你了解飛機中鋁合金上的氧化膜嗎?

2020-12-03 百家號

雖然在飛機製造中已大量採用鎂合金、不鏽鋼、鈦合金和各種複合材料,但鋁合金仍然是一般飛機的主要結構材料。鋁的用途很廣,除航空工業外,汽車工業、造船工業、化學工業、電器工業、建築業和人們日常生活都離不開它。但大家的生活經驗都發現,鋁遠比鐵器耐用。這是為什麼呢?原來鋁製品在空氣中,表面上生成了一層緻密不透氣的氧化膜。這層氧化膜緊緊地貼在鋁表面上,防止了裡面的鋁與空氣的氧進一步化合,因而保護了鋁。這層天然氧化膜很薄,一般只有零點一毫米以下的厚度。它的成分是三氧化二鋁。純的氧化鋁是一種白色固體,其熔點在攝氏二千度以上。硬度很高,天然的氧化鋁礦物一剛玉的硬度僅次於金剛石。大家常見的瓷坩堝、高溫瓷管和一些耐火材料都是以氧化鋁為主製造的。晶瑩奪目的人造紅寶石、藍寶石和黃寶石也都是用氧化鋁加入少量其他氧化物在高溫下製成的。

也正因氧化鋁穩定、耐蝕、耐熱、耐磨,鋁外表的氧化膜才能很好地保護著內部的鋁。純鋁雖然很輕,但是強度太低,剛性也差,硬度也低,不適合作為飛機上的結構材料。人們為提高鋁的強度和硬度,將一些合金元素如銅、鎂、錳、鋅、矽、鉻等引入到鋁中製成鋁合金。目前製成的有些高強度鋁合金的強度已趕上中碳鋼的水平。但由於合金元素的影響,鋁合金在空氣中形成的氧化膜比純鋁的氧化膜還要薄,而且疏鬆,所以鋁合金的耐腐蝕性要比純鋁差。

飛機在飛行和停放過程中,遭受風吹雨打,酷熱嚴寒,各種介質浸蝕汙染,鋁合金表面上的天然氧化膜的保護能力是不足的。如果一架飛機的鋁合金零件未經任何處理,那麼這架新飛機使用不了多久就會由於鋁合金腐蝕而報廢。為了提高鋁合金的防護性能,目前採用很多方法,其中有些方法卻具有一定的局限性,如電鍍、淬火處理和包鋁。

飛機上不少作動筒,活塞汽缸都是用合金鋼外表鍍硬鉻製成的。這種鍍硬鉻的工藝方法,不但工序複雜,工藝要求高,成本也高。採用經過硬陽極化氧化處理的高強度鋁合金材料便可代替它。高溫度鋁合金經過這樣處理的氧化膜可增厚二十五到二百五十微米以上,硬度超過硬鋁,甚至超過淬火的工具鋼。目前,如火神、F-111等飛機的起落作動筒,還有飛機上經受氣流強烈的摩擦部分,都是用這種高強度鋁合金製成的。

由於氧化膜對於鋁和鋁合金是優良的保護層,所以人們研究出了人工增厚氧化膜的方法。大家在日常生活中都有這樣的經驗,新買的鋁製品長期不使用,時間長了保管不善,鋁製品表面就會發生腐蝕,「起粉」和「長毛」。反之,經常使用的鋁製品反而不易腐蝕。這是為什麼呢?原因就在於,在鋁製品使用過程中,如鋁鍋經常經受高溫和熱水的作用,氧化膜不斷增厚,自身的保護能力就提高了。人工增厚氧化膜最簡單又經濟的方法,是將鋁和鋁合金零件製品放到乾淨的沸水中煮或放置在高溫蒸氣中。純鋁在沸水中煮三十分鐘,氧化膜可增厚到零點二微米。在攝氏一百二十度高溫蒸汽中處理一小時,膜厚可增加到零點三五微米。但是對於飛機零件的使用條件來說,這種簡單的增厚氧化膜的方法是遠遠不能滿足要求的。

飛機上的鋁合金導管、油箱及其他零件,增厚氧化膜主要採用化學氧化法和電化學氧化法,即陽極化氧化處理。經過這兩種方法後,兒百倍到一千多倍,氧化限分別增厚一百到二百倍,保護性能大大提高。飛機上的幾乎所有鋁合金件都是用這兩種 膜,提高其保護性能的。方法來增厚氧化以包鋁為例的示意圖。當硬鋁厚板軋成薄板之前,兩面都先蓋上一層純鋁薄片然後通過滾壓筒,使硬鋁板表面留下一層薄薄的純鋁,緊密地與硬鋁相連,因為這薄層能抵抗腐蝕,所以包鋁的硬鋁板得到了可靠的保護。

正是由於氧化膜象蜂窩一樣是多孔的,由此帶來了許多美妙的特性。一般經過氧化處理的鋁和鋁合金零件,均需經過填充和封閉處理。其目的是使孔隙封閉,將金屬基體與外圍介質更好的隔絕,進一步提高防護能力。同時氧化膜還是油漆的很好底層。漆料噴上後,被吸入到氧化膜的孔隙中,結合力非常高,反覆彎折漆層都不會脫落。正因如此,才使得各種防鏽漆、耐熱漆、耐油漆、絕緣漆、裝飾漆、標誌漆等在飛機製造中發揮它們的作用。並可以用有機染料或無機染料直接染色得到美觀的裝飾性表面。有些飛機零件,開頭需要顏色區別,這些零件在電化學氧化後,就可進行不同的染色。這種染色結合力高,牢固,不增加零件尺寸,遠優於油漆。鋁合金材料能夠在飛機上繼續使用,不能不說是氧化膜幫了它的大忙。

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