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1、6061铝合金表面电弧喷涂纯铝涂层的研究铝合金的密度低 ( 不到钢铁材料的 1/2) ，比强度和比刚度高， 具有良好的成形加工性 能，对于重量有严格限制的结构有突出的优势。由于铝材表面可自然产生一层很薄的氧 化铝保护膜，这层膜的表面硬度较高，不易破损，在大气中有很好的防腐能力1-2。在组 织缺陷及成分不均匀等因素的影响下，大多数铝合金的氧化膜总存在薄弱和不连续的地 方，尤其是在海洋环境下，海水中的氯离子半径较小，能破坏铝合金表面的氧化膜，且 海水中氧化膜的修复和增厚会由于氯离子的存在而受阻，大多数铝合金尤其高强铝合金 在海洋大气环境条件下很容易产生点蚀、缝隙腐蚀和应力破坏，因此铝合金结构件在海
2、 洋工程中的应用受到一定限制3-4。 电弧喷涂技术具有生产效率高、涂层性能优异、经济节能、可大面积施工、安全、 可制备伪合金涂层等特点5， 在国民经济的各个部门都得到了广泛的应用。其中采用电弧 喷涂技术制备铝及其合金防腐涂层具有广阔的应用前景，特别是在提高铁和钢在空气、 淡水、或盐水中的耐腐蚀能力非常有效，已在钢架结构、桥梁、海洋工程、热电厂锅炉 “四管”等方面获得成功应用6。然而，海洋环境下铝合金结构件采用电弧喷涂涂层进行 防腐的应用与研究， 很少见报道。 本试验采用电弧喷涂技术在6061铝合金基材表面制备 了纯铝涂层，研究了涂层的组织结构和耐腐蚀性能，为提高铝合金结构件的使用寿命， 扩大铝
3、合金在海洋工程中的应用提供技术和数据上的支撑。 1 试验材料和方法 1.1 喷涂设备和喷涂材料 电弧喷涂设备为 DPT2303 型电弧喷涂装置，喷涂的参数为：电压30V32V，电流 140A160A，空气压力 016 MPa 017 MPa ，喷枪与工件垂直，喷涂距离为200mm 。试件 基体材料为 6061铝合金，化学成分见表1，喷涂材料选择为高纯铝丝，铝含量为9917% ， 直径为 2 mm 。 表 1 6061合金的主要化学成分 ( 质量分数 ) % Mg Mn Si Fe Cu Cr 其他杂 质Al 0.8 1.2 0.15 0.4 0.8 0.7 0.15 0.4 0.04 0.35
4、 0.15 余量1.2 试样制备与试验方法 制备试样时， 先用丙酮清洗试样表面， 电弧喷涂前用 30 目棕刚玉对试样进行喷砂预 处理，喷砂完成后用干净的压缩空气吹去表面的灰尘和碎屑，为防止表面再次污染和氧 化，喷砂后 30min 内完成喷涂，涂层厚度约180m 200m ，喷涂后采用 E244 型环氧 树脂进行封孔。 按金相制样方法磨制试样， 抛光后用 015%HF 溶液腐蚀， 采用光学显微镜观察涂层显 微结构，用金相检查法测得孔隙率。利用电子扫描电镜对涂层及腐蚀后形貌进行观察。 恒温浸泡试验试件规格为30mm 15 mm 117mm ，将试样完全浸泡在w(NaCl)=5% 的水 溶液中，为保
5、证腐蚀产物对试验的影响降到最低，试验溶液的用量与试件表面积的比例 不小于 20mL/cm2，144h 后取出观察6；中性盐雾试验按照国家标准GB10125-1997 执行， 使用 YWPR2150 盐雾试验机，试件规格为50mm 50mm 117 mm ，在 35 2 下用 w(NaCl)=5% 的溶液连续喷雾 48h， 喷雾结束后试件用去离子水清洗干净， 对表面进行观察； 采用 M342 电化学测试系统对试样进行电化学测试，试件规格为20mm 20mm 117 mm 。 电化学池中采用三电极体系，将试样作为工作电极，铂片作为对电极，饱和甘汞电极作 为参比电极， w(NaCl)=5% 的水溶液
6、作为电解质溶液，试样在w(NaCl)=5% 的水溶液中浸泡 30min 稳定后开始测量， 扫描速度 60mV/min， 采用塔菲尔 (Tafel)极化曲线外推法求得腐 蚀电位 Ecorr 和腐蚀电流密度 icorr。 2 试验结果和分析 2.1 组织与孔隙率分析图 1 是涂层金相组织，可见组织均匀致密，无贯穿性孔隙，金相检查法测得孔隙率 为 416% ，这种微观结构适合用作耐腐蚀防护涂层。图 1a是铝涂层与基体结合界面。 由图 1 可见，涂层与基体结合处有一条明显的边界，并有极少量孔隙与微细裂纹， 涂层的微粒 在粗糙表面的凸起和凹陷处形成机械咬合，涂层内部孔隙较少。说明基体表面的凹坑内 存在气
7、体时， 容易形成孔隙， 涂层与基体之间结合形式主要为机械嵌合。图 1b 是涂层内 部显微组织，粒子变形量大，呈层状结构，孔隙较少，尺寸较小，绝大部分分布在粒子 的交界处，没有贯穿性孔隙。由涂层的显微组织可以发现，孔隙基本上出现在粒子的交 界处，说明不完全重叠是涂层孔隙形成的主要因素。铝及铝合金在热带海洋地区大气腐蚀报道了 8 种牌号四大类铝及铝合金在热带海洋大气环境下1 年、3 年、6 年和 10 年的试验结果。结果表明 :1)初期 (1 年 )腐蚀失重较低的是L3M 、LF21Y2 、LY12CZ; 而经过长期 (10 年 )暴露后 ,腐蚀失重较低的是 LF2Y2、L3M; 初期和长期腐蚀失
8、重相差不大的是LF2Y2,10 年与 1 年的腐蚀失重相比增加不到1倍;2)防锈铝不一定比纯铝耐蚀性好,但从长期耐蚀性来说,防锈铝LF2Y2 是耐蚀性最好的;3)铝及铝合金在海洋大气环境中,腐蚀量与试验时间大部分遵循幂函数规律;4)铝及铝合金的化学成分及含量与腐蚀率没有明显的规律。铝与铝合金的氧化处理铝与铝合金的氧化处理铝及铝合金在大气中虽能自然形成一层氧化膜，但膜薄（40- 50A ）而疏松多孔，为非晶态的、不均匀也不连续的膜层，不能作为可靠的防护一装饰性膜层。随着铝制品加工工业的不断发展，在工业上越来越广泛地采用阳极氧化或化学氧化的方法，在铝及铝合金制件表面生成一层氧化膜，以达到防护一装饰
9、的目的。一、经化学氧化处理获得的氧化膜，厚度一般为0.3 4um，质软、耐磨和抗蚀性能均低于阳极氧化膜。所以，除有特殊用途外，很少单独使用。但它有较好的吸附能力，在其表面再涂漆，可有效地提高铝制品的耐蚀性和装饰性。二、经阳极氧化处理获得的氧化膜，厚度一般在5-20v m，硬质阳极氧化膜厚度可达60- 2500m。其膜层还具有似下特性：（1）硬度较高。纯铝氧化膜的硬度比铝合金氧化膜的硬度高。通常，它的硬度大小与铝的合金成份、阳极氧化时电解液的技术条件有关。阳极氧化膜不仅硬度较高，而且有较好的耐磨性。尤其是表面层多孔的氧化膜具有吸附润滑剂的能力，还可进一步改善表面的耐磨性能。(2)有较高的耐蚀性。
10、这是由于阳极氧化膜有较高的化学稳定性。经测试，纯铝的阳极氧化膜比铝合金的阳极氧化膜耐蚀性好。这是由于合金成分夹杂或形成金属化合物不能被氧化或被溶解，而使氧化膜不连续或产生空隙，从而使氧化膜的耐蚀性大为降低。所以，一般经阳极氧化后所得的膜必须进行封闭处理，才能提高其耐蚀性能。(3)有较强的吸附能力。铝及铝合金的阳极氧化膜为多孔结构，具有很强的吸附能力，所以给孔内填充各种颜料、润滑剂、树脂等可进一步提高铝制品的防护、绝缘、耐磨和装饰性能。（4）有很好的绝缘性能。铝及铝合金的阳极氧化膜，已不具备金属的导电性质，而成为良好的绝缘材料。(5)绝热抗热性能强。 这是因为阳极氧化膜的导热系数大大低于纯铝?阳
11、极氧化膜可耐温1500 左右，而纯铝只能耐660 。好综上所述，铝和铝合金经化学氧化处理，特别是阳极氧化处理后，在其表面形成的氧化膜具有良好的防护一装饰等特性。因此，被广泛应用于航空、电气、电子、机械制造和轻工工业等方面。第一节装饰性氧化铝和铝合金装饰性氧化技术种类很多，一般可分为化学氧化法和电化学氧化法即阳极氧化法两大类。其中，阳极氧化处理的应用较为广泛。这是因为阳极氧化法所获得的氧化膜比一切化学氧化法所获得的氧化膜性能更为优良。经过化学或电化学抛光后的铝及铝合金制件，进行阳极氧化处理后，可得到光洁、光亮、透明度较高的氧化膜层，再经染色，可得到各种色彩鲜艳夺目的表面。如在某种特定的技术条件下
12、加以氧化处理，在其表面还可形成仿釉膜层，从而使铝制品表面获得特殊的装饰效果。据不完全统计，我国目前铝和铝合金的装饰性氧化技术已发展到几十种之多，使我国铝制品加工工业的发展日新月异。一、化学氧化铝及铝合金的化学氧化处理，按其溶液的性质，可分为碱性和酸性溶液氧化处理两类，按其膜层的性质则可分为氧化物膜层、磷酸盐膜层、铬酸盐膜以及铬酸磷酸盐膜等。（一）技术规范。1、碱液化学氧化技术规范。无水碳酸钠 (Na2C03) 50g/L 铬酸钠 (Na2Cr04) 15g/L 氢氧化钠（ NaOH ）25g/L 温度80-100 c 时间10-20min 氧化后，制件应立即清洗干净，在20g/L 的铬酸溶液中
13、和室温下钝化处理515 秒，然后清洗，干燥。颜色为金黄色。膜厚为0.51um ，适用于纯铝、铝镁、铝锰合金。2、磷酸盐一铬酸盐氧化技术规范配方 1：磷酸 (H3P04) 50-60mL/L 铬酸酐 (Cr03) 20- 25g/L 氟化氢铵 (NHOHF2) 33.5g/L 硼酸 (H3B03) 11.2g/L 温度30-36C 时间36 分钟此法使用磷酸较多，故又称磷化法。氧化膜颜色为无色到浅蓝色，膜厚约3- 49m 。膜层致密，抗蚀性较高，氧化后零件尺寸无变化，适用于各种铝及其合金。为了进一步提高抗蚀能力，还可进行填充处理。招制件经氧化清洗后可在40 - 45g/L 的重铬酸钾溶液中，温度
14、为90-98 ，浸渍 10 分钟，然后经清洗在2g/L 时才有效应产生。当K+5g/L时着色电流密度有显著增加。纯粹由着色前各种处理溶液带出来的杂质离子很难达到此浓度。2.N03- 低至 0.2, 0.3g/L 时，着色效率降低，若槽中有1 。5g/L N03 一时将不可能着色。、当 C1- 浓度约在2g/L 时，整个皮膜开始从铝底材脱离，同时电流密度有极大的增加。因此，氯离子必须归入危险离子，尤其是当其浓度趋近1 g/L 时。其它离子对着色效率影响相当小。此外，锡会被磷酸根离子沉淀出来，因此磷酸根离子不可聚集到相当浓度。三、整体发色法（或一步电解发色法）1.整体发色法技术特点铝与铝合金的整体
15、发色法与化学染色法和电解着色法的不同之处，在于它具有成膜带色的特点。即在电解液中经阳极电解处理直接产生有颜色的氧化膜。这种电解液一般含有特殊的有机酸和少量的硫酸等。有机酸通常是磺化芳香族化合物，应用最广的是磺基水杨酸和磺基苯二酸等。通过嵌入整个氧化膜组织的微细粒子对光的散射和吸收而显色，颜色范围是浅青铜色，深青铜色、黑色。这些发色微粒是基体材料的成分即非氧化态的金属粒子或是有机酸的分解产物。颜色的深浅与氧化膜厚度有关。这种发色方法技术简单，对环境无污染，其产品具有极佳的耐旋光性、耐侯性和高硬度的青铜色系氧化膜。故在60 年代广泛用于户外建筑、技术关术。医疗器材等方面的铝制品表面精饰。该技术的主
16、要缺点是需要用高电压和高电流，耗电量。 而且必须要用阳离子交换装置连续净化电解液，防止电解液中Al3+ 过多增加。再则有机酸价格较贵，因此整体发色法的成本十分昂贵。整体发色，有依合金成分发色的，有依电解液发色的，有依特殊电压波形发色的，也有依低温电解液发色的等等。2。整体发色法技术流程铝制件 -机械抛光 - 化学除油 -清洗 -化学处理 -清洗- 整体发色的阳极氧化-清洗 -封闭 -光亮 -成品检验。3。色泽的控制阳极氧化膜的色泽深浅取决于氧化膜的厚度，而厚度又与电解液的主酸（如磺基水杨酸） 浓度 (c)、时间 (t)、电流 (I)和电压（ V)有关，即颜色正比于厚度和c,t,I, V。对于浓度相近的电解液和恒电流，在相当长的一段时间内，其槽电压（主要阳极电位）基本不变。随着电解的进行电压升高，当电压升高到额定值（视需要的颜色深浅而定）时，转为恒电压阳极氧化，直至电流降为零，如此可以获得均匀一致重现性良好的青铜色系氧化膜。第五节封闭处理由于阳极氧化膜的多孔结构和强
