分享：航空用铝合金表面化学镀镍磷层的制备及其耐蚀性

摘 要:为了保证航空铝合金在海洋环境中的安全服役,设计了一种低磷镍/中磷镍/高磷镍的组合梯度化学镀镍磷 层。采用SEM 和 XRD表征镀层的微观形貌和相结构,并通过电化学方法评价了镀层的耐蚀性。结果表明:相比于 2A11铝合金基体,化学镀镍磷层的自腐蚀电位更正,自腐蚀电流更低;组合梯度镀层试样在35 ℃,5% NaCl盐雾环 境中腐蚀500h后,表面未见明显腐蚀现象,能满足航空铝合金耐腐蚀性能的要求。 

关键词:航空;2A11铝合金;化学镀镍磷层;耐蚀性 

中图分类号:TG174                                                        文献标志码:A                                      文章编号:1005-748X(2022)06-0067-04

铝合金比强度高,且具有良好的延展性及导热 性,被广泛应用于航空领域。然而,铝合金的化学性 质活泼、硬度低和耐蚀性差,其应用受到了限制[1], 可以通过适当的表面防护技术以提高铝合金在航空 领域的应用。常用的铝合金表面防护技术有电镀、 化学镀、阳极氧化、高能光束等,其中,化学镀作为一 种新兴的 表 面 防 护 技 术,已 被 广 泛 应 用 于 各 个 领 域[2]。化学镀,也称防护自催化电镀,最常用于化学 镀镍。由于施镀不依赖于电流分布,采用这种表面 改性技术得到的镀层厚度均匀,即使在复杂零件的 锋利边缘和深凹区域也可以均匀和完全施镀,且镀层具有良好的耐蚀性及耐磨性,已成为很多金属及 合金常用的表面防护技术[3-5]。 

直升机零部件通常采用轻质铝合金材料,以达 到减重的目的。海军某型号飞机常年受盐雾环境腐 蚀,普通铝合金的耐蚀性不能满足要求。本工作采 用化学镀镍磷的方法,在2A11铝合金基体上制备 低 P-Ni/中 P-Ni/高 P-Ni的 组 合 梯 度 化 学 镀 镍 磷 层,以期提高零部件的耐蚀性。

1 试验 

1.1 试样 

以2A11铝合金为基体材料,经 T6处理,试样 尺寸为30mm×50mm×5mm,其化学成分见表1。 

在试样表面进行低磷/中磷/高磷组合镀镍(简 称镀层试样)。试样经砂纸逐级打磨、清洗后,风干备用。2A11铝合金预处理和化学镀镍磷工艺流程如 图1所示。溶液组成及操作条件见表2。每一步用 去离子水洗涤两次,以避免前一步骤造成的污染。

1.2 镀层性能检测 

1.2.1 表面形貌和相结构 

使用扫描电镜(SEM)观察各镀层试样的表面 形貌。使用 X 射线衍射仪分析镀层相结构。 

1.2.2 耐蚀性 

利用极化曲线、电化学阻抗谱图(EIS)及盐雾 试验来评定镀层的耐蚀性。电化学试验采用三电极 体系,饱和甘汞电极为参比电极,铂片为辅助电极, 镀层试样为工作电极,试验溶液为 3.5%(质量分 数,下同)NaCl溶液,试样工作面积为1cm 2。盐雾 试验按照 GB15011-2009《军用设备环境试验方 法》进行,试验溶液为5%(质量分数,下同)NaCl溶 液,温度为35 ℃。 

2 结果与讨论 

2.1 形貌及结构

2.1.1 镀层的表面形貌 

由图2可见:低 P-Ni镀层表面不均匀,有凹坑, 这提高了镀层对基体的吸附力,使得镀层难以脱落; 低P-Ni/中 P-Ni镀层表面细胞大小不均匀,但紧密 相连;低 P-Ni/中 P-Ni/高 P-Ni镀层呈典型的“花椰 菜”形貌,细胞尺寸为10~15μm,单元细胞紧密结 合,无明显缝隙,表面均匀平整,为镀层试样耐蚀性 的提高提供了良好的基础。通过对比单层镀层与组 合梯度镀层的表面形貌可以看出,组合梯度镀层间 隙逐渐减小,单元细胞较致密、均匀,组合梯度镀层 无明显缺陷。 

2.1.2 镀层的 XRD谱 

由图3可见,低 P-Ni镀层的 XRD 谱在2θ 为 38°,45°,78°处出现明显的尖峰,说明中 P-Ni镀层中 的磷含量较低,镀层发生了一定程度的晶化,镀层处 于微晶 体 和 非 晶 体 的 混 合 状 态,即 镀 层 由 镍 和 Ni12P5 的两相混合物构成,其 X 射线衍射花样为宽 化的漫散射峰。 

中P-Ni镀层和高 P-Ni镀层中的磷含量均较高 时,在衍射角(2θ)为45°附近,即 Ni(111)的衍射方 向有漫散射衍射峰,表明组合梯度镀镍磷层确实为 非晶态。球状颗粒中镍磷组元以非晶形式结合,磷 以固溶形式存在于镍晶格中,形成镍基过饱和固溶 体[6],非晶态镀层没有缺陷和高应力区,所以其拉伸 强度较高,这使得镀层的耐腐蚀和耐磨性提高。

2.2 镀层耐蚀性 

2.2.1 极化曲线 

由图4可见,组合梯度镀层试样的耐蚀性明显 优于单层镀层试样的,这是由于随着磷含量的增加, 镀层由低磷时的结晶或非晶结构逐渐转变为高磷时 的非晶结构,不具有晶态合金中的晶体特征,因此, 无法构成腐蚀微电池。同时,非晶态镀层表面易形 成氧化膜,进一步提高了镀层对基体的保护作用。 由表3可见,与铝合金基体比较,组合梯度镀层试样 的腐蚀电位发生正移,腐蚀电流密度减小,腐蚀电阻 明显增大,表明组合梯度镀层试样的耐蚀性较好。 同时,结合SEM 形貌可知,高 P 层表面较均匀、致 密,从而提高了试样的耐蚀性。 

2.2.2 电化学阻抗谱 

根据图5所示各镀层试样的电化学阻抗谱,采 用图6所示的等效电路模型对其进行分析,相关电 化学参数拟和结果见表4。为了适应不完美的电容 响应,采用恒相元件(CPE)表征镀层界面的电容响 应,CPE的阻抗ZCPE 可通过式(1)计算。

式中:ω 是角频率;j是虚数;Y0 是导纳函数;n 是与 偏差有关的系数。 

在该模型中,Rs、Rc 和 Rct 分别为溶液电阻、镀 层电阻和电荷传递电阻,C1 为高频时间镀层电容, C2 为低频时间的双电层电容[7]。

如 图 5 所 示,不 同 组 合 梯 度 镀 层 试 样 的 Nyquist图在相同频率区域呈现出相似的单一半椭 圆形状,表明几种镀层试样表面发生的过程大致相 同。结合表4可见:低 P-Ni/中 P-Ni/高 P-Ni镀层 试样的电荷转移电阻远远大于低 P-Ni镀层试样和 低P-Ni/中 P-Ni镀层试样的,这意味着在腐蚀介质 中其膜层电阻更高。低 P-Ni/中 P-Ni/高 P镀层试 样具有较大的电荷转移电阻,表明其镀层结构较致 密和均匀,镀层表面缺陷较少。综上所述,低 P-Ni/中 P-Ni/高 P-Ni镀层试样的耐蚀性较好,可以保护 铝合金基体免受腐蚀和降解。

2.2.3 盐雾试验结果 

由图7可见:低 P-Ni/中 P-Ni/高 P-Ni镀层试 样在35 ℃下5% NaCl盐雾环境中腐蚀500h后, 镀层表面未出现起皮、起泡和脱落等现象,且无腐 蚀、无裂缝;镀层表面平整光洁,晶胞间结合紧密,与 盐雾腐蚀前的镀层微观形貌无明显区别,说明低 PNi/中 P-Ni/高 P-Ni镀层试样可以经受严酷的腐蚀 环境考验,组合梯度镀层可以对铝合金基体起到良 好的保护作用,从而满足产品的实际使用要求。

3 结论 

(1)组合梯度磷镍镀层的工艺流程为抛光→碱洗→酸洗→浸锌→碱性化学预镀镍→酸性化学镀镍 磷,其中,浸锌采用二次浸锌法,采用这种工艺可有 效提高铝合金在腐蚀环境中的耐蚀性。

 (2)相比于2A11铝合金基体和单层镀层试样, 低 P-Ni/中 P-Ni/高 P-Ni镀 层 试 样 的 腐 蚀 电 位 更 正,腐蚀电流密度更小,腐蚀电阻更大,具有良好的 耐蚀性,能满足航空铝合金耐腐蚀性能的要求。

 (3)经过500h盐雾试验后,低 P-Ni/中 P-Ni/ 高 P-Ni镀层试样表面未见明显腐蚀迹象。

参考文献: 

[1] FRANCO M,SHA W,MALINOV S,etal.Phase composition,microstructure and microhardness of electrolessnickelcompositecoatingco-depositedwith SiConcastaluminiumLM24alloysubstrate[J].SurfaceandCoatingsTechnology,2013,235:755-763. 

[2] SCHLESINGER M,PAUNOVIC M.ModernElectroplating[M].Hoboken,NJ,USA:John Wiley & Sons, Inc.,2010. 

[3] 胡永俊,熊玲,蒙继龙,等.铝合金的前处理对 Ni-Co-P 化学镀层沉积特性和耐腐蚀性能的影响[J].腐蚀科 学与防护技术,2009,21(2):194-196. 

[4] KEONG K G,SHA W,MALINOVS.Crystallization andphasetransformationbehaviourofelectrolessnickel-phosphorusdeposits withlow and medium phosphoruscontentsundercontinuousheating[J].Journal ofMaterialsScience,2002,37(20):4445-4450. 

[5] 平朝霞,何业东,程国安.机械研磨化学镀 Ni-P镀层 [J].稀有金属,2011,35(2):189-195. 

[6] OTHMANI,STARINK M,WANGSC.Impactof singleanddoublezincatingtreatmentonadhesionof electrodeposited nickelcoating on aluminium alloy 7075[J].AdvancedManufacturingTechnology,2018, SpecialIssueAMET2017,179-191. 

[7] LUO H,LEITCH M,BEHNAMIAN Y,etal.DevelopmentofelectrolessNi-P/nano-WCcompositecoatingsandinvestigationonitsproperties[J].Surfaceand CoatingsTechnology,2015,277:99-106.

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 腐蚀与防护 > 43卷 > 6期 (pp:67)>