碳纳米管/铝基复合材料阳极氧化与耐腐蚀性能

作者:申世军;钱小明;陈登海;王煜;谭占秋;李志强 刊名:电焊机 上传者:徐军岚

【摘要】采用叠片粉末冶金技术制备CNT/2024Al复合材料锭坯;经热轧变形加工后;通过阳极氧化在板材表面生成一层均匀、致密的氧化膜;并对阳极氧化后的复合材料板材抗盐雾腐蚀性能进行研究;采用SEM对比分析了复合材料板材的阳极氧化膜微观结构及其在盐雾气氛下的变化规律;采用万能拉伸试验机研究阳极氧化对盐雾腐蚀后材料力学性能的影响;结果表明;未经阳极氧化的样品;暴露在盐雾条件下将发生显著的腐蚀现象;导致材料的拉伸强度和延伸率降低;采用阳极氧化处理后;会在复合材料表面生成约2μm的致密氧化膜;可有效阻止盐雾腐蚀;有效避免材料腐蚀后的力学性能下降;

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0前言以2024硬铝为代表的2XXX系铝合金作为轻质结构材料,在航空航天中具有广阔的应用前景[1]。然而,近年来航天技术的快速发展对结构轻量化提出了更高的要求,通过添加高性能纳米增强相提升铝合金的弹性模量和拉伸强度,成为航天轻量化发展的主流趋势之一。新型高性能碳纳米管(CNTs)与铝合金复合制备的CNT/Al合金复合材料,在显著提升模量、强度的同时,不会明显降低合金的变形与机械加工能力,近年来备受科研机构与用户单位关注[2-3]。近10年来,国内外在CNT/Al复合材料的制备研究方面已经取得显著的研究进展[2,4],但针对其具体应用环境下的材料特性及使役行为研究还鲜有报道。金属或合金的腐蚀现象是工程应用面临的一个常见问题。铝合金由于成分不同,其耐腐蚀能力有显著差异。尽管2024Al合金以其高强度力学特性而广受青睐,但其对腐蚀环境敏感,容易发生局部腐蚀,尤其在海洋大气环境下腐蚀更加严重[5]。王彬彬等[6]利用大气暴露试验,研究了2024Al在西部盐湖大气环境下的局部腐蚀,发现随着环境Cl-含量的增加,铝合金开路电位降低,导致其耐蚀性变差。而对于CNT/Al合金复合材料,虽然CNTs的引入提高了材料的力学性能,但同时产生了大量复合界面,尤其在腐蚀环境下有可能发展成为腐蚀位点或离子通道,从而改变合金基体的耐腐蚀行为。因此,有必要开展CNT/Al合金复合材料阳极氧化处理后的耐腐蚀性能研究。阳极氧化通过形成均匀致密的氧化铝膜层,可有效改善铝合金的耐腐蚀能力,并改善其外观和耐磨性能,是航天领域一种环保、高效的常用技术手段,在铝合金表面防护中应用十分广泛[7-9]。目前,尚未有CNT/Al复合材料阳极氧化及耐腐蚀行为的相关研究报道。本文通过盐雾腐蚀实验,结合扫描电镜a阳极氧化处理前的原始板材外观b阳极氧化处理后的板材外观图1阳极氧化前后材料的表面状态Fig.1 Appearance of materials before and after anodizing及拉伸力学试验方法,探索研究了阳极氧化CNT/Al-Cu-Mg-Si复合材料中的表面防护能力,结果证明了阳极氧化能够有效提高CNTs强化铝合金耐腐蚀能力,并满足航天应用需求。1实验材料与方法1.1实验材料采用叠片粉末冶金技术制备1.5%CNT/2024Al合金复合材料锭坯[10],进而热轧成型为板材。所选用的碳纳米管直径为15~40 nm、长度1~5μm,2024Al合金粉末平均直径约为20μm。将原料粉末在3D搅拌机混合后,按照20∶1的磨球与粉体比,添加0.5%硬脂酸,在氩气惰性环境下采用行星球磨机,先以135 r/min低速球磨16 h,再从270 r/min高速球磨1 h,获得冷焊CNT/2024Al复合颗粒粉末。复合颗粒粉末在500 MPa压力冷压为直径40 mm锭坯,在500℃下真空烧结2 h,然后热挤压(挤出率25∶1)为厚度3 mm的复合材料板材,最后将板材进行阳极化处理。阳极氧化实验在200 mm×40 mm×3 mm的复合材料板材上进行,板材一面进行了铣削加工,作为测试表面。1.2盐雾腐蚀将相同工艺制得的阳极氧化铝基复合材料板材分别进行不同时间的盐雾腐蚀试验。具体试验条件如下:盐雾试验箱(型号YWX/Q-250)温度保持在35±2℃,将平板试样依靠在试验箱内的竖直板上,试验面与垂直方向成20°夹角,NaCl溶液质量分数为5%。试验箱按照每80 cm2为1~2 mL/h的沉降量将NaCl溶液喷出。分别拍摄腐蚀不同时间的表面照片,并记录试验前后样品的质量变化。特定腐蚀时间下的腐蚀率按照式

参考文献

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