摘要:选用LD5、LY11、ZL402为基材,分别施涂IMR11纳米浓缩浆复合涂层(纳米涂层)和SEBF-2型改性熔融结合环氧粉末复合涂层(环氧涂层),利用拉伸试验、抗弯试验以及铜加速乙酸盐雾腐蚀试验,研究涂层在应力应变条件下和酸性盐雾条件下与基材铝合金的适配性.结果表明:纳米涂层比环氧涂层与铝合金基材有更好的适配性;适合用于工作在海洋环境中的飞机、船舶、车辆等非磨损条件下动力设备铝合金结构件的防护涂层.
关键词:铝合金;环氧涂层;纳米涂层;适配性;评价
铝合金比重轻、强度高、塑性好,在航空航天、汽车、建筑等领域均得到广泛应用,已成为国民经济各个部门和人民生活各个方面的重要基础材料.硬铝(LY)主要为A-lCu-Mg系合金,在航空工业上应用较多,如飞机上的骨架零件、螺旋桨叶片等.锻铝(LD)大多为A-lCu-Mg-Si系合金,主要用于制造要求密度小、中等强度、形状比较复杂的锻件,如离心式压气机的叶轮、飞机操纵系统中的摇臂等.铸铝(ZL)有铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金,具有较好的成型性和耐蚀性,多用作内燃机汽缸盖、活塞等.
铝及铝合金在干燥大气中表面会生成一层非晶态氧化铝膜而得到保护,其耐蚀性取决于氧化膜在各种介质中的稳定性.铝及铝合金在中性和近中性的水中以及一般大气中的耐蚀性很好;在潮湿大气中耐蚀性能下降;在工业大气中由于保护膜的破坏,耐蚀性也会降低;在酸性、碱性介质中,由于氧化膜的溶解,腐蚀速度加快.在中性介质中铝合金的耐蚀性与介质中含有金属离子的活性与含量有关,卤素离子,尤其是氯离子能破坏铝合金表面的氧化膜,使其耐蚀能力下降.在海水、海洋大气条件下,铝合金的耐蚀性能降低[1].沿海地区是经济与军事较发达地区,机场与军事基地数量相对较多,飞机停放与跨海飞行概率高,机身蒙皮铆接处、机翼、尾翼、以及可检性较差的承力件、框架、机身密封舱等容易积水的部位等飞机铝合金型材结构件受海洋大气及海水影响易受腐蚀.铝合金在海洋环境中的腐蚀以点蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀等为特征.根据文献[2]典型常用铝合金的腐蚀报告, 4M和锻铝LD2CS在海水潮汐区的耐蚀性较差, LY11CZ(BL)、LY12CZ(BL)、LC4CS(BL)的点蚀呈斑状,随暴露时间延长,点蚀深度变化不大.LF2Y2、LF6M(BL)、LF21M、180YS在海水潮汐区的耐蚀性能较好,暴露4年未发现可测量的蚀点.
涂层保护是铝合金防腐的有效措施.目前将多壁碳纳米管(MWCNT)添加到环氧和氯乙烯基醋酸纤维酯聚合物中增大了电荷转移阻力,提高了抗腐蚀性能[3].有机-无机杂化涂层[4,5]和氟聚合物涂料等[6~8]也是目前研究中的热点.对于承受动力载荷的铝合金部件,合金可能发生局部弹、塑性变形,诸如转子叶片,在此动态条件下涂层与铝合金基体的适配性关系着涂层的防腐蚀效果.本研究分别选用LD5、LY11、ZL402三种不同成分和加工成型方式的铝合金,分别施涂IMR11纳米浓缩浆复合涂层(纳米涂层)和SEBF-2型改性熔融结合环氧粉末复合涂层(环氧涂层),重点考察了涂层在应力应变条件下和酸性盐雾条件下与基材铝合金的适配性,对铝合金在海洋环境中合理、成功地应用有重要意义.
1实验方法
111试样制备
选用LD5(2A50)(118~216 Cu, 014~018Mg, 014~018Mn, 017~112 S,i Fe<017, Zn<013,Al Ba.l )、LY11(2A11)(0151 Mn, 1125 Mg, 0117 Fe, 4130 Cu, Al Ba.l )、ZL402(ZAlZn6Mg) (015 ~0165 Mg, 014 ~016 Cr, 510 ~615 Zn,0115~215 T,i Al Bal)三种不同铝合金为基材,按照GB/T18593-2001标准制作拉伸试棒(中间部分510 mm*60mm)和平板试样(100 mm*50 mm*6 mm).涂料为SEBF-2型熔融结合环氧粉末涂料和IMR11纳米复合聚氨酯涂料.铝合金基材表面用含洗涤剂的温水除油、干燥,然后用600#砂纸打磨处理之后水洗、干燥,再用丙酮去油、无水乙醇除水后进行化学氧化处理.纳米涂层是在处理好的试样上喷涂一道锌黄聚氨酯底漆,再在试样上喷涂纳米复合聚氨酯面漆.薄涂层喷涂面漆一次,厚涂层喷涂面漆两次. 40e烘3小时,室温干燥约8天.底漆为氧涂层是采用熔融结合环氧粉末涂料热溶在基材铝合金上,涂层厚度\300Lm.其中纳米涂层为淡灰色,环氧涂层为黑色.拉伸、弯曲、盐雾腐蚀试验试样均为3个.弯曲试验试样为平板试样.盐雾腐蚀试验试样包括平板试样和平板对角划痕试样,划痕深度为划破表面涂层刚好露出基材金属.
112实验方法
拉伸试验在5吨的ZWICK-Z050拉伸试验机上进行,参照GB/T18593-2001标准,拉伸速度:快拉20 mm /min,慢拉1mm /min,常规拉伸3~10 mm /min.同种涂层拉伸试验分别进行3次,拉伸过程中观察涂层表面变化情况,拉伸结果计算平均值.拉伸样断口形貌在PL-A662体式显微镜下观察.拉伸试验考察拉应力条件下涂层随基材铝合金变形性以及对基材性能有无影响.
弯曲试验参照GB/T14452-93金属弯曲力学性能试验方法,跨距为60 mm,试验在日本岛津公司生产的AH-1 SFL-500KNAG试验机上进行,试验过程中观测并纪录铝合金表面涂层出现裂纹时试样弯曲角度.考察压应力条件下涂层与基材铝合金的适配性.
铜加速乙酸盐雾腐蚀试验参照GB/T523712-523715-2000标准方法进行;试验采用ISO型盐水喷雾试验机.试验条件: 0126 g/L CuCl2, (50?5)g/L NaC;l (50?5)g/L冰醋酸,酸度310~313,T=50e,不间断喷雾.试件与垂直方向成45b夹角摆放;喷雾量控制在110~210 ml/(80 cm2#h),试样放入盐雾试验机中后每天观察一次样品表面腐蚀情况,连续观察7天.考察涂层抗盐雾腐蚀能力和抗划痕腐蚀能力.
2结果与讨论
211涂层拉伸适配性
两种涂层及基材铝合金的拉伸试验结果如表1所示.由表1数据可知,无涂层铝合金基材抗拉强度与涂层后材料抗拉强度相当.拉伸速度对涂层样品几乎无影响.表明涂层对铝合金材料的拉伸性能并无不利影响,动载荷条件下涂层与铝合金的适配性良好.
图1为拉伸试验拉断后样品的宏观形貌.由图1可以看出,纳米涂层样品拉伸断裂后断口平齐,断口边缘缩颈处涂层有细小龟裂裂纹,但未剥落,表明纳米涂层与基体铝合金结合紧密,涂层与基材铝合金拉伸适配性良好.这主要是由于纳米涂层干膜厚度较薄,并且其中添加了纳米粒子,在有机漆中以鱼鳞状搭接成膜,在拉应力下条件下,能够随同基材金属共同延伸拉长,纳米粒子起到了提高了涂层抗拉适配性的作用.环氧涂层断裂试样,断口边缘涂层周围出现明显的龟裂裂纹,而且断面边缘出现参差不齐的涂层断裂缺口(图1(b)),断口边缘有部分涂层从基体剥离、脱落.主要是由于环氧涂层厚重,拉伸过程中环氧涂层承担了部分拉应力,并且其与基材铝合金的抗拉强度相差悬殊,铝合金拉长后,环氧涂层不能与其同等拉长,促使他们之间粘接脆弱处剥离,先产生裂纹,继而扩大崩裂,脱离.比较可知纳米涂层与铝合金基体材料结合紧密,在拉应力条件下具有与基体材料相当的变形量,而环氧涂层同比之下与基材有迸裂脱离的情况出现,不适用于拉应力较大的工作场合.
212涂层弯曲适配性
图2为弯曲实验后两种试样的表面宏观形貌.如图2所示,图2(a)纳米复合涂层可以随基材铝合金弯曲30b无裂纹,图2(b)环氧树脂涂层仅能随基体铝合金弯曲7~10b正表面即出现细小的裂纹,环氧涂层弯曲角仅有纳米涂层弯曲角的三分之一.可知,环氧树脂涂层适配基体铝合金抗弯曲变形性能不如纳米涂层.这也证明了纳米涂层与铝合金基体具有更好的弯曲适配性.
213涂层耐加速酸性盐雾腐蚀性能
两种涂层及基材铝合金试样铜加速乙酸盐雾腐蚀试验结果列于表2中.
由表2所示,三种铝合金基材材料盐雾腐蚀后表观相差较大,LY11、LD5在腐蚀第二天表面即出现红色锈斑,锈斑均匀分布于金属表面. ZL402腐蚀7天后表面亦无明显腐蚀产物.如图3所示:盐雾腐蚀7天后LY11和LD5表面有灰黑色密布的腐蚀坑,密度大,分布均匀,深度大约1 mm左右.ZL402表面肉眼可见的相对浅的蚀点,稀疏分布于金属表面.这可能是由于LY11和LD5成分中均含有铜元素,在酸性盐雾条件下形成原电池加速了腐蚀[2],而后者却不含有加速腐蚀的元素.如图4所示,未划痕涂层试样加速腐蚀7天后,两种涂层表观均无鼓泡,无起皱,无锈蚀;表明两种涂层抗加速酸性盐雾腐蚀.划痕涂层试验样品中,环氧涂层划角处加速腐蚀5~6天出现划角与基材铝合金剥离,将剥离的涂层揭掉可以发现腐蚀沿划角向涂层内部延伸约2~10 mm不等;纳米涂层在腐蚀4天左右划痕边缘出现少量鼓泡,但鼓泡未向周围延伸;将鼓泡揭掉后,边缘涂层与铝合金基体仍结合紧密,腐蚀液难以沿划痕向涂层深处腐蚀.
由于环氧树脂涂层具有交联固化效果,水分难以扩散到达金属/涂层界面,但是环氧涂层划痕试件,水分可以通过划痕处进入到金属/涂层界面,降低涂层的粘结性,导致涂层剥离、起泡.而纳米涂层中添加了纳米粒子,他在涂层中将原有的细孔填充严实,既起到了防止水分盐分透过的作用,也在金属/涂层界面处填补间隙,使得划痕试样只有划痕处被腐蚀而未延伸至涂层更深处.
3结论
11纳米涂层和环氧涂层对铝合金基材的拉伸适配性和弯曲适配性良好,在具有应力应变条件下,同比,纳米涂层要比环氧涂层与铝合金基材有更好的适配性,更适合用于较大拉应力和应变工作环境铝合金腐蚀防护.
21纳米涂层具有良好的抗盐雾腐蚀和抗划痕盐雾腐蚀性能,可以应用于工作在海洋环境中的飞机、船舶、车辆等非磨损条件下动力设备铝合金结构件的防护涂层,如飞机机翼与风机叶片腐蚀防护.
31环氧涂层为热溶涂层.涂层厚重,可用于静态工作环境下铝合金腐蚀防护,不适合用于动力设备涂层防护.
参考文献略
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