摘要：为保障航空铝合金在海洋环境中安全服役，设计了一种低磷镍/中磷镍/高磷镍组合梯度化学镍磷涂层。利用SEM、XRD表征了涂层的微观组织和相结构，并用电化学方法评价了涂层的耐蚀性。结果表明：与2A11铝合金基体相比，化学镀镍磷涂层的自腐蚀电位更正、自腐蚀电流更小；组合梯度涂层试样在35 ℃、5%NaCl盐雾环境中腐蚀500h后，表面未观察到明显的腐蚀现象，能够满足航空铝合金耐蚀性要求。
关键词：航空；2A11铝合金；化学镍磷涂层；耐腐蚀性能
中图分类号：TG174 文献编号：A 文章编号：1005-748X(2022)06-0067-04
铝合金具有较高的比强度、良好的延展性和导热性，在航空领域得到广泛的应用。但铝合金化学性质活泼，硬度低，耐腐蚀性差，限制了其应用[1]。通过适当的表面防护技术可以提高铝合金在航空领域的应用。常见的铝合金表面防护技术有电镀、化学镀、阳极氧化、高能束流等。其中化学镀作为一种新兴的表面防护技术，已广泛应用于各个领域[2]。化学镀又称保护性自催化电镀，最常用的是化学镀镍。由于镀层不依赖于电流分布，因此这种表面改性技术获得的镀层厚度均匀，即使在复杂零件的尖锐边缘和深凹区域也能均匀、完整地镀上一层镀层。镀层具有良好的耐腐蚀性和耐磨性，已成为许多金属和合金的常用表面防护技术[3-5]。
直升机部件通常采用轻质铝合金材料来达到减轻重量的目的。某型海军飞机常年受到盐雾环境的腐蚀，普通铝合金的耐腐蚀性能无法满足要求。本文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组合梯度化学镍磷层，以提高零件的耐腐蚀性能。
1 实验
1.1 标本
采用2A11铝合金作为基体材料，经T6处理，试样尺寸为30mm×50mm×5mm，其化学成分如表1所示。
在试样表面进行低磷/中磷/高磷组合镀镍（简称镀层试样），试样经逐级打磨、清洗，风干后备用。2A11铝合金前处理及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，每步均用去离子水清洗2次，避免上一步造成污染。
1.2 涂层性能测试
1.2.1 表面形貌与相结构
利用扫描电子显微镜(SEM)观察各涂层样品的表面形貌，并利用X射线衍射仪分析涂层的相结构。
1.2.2 耐腐蚀性
采用极化曲线、电化学阻抗谱（EIS）和盐雾试验评价涂层的耐腐蚀性能。电化学试验采用三电极体系，以饱和甘汞电极为参比电极，铂片为辅助电极，涂层样品为工作电极。试验溶液为3.5%（质量分数，下同）NaCl溶液，样品工作面积为1cm2。盐雾试验按照2009版《军用装备环境试验方法》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 形态结构
2.1.1 涂层表面形貌
如图2所示，低P-Ni涂层表面凹凸不平，存在凹坑，增加了涂层对基体的吸附力，涂层不易脱落；低P-Ni/中P-Ni涂层表面晶胞大小不均匀，但连通紧密；低P-Ni/中P-Ni/高P-Ni涂层呈现典型的“菜花”形貌，晶胞尺寸为10~15μm，晶胞紧密结合，无明显缝隙，表面均匀平整，为提高涂层试样的耐腐蚀性能提供了良好的基础。通过对比单层涂层与组合梯度涂层的表面形貌可以看出，组合梯度涂层的缝隙逐渐减小，晶胞更加致密、均匀，组合梯度涂层无明显缺陷。
2.1.2 涂层的XRD谱
从图3中可以看出，低P-Ni镀层的XRD谱在2θ为38°，45°，78°处出现明显的峰，说明中P-Ni镀层中磷含量较低，镀层已经发生了一定的晶化，镀层为微晶与非晶态材料的混合状态，即镀层是由镍和Ni两相混合物构成，其X射线衍射图为增宽的弥散散射峰。
中P-Ni涂层和高P-Ni涂层中磷含量较高时，在衍射角(2θ)45°附近，即Ni(111)衍射方向，均出现了弥散衍射峰，说明组合梯度镍磷涂层确实为非晶态。球形颗粒中的镍磷组分以非晶态形式组合，磷以固溶体形式存在于镍晶格中，形成镍基过饱和固溶体[6]。非晶态涂层无缺陷和高应力区域，因此其拉伸强度高，提高了涂层的耐腐蚀和耐磨性。
2.2 涂层耐腐蚀性能
2.2.1 极化曲线
如图4所示，组合梯度涂层样品的耐腐蚀性能明显优于单层涂层样品。这是因为随着磷含量的增加，涂层由低磷时的晶态或非晶态结构逐渐转变为高磷时的非晶态结构，不具备晶态合金的晶体特征，因而不能形成腐蚀微电池。同时非晶态涂层表面易生成氧化膜，进一步提高了涂层对基体的保护作用。由表3可知，与铝合金基体相比，组合梯度涂层样品的腐蚀电位正移，腐蚀电流密度减小，耐腐蚀性能明显提高，表明组合梯度涂层样品具有更好的耐腐蚀性能。同时结合SEM形貌可看出高P层表面更加均匀致密，从而提高了样品的耐腐蚀性能。
2.2.2 电化学阻抗谱
根据图5所示的各涂层样品的电化学阻抗谱，采用图6所示的等效电路模型对其进行分析，相关电化学参数的拟合结果如表4所示。为适应不完善的电容响应，采用恒相位元件（CPE）来表征涂层界面的电容响应，可利用公式（1）计算CPE的阻抗ZCPE。
其中：ω为角频率；j为虚数；Y0为导纳函数；n为与偏差有关的系数。
该模型中，Rs，Rc，Rct分别为溶液电阻，涂层电阻和电荷转移电阻，C1为高频下的涂层电容，C2为低频下的双电层电容[7]。
如图5所示，不同组合梯度涂层样品的图线在同一频率区域均呈现出相似的单半椭圆形状，说明几种涂层样品表面发生的过程大致相同。结合表4可知，低P-Ni/中P-Ni/高P-Ni涂层样品的电荷转移电阻远大于低P-Ni涂层样品和低P-Ni/中P-Ni涂层样品，说明在腐蚀介质中膜层电阻较高。低P-Ni/中P-Ni/高P涂层样品的电荷转移电阻较大，说明其涂层结构更加致密均匀，涂层表面缺陷较少。综上所述，低P-Ni/中P-Ni/高P-Ni涂层样品的耐腐蚀性能良好，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
从图7中可以看出：低P-Ni/中P-Ni/高P-Ni涂层样品在35 ℃的5%NaCl盐雾环境中腐蚀500 h后，涂层表面无起皮、起泡、脱落现象，也未出现腐蚀或裂纹；涂层表面光滑、晶胞结合紧密，与盐雾腐蚀前涂层微观形貌无明显差异，说明低PNi/中P-Ni/高P-Ni涂层样品能经受恶劣腐蚀环境的考验，组合梯度涂层能对铝合金基体起到良好的保护作用，满足产品的实际使用要求。
3 结论
（1）组合梯度镀磷镍工艺流程为抛光→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。该工艺可有效提高铝合金在腐蚀环境中的耐腐蚀性能。
(2)与2A11铝合金基体和单层涂层样品相比，低P-Ni/中P-Ni/高P-Ni涂层样品的腐蚀电位更正，腐蚀电流密度更小，腐蚀阻值更大，具有良好的耐蚀性能，能够满足航空铝合金耐蚀性能的要求。
(3)经过500 h盐雾试验，低P-Ni/中P-Ni/高P-Ni涂层样品表面均未观察到明显的腐蚀迹象。
参考：
[1] M,SHA W, S,etal.Phase,and of-[J].，2013，235：755-763。
[2] M，M.[M].，美国新泽西州：John Wiley & Sons，Inc.，2010年。
[3] 胡永军, 熊玲, 孟吉龙, 等. 铝合金预处理对Ni-Co-P化学镀层特性及耐蚀性的影响[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2009, 21(2): 194-196.
[4] KEONG KG,SHA W,.—和[J]. ,2002,37(20):4445-4450.
[5] 平朝霞, 何业东, 程国安. 化学镀Ni-P镀层的机械磨削研究[J]. 稀有金属, 2011, 35(2): 189-195.
[6] ，M，. 7075合金的离子研究[J].，2018，，179-191。
[7] 罗华明,等.P/nano-[J]. ,2015,277:99-106.
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