热处理方法对铝合金阳极氧化热控膜结构与性能

2A12铝合金的强度、耐疲劳性能和延展性好，易加工成型，被广泛应用在航天领域，如人造卫星、飞船、空间站等设施上[1-2]。这些设施在太空运行时长期经受冷热交替，温度变化剧烈。热控膜是航天设施外表面用来调节和控制航天设施与外界进行热交换的特种氧化膜，以维持一个预定、正常的工作温度。当2A12铝合金被应用在太空设施时，为了达到热控效果，常用的表面处理方法是阳极氧化后发黑[3]。

2A12材料在工程上常用的是T4和H112状态。2A12-T4材料的厚度通常小于6 mm，但实际生产过程中，有时需要材料厚度大于6 mm，因此需要通过热处理将2A12-H112转换成2A12-T4状态。在一次生产过程中，所用材料是2A12-T4状态，要求阳极氧化发黑后具备热控膜的功能，但热循环试验后，热控膜脱落，露出金属基材。该状态下的热控膜脱落也是困扰其他科研院所的比较棘手的问题。根据以往的生产经验，采用2A12-H112状态的材料，同样是阳极氧化发黑的热控膜，在热循环试验后未出现脱落。基于此，本文分析了热处理状态T4和H112对2A12铝合金阳极氧化发黑的影响，以期加深对热控膜的理解。

1 实验

1.1 材料

2A12铝合金的成分(质量分数)为：Cu 4.18%，Mg 1.23%，Mn 0.55%，Fe 0.24%，Si 0.40%，Zn 0.05%，Al余量。2A12-H112材料为市售。获得2A12-T4的方法：将2A12-H112加热到495 °C，再保温50 min，取出后立即放入室温的水中进行淬火处理，然后在室温放置96 h进行自然时效。

1.2 阳极氧化热控膜的制备

氧化发黑的大致工艺流程为：除油→水洗→碱腐蚀→水洗→酸出光→水洗→硫酸阳极氧化→水洗→着黑色→水洗→封闭→水洗。

除油：碳酸钠 40～50 g/L，磷酸钠 40～50 g/L，硅酸钠 20～30 g/L，60～80 °C，10～20 min。

碱腐蚀：氢氧化钠 40～50 g/L，60～80 °C，10～150 s。

酸出光：硝酸 50～80 g/L，室温，10～150 s。

硫酸阳极氧化：硫酸 170～180 g/L，1～2 A/dm2，60～100 min。

着黑色：有机染料 10～15 g/L，20～30 min，pH 5～6。

封闭：镍盐 4～5 g/L，90～98 °C，20～24 min，pH 5.5～5.8。

1.3 表征与性能测试

1.3.1 热循环性能

热循环试验的条件为：常压，最高50 °C，最低-15 °C，循环次数不小于12.5次，升降温速率不低于3 °C/min，极端温度停留时间不小于4 h(工作2 h，断电0.5 h，工作2 h)。

1.3.2 表面形貌及成分

采用 QUANTA-200型扫描电子显微镜(SEM)观察热控膜的微观形貌。采用 INCA型能谱仪(EDS)分析热控膜的成分。以Keller腐蚀剂腐蚀后，采用BM-53XB型金相显微镜观察基材的金相组织。

2 结果与讨论

2.1 热处理状态对热控膜微观形貌的影响

从图1可见，当状态为2A12-T4时，晶粒沿挤压方向分布，呈条状，晶粒边界明显，并且晶界附近存在黑点，且均匀分布在基体中。根据相关文献[4]报道，该黑色物质为CuAl2强化相和杂质。CuAl2强化相、杂质和晶粒边界会破坏阳极氧化热控膜的完整性，是膜层的缺陷部位[5]。裂纹主要由膜层表面的缺陷部位开始发展，并逐渐连接成线，最终形成网状裂纹区域[6]。而当状态为 2A12-H112时，CuAl2强化相和杂质固溶在基体中，金相组织均匀，没有明显的会破坏热控膜完整性的缺陷部位。因此，从图2可见，2A12-T4状态下制得的热控膜普遍呈龟裂状，结构疏松，而H112状态下制得的热控膜较为致密，未见明显裂纹。

图1 不同状态铝合金的金相图Figure 1 Metallography of aluminum alloy under different heat treatment conditions

图2 T4(a)和H112(b)状态下所制热控膜表面的微观形貌Figure 2 Surface micromorphologies of thermal control coatings prepared under T4 (a) and H112 (b) states, respectively

2.2 热处理状态对热控膜成分的影响

从表1可知，2种状态的热控膜的主要元素均为C、O和Al，表明它们的成分主要都是Al2O3，C元素来自黑色染料。但是2A12-T4状态下的C元素含量明显高于2A12-H112状态，这是由于2A12-T4状态制得的热控膜存在裂缝，空隙较大，有机染料渗入基体较多，这与扫描电镜的结果是一致的。

表1 不同状态下所制热控膜的成分Table 1 Elements of thermal control coatings prepared under different states试样 w(C) / % w(N) / % w(O) / % w(Ni) / % w(Al) / % w(S) / %2A12-T4 32.76 3.78 38.38 6.37 15.55 3.17 2A12-H112 18.68 0.00 45.61 4.02 27.88 3.81

2.3 热处理状态对热控膜热循环性能的影响

文章来源：《航空兵器试验靶场》 网址: http://www.hkbqzz.cn/qikandaodu/2021/0728/1255.html