航空铝合金7075表面处理工艺

李升明

摘要：7075材料容易加工，而且具备良好的耐腐蚀能力和较高的韧性，一般应用于制造工作温度较低、受力较大的飞机结构件。由于7075材料失效往往是从表面开始的，因而提升其表面性能十分关键。

关键词：铝合金；7075；表面处理

引言：航空领域所使用的

由于飞机所使用的7075铝合金在空气环境中，其表层形成了氧化膜，可以免于受到侵蚀，但这种膜的抗腐蚀能力并不可靠，如果处于酸碱性条件下就会产生溶解现象。在这种情况下，7075的表面硬度较差，耐磨性和耐蚀性难以达到要求，这就会限制了7075在航空工业中的应用。借助热处理以及改变成分的方式能够在一定程度上提升7075的性能，但一些部件的制造对7075耐磨性和耐蚀性存在较高要求，因而我们应当加强对7075的表面处理工作。

一、化学转化层处理

这一方法是借助银基体和特定的介质之间的化学转化作用，在7075的表面形成化学转化膜，能够显著提升7075的性能。

（一）化学氧化法

这一方法是基于特定的电解质环境下，对7075施加电流，从而在7075的表面形成较厚的氧化膜，改善其性能。这一方法所取得到的薄膜厚度受到氧化条件和铝材料化学成分的影响。通过提高温度，我们能够获得更厚的薄膜。但是，即使在较低的温度下，也可以通过增加溶液中碳酸盐的浓度来获取较厚的膜。化学氧化膜厚度要比天然氧化膜4nm厚度大一百倍至两百倍。它对铝材料的疲劳性能没有太大影响，操作方便，无需电能，设备简便，加工成本低，操作速度快，附着力好。它可以用于保护层或涂层底层，不过膜层由于质地较软、耐磨性不好、厚度薄，在承载情况下有时会出现损坏。表一为化学氧化膜的性能

表1化学氧化膜的性能

（二）阳极氧化处理

这一技术是在7075自身作为阳极，铅板作为阴极，在电解液中通电后形成氧化膜。目前，硫酸阳极氧化、铬酸阳极氧化、草酸阳极氧化、陶瓷阳极氧化和硬质阳极氧化在这一工艺中得到了广泛的应用。在实践中，硫酸法、铬酸法、草酸法的应用较为广泛。采用硫酸法形成的膜厚度较高，呈现无色透明状，孔隙率能够达到百分之十至百分之十五，同时还可以产生较强的吸附作用，其他方面的性能也都符合要求。但这种膜的缺点在于，其易受硫酸浓度、温度、电流密度、氧化时间等多种因素的影响，技术操作要求较高，不易掌握。而铬酸法形成的膜质地较软，孔隙率比例比硫酸法低，耐腐蚀性能优秀，但从实验结果来看，耐磨性能不佳，在这方面存在较高要求的部件不应采用此种方法进行处理。而草酸法形成的膜厚度较高，颜色一般呈现出白色或黄色，并随着膜厚度的增加而逐渐变深，孔隙率较低，具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。综上，阳极氧化方法能够有效改善7075的表面性能，提升耐磨性、耐蚀性以及表面硬度。

（三）稀土转化膜

近年来，稀土材料在工业上得到广泛应用，研究人员也逐渐探索将其使用在7075表面处理技术中。上个世纪八十年代，研究者就发现，在处理液中添加少量的CeCl3，就能够明显防止7075铝合金在氯化钠溶液中出现过快腐蚀，提升耐腐蚀性。在进一步研究了7075表面稀土转化膜的构成之后，他们认为，7075铝合金表面的微阳极溶液以及微阴极溶液中氧气和其他去极化剂的减少，导致了在阴极温度下局部pH值的升高，并形成附着在铝表面的不溶性氢氧化物。在浸泡时间延长的过程中，表面的酸碱度随之增大，氧化物渐渐溶解，最后完全被稀氧化物所代替。7075上的稀土转化膜是由长期浸泡在单一稀土盐溶液中，经强氧化剂和化学电化学联合处理而成。

二、高能束表面处理技术

（一）等离子注入

近年来，采用离子注入方式，提升合金的表面性能业已成为国内外发展较快的研究领域之一。离子注入技术的优点是属于非平衡技术，可以形成不依赖于溶解和扩散的表面合金。采用离子注入技术可以制备成分明确的表面合金。这一技术可作为分析和测试合金状态与合金成分关系的有力研究工具。离子注入在处理有限区域的关键部件方面还有其他潜在的优势。无论基体的性能如何，它都可以优化7075的表面性能，并且可以实现低温下注入，不会出现显著的规格变化。采用离子注入技术处理的合金表层具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。离子注入技术的不足在于它是一个以直线方式对表面进行离子轰击的过程，并不适用于处理具有凸凹几何形状的复杂样品。在室温环境中，RT离子注入所获得的A1N层强度较高，而在高温环境中，离子注入获得的A1N层强度为5-7gpa。和低温离子注入获取的氮化铝层进行比较，其强度不高，但拥有良好的耐磨性。采用这种技术形成的超硬化合物、非晶态组织和表面压应力能显著提高7075表面的耐腐蚀性、耐磨性和抗疲劳性。

（二）微弧氧化技术

这一技术是在7075的表面形成陶瓷层的工艺，其操作原理如下：突破过去阳极氧化工作电压的限制，采取高压放电的方式，在微弧等离子体放电的环境中，在7075的表面形成一层氧化膜。这种氧化膜具备三层的结构（见图1），其中工作层是主要的强化层，对于氧化膜的性能起到关键性作用。这一技术不同于过去的阳极氧化工艺，在操作时采用的是高压放电。在氧化膜形成的过程中，化学氧化、电化学氧化以及等离子体氧化现象同时出现。因而，这种膜的形成机理十分复杂，目前研究人员尚未能够科学总结其形成的机理。这一技术的优点在于，发挥了7075和陶瓷材料各自的优势，不仅能够提升抗蚀性，同时操作要求简单，对环境产生的不利影响小，其应用前景十分广阔。

图1微弧氧化膜的结构

（三）激光表面强化

这种方法是将高能激光作为热源使用，对7075的表面进行局部加热，再依赖7075自身的热传导实现冷却，由此达到改变7075结构和成分的目的。具体而言，这种方法包括两种具体类型：第一是激光熔覆技术，该技术借助激光熔化金属陶瓷复合粉体，从而在7075的表面形成了金属陶瓷复合层。在实际操作中，该技术有下列两种工艺：预涂法和同步送粉法。前者是把粉末和粘合剂进行混合，完成之后将混合物敷在7075的表面，等待其完全干燥以后再采取加热的措施。后者则是在加热7075的同时，进行横向送粉，其粉末的物质成分和前一种工艺相同。金属陶瓷复合层和7075的结合仅仅局限于界面结合层，因而这一复合层不容易产生稀释现象。第二种方法是合金化方式，也就是借助激光把合金元素融化到7075基体之中，改变7075的物质构成，造成具备优良冶金结合性能的合金层。第二种方法由于使用高能激光，其能量能够实现良好的控制，而且合金层与7075的结合性较好，建议在7075的表面处理中推广应用。

三、涂层处理

（一）电镀

电镀是以基体金属为阴极，以惰性导体为阳极，在含有待镀金属的溶液中，在污垢的作用下电解，在基体金属的表土上形成固体金属膜的一种表面处理工艺。我们可以依据涂层以及基体所具有的电化学活性，区分为阳极和阴极两种类型。前者的标准电极电位比基体金属更高一些，当其和基体金属成为电池的时候，母材是阴极，而7075就是阳极。而对于后者而言，7075应作为阴极。前者能够为7075提供良好的机械保护，而且还具有电化学保护的功效，而后者不具有电化学保护功能。因此，我们在对7075使用电镀时，应采用阳极涂层的方式。

（二）化学镀

这一方法是借助适宜的还原剂，将溶液中的金属离子进行还原，使之在7075的表面形成镀层。在上个世纪七十年代之后，这一方法在镀层的附着性、镀液的使用期限等各个方面都取得了较大进步，减少了合金的表面处理成本，因而获得了较多的应用。这一方法可以使用在对7075的表面处理工作中，将次磷酸钠作为还原剂，可以形成镀层，提升7075的性能。

结语：7075属于超高强铝合金，容易加工，具备良好的耐腐蚀能力和较高的韧性，当前一般应用于制造工作温度不高、受力较大的飞机结构件。因为7075材料失效大多数是从表面开始的，因而提升其表面性能十分关键。在实践中，较多得到应用的7075处理方法有化学转化层处理技术、高能束表面处理技术以及金属涂层处理等。

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