或铝板作为阴极。
其中，所述步骤(2)中，在阳极氧化槽中，接入脉冲电源的正极作为阳极；将脉冲电源的负极连接铅极板，作为阴极。阳极氧化槽液包括：磷酸200g/L、硫酸80g/L、硫酸铈4g/L、硼酸23g/L、磷酸镁5g/L。
其中，所述步骤(2)中，在阳极氧化处理时，打开空气搅拌、制冷机和循环泵。
其中，所述步骤(2)中，在电源电流密度为1.2A/dm2、频率为100Hz、占空比为60％、温度为15℃的阳极氧化槽液中，进行阳极氧化60min。
加工后合金表面膜层厚度为5μm，太阳光吸收率为0.3，半球发射率为0.3。
实施例2：5系铝合金
(1)工件前处理：
对铝合金工件依次进行脱脂、水洗、碱蚀、水洗、中和、水洗处理；其中，所述步骤(1)中，所述脱脂为超声脱脂，脱脂处理时采用的脱脂液的配方为：Na3PO4 30g/L、NaOH 10g/L和Na2SO4 14g/L；脱脂处理温度为50℃，脱脂处理时间为7min。
其中，所述步骤(1)中，碱蚀处理时采用的碱蚀液的配方为：NaOH 75g/L；碱蚀处理温度为50℃，碱蚀处理时间为30s。
其中，所述步骤(1)中，中和处理时采用的中和液的配方为：HNO3 230g/L、H2O2100g/L；中和处理温度为20℃，中和处理时间为15s。
(2)阳极化处理：
阳极化过程采用正负脉冲电源，工件接阳极，铅板或铝板作为阴极。
其中，所述步骤(2)中，在阳极氧化槽中，接入脉冲电源的正极作为阳极；将脉冲电源的负极连接铅极板，作为阴极。阳极氧化槽液包括：磷酸180g/L、硫酸100g/L、硫酸铈4g/L、硼酸23g/L、磷酸镁5g/L。
其中，所述步骤(2)中，在阳极氧化处理时，打开空气搅拌、制冷机和循环泵。
其中，所述步骤(2)中，在电源电流密度为1.0A/dm2、频率为100Hz、占空比为60％、温度为15℃的阳极氧化槽液中，进行阳极氧化50min。
加工后合金表面膜层厚度为6μm，太阳光吸收率为0.25，半球发射率为0.25。
对比例1：5系合金
(1)工件前处理：与实施例相同。
(2)阳极化处理：在实施例2的基础上，去掉硫酸组分。加工参数与实施例2相同。
对比例1加工的铝合金表面膜层厚度为小于2μm，太阳光吸收率为0.07，半球发射率为0.09。
对比例2：5系合金
(1)工件前处理：与实施例相同。
(2)阳极化处理：在实施例2的基础上，去掉稀土盐(硫酸铈)。其余参数与实施例2相同。
对比例2加工的铝合金表面膜层厚度为5μm，太阳光吸收率为0.12，半球发射率为0.13。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种铝合金工件热控胶接前处理方法，包括：
步骤（1）工件前处理：对铝合金工件依次进行脱脂、水洗、碱蚀、水洗、中和、水洗处理；
步骤（2）阳极化处理：将经前处理的铝合金工件放入阳极氧化槽中进行阳极氧化处理，得到所述氧化膜；
其中，所述阳极氧化槽中含有阳极氧化槽液，所述阳极氧化槽液由以下组分组成：磷酸50-200 g/L、硫酸 10-130 g/L、硫酸铈 4-15 g/L、硼酸10-45 g/L、磷酸镁 5-20 g/L。
2.如权利要求1所述的铝合金工件热控胶接前处理方法，其中，所述步骤（1）中，所述脱脂处理时采用的脱脂液的配方为：Na3PO4 30-55 g/L、NaOH 5-10 g/L和Na2SO4 10-20 g/L。
3.如权利要求1所述的铝合金工件热控胶接前处理方法，其中，所述步骤（1）中，所述脱脂为超声脱脂；脱脂处理温度为50-65℃，脱脂处理时间为5-10min。
4.如权利要求1所述的铝合金工件热控胶接前处理方法，其中，所述步骤（1）中，碱蚀处理时采用的碱蚀液的配方为：NaOH 40-80 g/L。
5.如权利要求1所述的铝合金工件热控胶接前处理方法，其中，所述步骤（1）中，碱蚀处理温度为50-75℃，碱蚀处理时间为10-30s。
6.如权利要求1所述的铝合金工件热控胶接前处理方法，其中，所述步骤（1）中，中和处理时采用的中和液的配方为：HNO3 50-400 g/L、H2O2 10-200 g/L。
7.如权利要求1所述的铝合金工件热控胶接前处理方法，其中，所述步骤（1）中，中和处理温度为10-30℃，中和处理时间为10-30s。
8.如权利要求1所述的铝合金工件热控胶接前处理方法，其中，所述步骤（2）中，在阳极氧化槽中，接入脉冲电源的正极作为阳极；将脉冲电源的负极连接铅极板，作为阴极。
9.如权利要求1所述的铝合金工件热控胶接前处理方法，其中，所述步骤（2）中，在阳极氧化处理时，打开空气搅拌、制冷机和循环泵。
10.如权利要求1所述的铝合金工件热控胶接前处理方法，其中，所述步骤（2）中，在电源电流密度为0.2-4A/dm2、频率为10-300Hz、占空比为5-65%、温度为10-17℃的阳极氧化槽液中，进行阳极氧化40-90min。
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