CN116770408A - 一种多元材料层状复合部件用铝合金板件的表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多元材料层状复合部件用铝合金板件的表面处理方法，涉及轻量化多元材料层状复合部件生产领域。解决现有电化学腐蚀方法处理不同体系的铝合金，刻蚀效果差异性大，刻蚀凹坑分度不均匀的问题。一种多元材料层状复合部件用铝合金板件的表面处理方法，包括：将多元材料层状复合部件用铝合金板件表面在NaH2PO2溶液、Na2CO3溶液和CH3COONa溶液组成的混合溶液中，超声振荡进行净化活化；将经过表面净化活化的多元材料层状复合部件用铝合金板件在H3PO4溶液和CH3COOH溶液的混合酸溶液中进行电化学刻蚀，在铝合金表面形成凹坑。本发明方法对铝合金板件表面进行处理，刻蚀凹坑分布均匀。

Description

一种多元材料层状复合部件用铝合金板件的表面处理方法
技术领域
本发明涉及轻量化多元材料层状复合部件生产领域，尤其涉及一种多元材料层状复合部件用铝合金板件的表面处理方法。
背景技术
轻量化是以航空航天、新能源汽车、医疗健康等为代表的工业领域中装备产品的重要发展方向和需求，材料轻量化是最直接有效的技术手段，其中铝合金和高分子树脂材料是目前发展最为迅速、应用最广的两种轻量化材料；随着轻量化程度的不断提高和制造水平的不断提升，更多综合性能要求更高的关键部件也急需理想的轻量化解决方案，单一的铝合金材料或树脂材料都难以胜任。
将铝合金和树脂等多元材料按照三明治结构制备成为层状复合材料理论上获得各个组元材料的优势性能，可以满足复杂的综合性能需求，但是由于铝合金与树脂类材料间极大的结构和性能差异，相互间无法形成有效的化学结合，阻碍了组元间的性能传递和界面结合，成为当前限制层状结构多组元复合材料实际应用的关键问题。
目前，解决层状结构下铝合金与树脂材料组元间结合问题主要采取两种手段，一是铆接或内嵌的局部固定法，二是基于板件表面处理的微尺寸机械结合法。对于局部固定法，其操作简单，但无法实现层状结构多组元复材零部件的一次直接成形，需要后续的固定或装配工艺，同时有限的局部强化点位置表现出明显的应力应变集中，是高风险的失效位置，降低整体零部件的安全可靠性。微尺寸机械结合法是通过对铝合金表面进行表面处理形成均匀微米尺度凹坑机构，在与树脂材料的复合成形过程中，其可以作为锚点强化多元材料间的机械结合，提升整体部件性能；同时通过铝合金板件表面处理形成的强化结合位置，数量多而且分布更均匀连续，从而在受力条件下可以更好协调铝合金和树脂材料在近界面位置的应力和应变分布，降低应力集中，提高整体部件的安全可靠性。目前，对铝合金板件的表面处理方法主要分为机械法和电化学法，其中机械法主要通过喷砂处理在铝合金表面形成凹坑，但凹坑尺寸大，存在重叠，不利于应力和应变的协调分布，同时表面存在较高的残余应力，影响界面结合和稳定性；电化学法则是更为理想的表面处理方法,其在直流电辅助作用下,利用酸碱腐蚀提高铝合金板件表面粗糙度，现有工艺在Al-Si系合金中可以取得较好效果，但对于含Cu、Mg、Zn等合金元素并通过析出强化机制取得高性能的2XXX、6XXX、7XXX系铝合金体系，由于晶界和晶内较高的腐蚀电位差，在传统电化学工艺下，会造成锚点分布、尺寸严重不均匀，从而影响后期的复合处理，这一问题在真实复杂形状构件的处理中则更为严重，大变形位置会进一步提高电位差，从而更加凸显传统工艺的刻蚀不均匀性，造成复杂形状构件在晶界及大变形位置材料性能的严重衰减，使得复合后整体构件结合效果和性能明显降低。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种多元材料层状复合部件用铝合金板件的表面处理方法，至少解决以下技术问题之一：1、现有机械法处理铝合金表面，主要是通过喷砂处理在铝合金表面形成凹坑，但凹坑尺寸大，存在重叠，不利于应力和应变的协调分布，同时表面存在较高的残余应力，影响界面结合和稳定性；2、通过现有电化学腐蚀提高铝合金板件表面粗糙度，针对不同体系的铝合金，刻蚀效果差异性大，反应过程控制精度低，造成提供锚点位置的尺寸、分度不均匀；3、通过现有电化学腐蚀对铝合金复杂形状构件的表面进行处理，由于刻蚀的不均匀性，容易造成复杂形状构件在晶界及大变形位置材料性能的严重衰减，使得复合后整体构件结合效果和性能明显降低。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明实施例提供了一种多元材料层状复合部件用铝合金板件的表面处理方法，包括以下步骤：
步骤1：将多元材料层状复合部件用铝合金板件表面在NaH2PO2溶液、Na2CO3溶液和CH3COONa溶液组成的混合溶液中，超声振荡进行净化活化；
步骤2：将经过表面净化活化的多元材料层状复合部件用铝合金板件在H3PO4溶液和CH3COOH溶液的混合酸溶液中进行电化学刻蚀，在铝合金表面形成凹坑。
进一步地，所述多元材料层状复合部件用铝合金板件为含Cu、Mg、Zn元素中的一种或多种的高强铝合金板件及冲压件。
进一步地，步骤1中，所述NaH2PO2溶液的浓度为0.28-0.30mol/L，Na2CO3溶液的浓度为0.13-0.15mol/L，CH3COONa溶液的浓度为0.24-0.260.25mol/L。
进一步地，所述NaH2PO2溶液、Na2CO3溶液、CH3COONa溶液的体积配比为1:1:1。
进一步地，所述超声振荡温度为70-80℃。
进一步地，所述超声振荡时间为10-15min。
进一步地，所述H3PO4溶液的浓度为1.43-1.45mol/L，CH3COOH溶液的浓度为0.10-0.12mol/L。
进一步地，所述H3PO4溶液和CH3COOH溶液的体积配比为1:5-1:10。
进一步地，所述电化学刻蚀温度为30-35℃。
进一步地，所述电化学刻蚀电流为0.7-0.8A，电化学刻蚀时间为10-30min。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明采用在H3PO4和CH3COOH混合溶液中电刻蚀的方式对多元材料层状复合部件用铝合金板件件进行表面处理，混合型弱酸的使用首先降低基础化学过程的反应速度，避免处理初始阶段即快速出现严重不均匀性，进而通过电流强度辅助控制削弱铝合金的本征和结构电位差，进一步稳定不同位置的腐蚀速度，实现均匀刻蚀，同时避免了H2SO4、HCl等强酸的使用，提高整体工艺的绿色水平。
2、本发明方法在对铝合金板件表面进行处理时，通过NaH2PO2弱碱性盐和H3PO4的使用，在金属表面引入非金属类P离子或其功能团，从而有利于后续复合工艺中与无机高分子材料的结合，进一步提高异种材料复合质量。
3、通过本发明方法获得的表面状态可控的铝合金板件，可以直接采用真空辅助树脂注射、低压树脂传递模塑、高压模压、热压罐热压等成型方法，将其与树脂类材料进行结合，获得界面结合得到显著强化的多元材料层状复合部件，对工艺具有良好的适用性。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1铝合金板件表面形貌图；
图2为本发明实施例1铝合金板件剖面形貌图；
图3为本发明对比例1铝合金板件剖面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
一种多元材料层状复合部件用铝合金板件的表面处理方法，包括以下步骤：
步骤1：将多元材料层状复合部件用铝合金板件表面在NaH2PO2、Na2CO3和CH3COONa混合溶液中，超声振荡进行净化活化；
步骤2：将经过表面净化活化的多元材料层状复合部件用铝合金板件在H3PO4溶液和CH3COOH溶液的混合酸溶液中进行电化学刻蚀，在铝合金表面形成凹坑。
所述多元材料层状复合部件用铝合金板件为含Cu、Mg、Zn元素中的一种或多种的高强铝合金板件及冲压件；
具体的，步骤1中，所述NaH2PO2溶液的浓度为0.28-0.30mol/L，Na2CO3溶液的浓度为0.13-0.15mol/L，CH3COONa溶液的浓度为0.24-0.26mol/L，NaH2PO2溶液、Na2CO3溶液、CH3COONa溶液的体积配比为1:1:1，混合溶液体积以能将多元材料层状复合部件用铝合金板件全部浸润为宜；将多元材料层状复合部件用铝合金板件表面在NaH2PO2溶液、Na2CO3溶液和CH3COONa溶液的混合溶液中进行净化，主要是清除表面油脂、氧化膜及杂质夹杂等，避免铝合金与表面油脂、氧化膜及杂质夹杂等形成异质腐蚀点位，影响后续电刻蚀凹坑的均匀性，同时在铝合金板件表面形成弱碱性环境。超声振荡温度为70-80℃，超声振荡时间为10-15min，超声振荡温度过低，则混合溶液与铝合金表面杂质的反应速度太慢，清除铝合金表面杂质的速度较慢，或超声振荡时间过长，都容易导致铝合金和表面杂质形成异质腐蚀点位；超声振荡温度过高，则会强化弱酸根离子水解，过度电离，造成对铝合金板材优先腐蚀。
具体的，步骤2中，所述H3PO4溶液的浓度为1.43-1.45mol/L，CH3COOH溶液的浓度为0.10-0.12mol/L，按照H3PO4溶液和CH3COOH溶液体积比1:5-1:10配置，在温度为30-35℃的混合溶液中，0.7-0.8A强度电流下化学刻蚀处理10-30min；净化处理创造的碱性环境和弱酸溶液的使用避免了刻蚀初期板件晶界及大变形位置等易腐蚀位置的快速优先腐蚀，从而为平衡腐蚀电位并主导后续刻蚀进程提供条件，最终实现刻蚀凹坑的均匀分布，避免了晶界及大变形位置刻蚀凹坑的显著聚集，凹坑尺寸稳定在5-15μm，统计单位面积内不同位置凹坑数量用以表征分布均匀性，结果表明晶内与晶界凹坑数量统计结果偏差比例≤8％，板材平面位置与大变形位置凹坑数量统计偏差比例≤5％。
经过对铝合金板件的上述表面处理，获得表面状态可控的铝合金板件，可以直接采用真空辅助树脂注射、低压树脂传递模塑、高压模压、热压罐热压等成型方法，将其与树脂类材料进行结合，获得多元材料层状复合部件；经检验，所获得的多元材料层状复合部件，界面结合得到显著强化，层件剥离力达到30-50MPa，是未处理铝合金板件结合强度的3倍，相较于铝合金板件传统表面处理方法，结合强度提升≥50％，同时，作为整体部件，相较于单一铝合金板件，密度降低35-50％，刚度提高15-20％，相对单一树脂材料，失效回弹位移提高10-25％，实现了树脂材料高强度和金属材料良好塑性向多元整体材料的有限传递，展现出优异的综合性能。
实施例1
本实施例针对新能源汽车用层状结构多元复材窗盖产品用铝合金板件，进行表面处理，所述铝合金板件为6061铝合金冲压板件。
步骤1：将6061铝合金冲压板件在NaH2PO2溶液、Na2CO3溶液、CH3COONa溶液的混合溶液中，75℃超声振荡处理10分钟进行表面净化；其中NaH2PO2溶液、Na2CO3溶液、CH3COONa溶液的体积配比为1:1:1，NaH2PO2溶液的浓度为0.28mol/L、Na2CO3溶液的浓度为0.13mol/L、CH3COONa溶液的浓度为0.25mol/L；
步骤2：将经过表面净化的铝合金冲压板件进行电刻蚀，电刻蚀工艺为：35℃下，将浓度为1.45mol/L的H3PO4溶液和浓度为0.10mol/L的CH3COOH溶液按照1:5配置混合溶液，将铝合金冲压板件在混合溶液中进行电刻蚀，刻蚀电流强度为0.8A，刻蚀处理时间为20min。
经过上述步骤的表面处理，在6061铝合金表面形成分布均匀的，深度约为12μm的半圆形凹坑，单位面积内晶内与晶界凹坑数量统计结果偏差比例约6％，板材平面位置与大变形位置凹坑数量统计偏差比例约5％，明显优于对比例1中采用传统处理方法后所取得效果。
将经过处理的铝合金板件，用高压模压成形方法，与热固环氧树脂材料进行复合制备得到具有层状结构的多元复合部件，层件剥离力达到50MPa，相较于单一铝合金板件，密度降低35％。
实施例2
本实施例针对新能源汽车用层状结构多元复材电池包上盖产品用铝合金板件，进行表面处理，所述铝合金板件为2024系铝合金冲压板件。
步骤1：将2024铝合金冲压板件在NaH2PO2溶液、Na2CO3溶液、CH3COONa溶液的混合溶液中，80℃超声振荡处理10分钟进行表面净化；其中NaH2PO2溶液、Na2CO3溶液、CH3COONa溶液的体积配比为1:1:1，NaH2PO2溶液的浓度为0.30mol/L、Na2CO3溶液的浓度为0.13mol/L、CH3COONa溶液的浓度为0.25mol/L；
步骤2：将经过表面净化的铝合金冲压板件进行电刻蚀，电刻蚀工艺为：30℃下，将浓度为1.45mol/L的H3PO4溶液和浓度为0.10mol/L的CH3COOH溶液按照1:10配置混合溶液，将铝合金冲压板件在混合溶液中进行电刻蚀，刻蚀电流强度为0.7A，刻蚀处理时间为10min。
经过上述步骤的表面处理，在2024铝合金表面形成分布均匀的，深度约为15μm的半圆形凹坑，单位面积内晶内与晶界凹坑数量统计结果偏差比例约8％，板材平面位置与大变形位置凹坑数量统计偏差比例约5％。
将经过处理的铝合金板件，用高压模压成形方法，与热固环氧树脂材料进行复合制备得到具有层状结构的多元复合部件，层件剥离力约35MPa，刚度提高20％，相对单一树脂材料，失效回弹位移提高25％。
对比例1
本对比例针对新能源汽车用层状结构多元复材窗盖产品用铝合金板件，进行表面处理，所述铝合金板件为6061铝合金冲压板件。
步骤1：在25℃恒温的1.30mol/LNaOH溶液中，浸泡处理8分钟进行表面净化活化，在0.5mol/LCH3COOH溶液中中和2分钟；
步骤2：将净化活化后的铝合金板件在2.4mol/LHCl和0.3mol/LH3PO4混合溶液中进行电化学刻蚀处理，处理温度20℃，电流强度1.5-2A。
经过上述步骤的表面处理，在6061铝合金表面无法形成尺寸、分布均匀的半圆形凹坑。如图3所示，晶界位置及大变形位置凹坑尺寸明显大于晶内及平面位置凹坑数量，大尺寸凹坑呈现为非圆形的多边形状态，严重损害铝合金板材本体力学性能；同时，单位面积内晶内与晶界凹坑数量统计结果偏差比例大约50％，板材平面位置与大变形位置凹坑数量统计偏差比例约15％，分布严重不均匀，损害复合后的整体部件性能。
将经过处理的铝合金板件，用高压模压成形方法，与热固环氧树脂材料进行复合制备得到具有层状结构的多元复合部件，层件剥离力约23MPa。
处理后铝合金板件界面形貌如图3所示，传统方法可以实现对铝合金板件的表面刻蚀形成锚点，但可以清晰看到，刻蚀坑位尺寸及分布差异明显，存在优先刻蚀位置，此处刻蚀坑位尺寸大且形状不规则，严重影响复合后整体部件性能。
与图2比较显示，本发明的表面处理方法可以取得更加理想的铝合金板件表面处理效果。
对比例2
本对比例针对新能源汽车用层状结构多元复材窗盖产品用铝合金板件，进行表面处理，所述铝合金板件为6061铝合金冲压板件。
步骤1：将6061铝合金冲压板件在NaH2PO2、Na2CO3、0.25mol/LCH3COONa混合溶液中，90℃超声振荡处理10分钟进行表面净化；其中NaH2PO2、Na2CO3、CH3COONa溶液体积配比为1:1:1，NaH2PO2溶液浓度为0.35mol/L、Na2CO3溶液浓度为0.13mol/L、CH3COONa溶液浓度为0.25mol/L；
步骤2：将经过表面净化的铝合金冲压板件进行电刻蚀，电刻蚀工艺为：50℃下，将2.0mol/L H3PO4和0.10mol/LCH3COOH按照1:5配置混合溶液，将铝合金冲压板件在混合溶液中进行电刻蚀，刻蚀电流强度为0.8A，刻蚀处理时间为20min。
经过上述步骤的表面处理，虽然可以在6061铝合金表面形成接近半圆形凹坑，但由于电化学处理混合液浓度和处理温度过高，一定程度发生非均匀刻蚀，造成晶界位置出现尺寸达到30μm以上的非半圆形凹坑，同时单位面积内晶内与晶界凹坑数量统计结果偏差比例也达到20％。将经过处理的铝合金板件，用高压模压成形方法，与热固环氧树脂材料进行复合制备得到具有层状结构的多元复合部件，层件剥离力32MPa，低于实施例1所取得结果。
对比例3
本对比例针对新能源汽车用层状结构多元复材窗盖产品用铝合金板件，进行表面处理，所述铝合金板件为6061铝合金冲压板件。
将铝合金冲压板件进行电刻蚀，电刻蚀工艺为：35℃下，将浓度为1.45mol/L的H3PO4溶液和浓度为0.10mol/L的CH3COOH溶液按照1:5配置混合溶液，将铝合金冲压板件在混合溶液中进行电刻蚀，刻蚀电流强度为0.8A，刻蚀处理时间为20min。
经过上述步骤的表面处理，虽然可以在6061铝合金表面形成刻蚀凹坑，但由于未进行表面净化活化处理，刻蚀凹坑呈现为非圆形不规格形状，同时尺寸不均匀，在5-30μm范围内变化，晶内与晶界凹坑数量统计结果偏差比例也达到30％以上。将经过处理的铝合金板件，用高压模压成形方法，与热固环氧树脂材料进行复合制备得到具有层状结构的多元复合部件，层件剥离力28MPa，低于实施例1所取得结果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多元材料层状复合部件用铝合金板件的表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将多元材料层状复合部件用铝合金板件表面在NaH2PO2溶液、Na2CO3溶液和CH3COONa溶液组成的混合溶液中，超声振荡进行净化活化；
步骤2：将经过表面净化活化的多元材料层状复合部件用铝合金板件在H3PO4溶液和CH3COOH溶液的混合酸溶液中进行电化学刻蚀，在铝合金表面形成凹坑。
2.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述多元材料层状复合部件用铝合金板件为含Cu、Mg、Zn元素中的一种或多种的高强铝合金板件及冲压件。
3.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，步骤1中，所述NaH2PO2溶液的浓度为0.28-0.30mol/L，Na2CO3溶液的浓度为0.13-0.15mol/L，CH3COONa溶液的浓度为0.24-0.260.25mol/L。
4.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，所述NaH2PO2溶液、Na2CO3溶液、CH3COONa溶液的体积配比为1:1:1。
5.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述超声振荡温度为70-80℃。
6.根据权利要求5所述的表面处理方法，其特征在于，所述超声振荡时间为10-15min。
7.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，步骤2中，所述H3PO4溶液的浓度为1.43-1.45mol/L，CH3COOH溶液的浓度为0.10-0.12mol/L。
8.根据权利要求7所述的表面处理方法，其特征在于，所述H3PO4溶液和CH3COOH溶液的体积配比为1:5-1:10。
9.根据权利要求8所述的表面处理方法，其特征在于，所述电化学刻蚀温度为30-35℃。
10.根据权利要求9所述的表面处理方法，其特征在于，所述电化学刻蚀电流为0.7-0.8A，电化学刻蚀时间为10-30min。
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