Введение

В разработке инновационных технологий создания авиационной техники все большее значение приобретает использование материалов с пониженными характеристиками плотности, что обеспечивает снижение весовых характеристик самолета в целом [1, 2]. Наиболее прогрессивными и составляющими все бόльшую долю в конструкции планера летательных аппаратов являются полимерные композиционные материалы, применение которых направлено на повышение эффективности конструкторских решений [3, 4].

На производственных площадках авиастроительных предприятий детали, изготовленные из сплавов алюминия, подвергают анодно-оксидной обработке, обеспечивая тем самым коррозионную стойкость и высокую прочность сцепления лакокрасочных систем с подложкой [5–8].

Улучшение технических характеристик деталей, изготовленных из сплавов алюминия с применением технологии осаждения металлопокрытий, позволяет расширить функциональность узлов и агрегатов. Такая обработка способна обеспечить высокую поверхностную микротвердость, износостойкость и стойкость против коррозии деталей, узлов и механизмов [9].

Например, для обеспечения низкого коэффициента трения применяется хромирование [10], для обеспечения стойкости против контактной коррозии (в контакте с более электроположительными металлами) – кадмирование, для обеспечения паяемости и сохранения способности к пайке детали из сплавов алюминия подвергают оловянированию или нанесению сплавов олова [11].

Нанесение гальванических металлопокрытий на детали и узлы из сплавов алюминия осложнено несколькими факторами:

– во-первых, этому препятствует потенциал алюминия (E = –1,662 В);

– во-вторых, из-за окисления [12] поверхность алюминия покрывается естественной пленкой оксидов [13].

Изучение способов подготовки поверхности сплавов алюминия [14] позволило выбрать следующие из них:

– получение металлических покрытий контактным способом из Zn, Ni, Sn;

– формирование анодной пленки с высокой степенью пористости.

После получения подслоя далее следует осаждение электролитического никелевого покрытия.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

Приготовление растворов проводили с использованием химикатов с квалификацией не менее «ч». Для формирования подслоя анодной пленки с высокой степенью пористости и последующего никелирования применяли источник тока Tektronix PWS2326 DC Power Supply 0-32V, 6А.

Для проведения исследований изготовлены образцы из сплава 1163-АТ (ОСТ 1.90246–77, закаленные и естественно состаренные) состава, % (по массе): до 0,15 Fe; до 0,1 Si; от 0,5 до 0,8 Mn; до 0,05 Ni; от 0,01 до 0,07 Ti; от 93,99 до 95,58 Al; от 4,1 до 4,5 Cu; от 1,3 до 1,6 Mg; до 0,1 Zn, размером 50×100 мм. Плакировку удаляли травлением в растворе, приведенном в ГОСТ 9.305–84 (карта 16, состав 1 при температуре 70 °С, в течение 15 мин).

Толщину никелевого покрытия определяли металлографическим методом.

Микропрофиль покрытия и изменение шероховатости поверхности образцов с покрытием определяли на оптическом 3D-профилометре Plu Neox при увеличении ×100.

Оценку адгезии осажденного никелевого покрытия к алюминиевым образцам с выбранным подслоем проводили приведенными далее методами.

Метод отрыва. Для обеспечения прочности склеивания упора диаметром 20 мм и образца с никелевым покрытием проводили зачистку наждачной бумагой P100. Приклеивание осуществляли полимерным пленочным клеем ВК-51 на основе эпоксидных смол с отверждением при температуре 120 °С в течение 3 ч.

Определение адгезии по методу отрыва проводили адгезиметром Elcometer 506 с цифровым манометром (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид адгезиметра Elcometer 506

Метод изгиба по ГОСТ 9.302–88. Образец с покрытием зажимали в тисках и изгибали под углом 90 градусов в противоположные стороны до излома. В месте излома фиксировалось отслаивание покрытия.

Метод определения прочности покрытий при ударе. Прочность покрытий при ударе определяли на приборе «Константа У2М» по методике, приведенной в ГОСТ 4765–73.

Образец с покрытием помещали на наковальню прибора «Константа У2М» таким образом, чтобы покрытие находилось со стороны удара бойка. Масса груза составила 1000 г. Груз фиксировали на высоте 1 м стопорным винтом, убирали фиксатор и груз свободно падал на боек, совершая удар по испытываемому образцу. После удара визуально оценивали покрытие образца на наличие отслаивания, трещин и сколов.

Формула для расчета энергии удара: Е = 9,8mh (где m – масса, кг; h – высота, м).

Результаты и обсуждение

На первом этапе работ проведено нанесение электролитического никелевого покрытия по ГОСТ 9.305–84 на образцы из сплава 1163-АТ по следующей схеме:

– обезжиривание (карта 11, состав 5);

– травление (карта 16, состав 1);

– осветление (карта 18, состав 5);

– нанесение подслоя.

Цинкатную обработку проводили в растворе состава: оксид цинка (от 70 до 100 г/л), натр едкий (от 500 до 550 г/л), железо треххлористое (от 2 до 3 г/л), калий-натрий виннокислый (от 8 до 10 г/л), натрий азотнокислый (от 1 до 2 г/л) – при температуре раствора от 15 до 30 °С в течение от 0,3 до 0,7 мин с последующим удалением цинкового слоя в растворе азотной кислоты (от 300 до 400 г/л), от 15 до 30 с с последующим повторным нанесением цинкатного подслоя. Такая схема подготовки поверхности обеспечивает повышение адгезии цинкатного покрытия [15–30].

Никелевую цементацию проводили в растворе состава: никель двухлористый (от 450 до 600 г/л), кислота фтористоводородная (от 9 до 10 г/л), кислота борная (от 28 до 40 г/л) – при температуре раствора от 15 до 30 °С в течение 1 мин [22, 31].

Станнатную обработку проводили в растворе состава: метастаннат натрия (от 20 до 80 г/л), калий пирофосфорнокислый (от 30 до 120 г/л), аммоний щавелевокислый (от 10 до 20 г/л), натр едкий (от 1,5 до 7 г/л) – при pH = 12,8 и температуре раствора от 20 до 40 °С в течение 1 мин [32].

Формирование анодной пленки с высокой степенью пористости проводили в растворе состава: кислота ортофосфорная 85%-ная (от 250 до 275 г/л), кислота серная 96 %-ная (150 г/л), аммоний фтористый кислый (от 12 до 15 г/л) – при температуре раствора от 15 до 25 °С, плотности тока 3 А/дм², напряжении до 18 В в течение 5 мин [33–36].

Электролитическое нанесение никелевого покрытия проводили в электролите Уоттса (ГОСТ 9.305–84, состав 1) в течение 1 ч при pH электролита от 5,39 до 5,41, в условиях периодической фильтрации электролита фильтром синяя лента d = 15,0 см (ТУ 2642-001-68085491–2011).

Топография поверхности

На следующем этапе исследовали топографию поверхности (далее – микропрофиль) нескольких групп образцов из сплава 1163-АТ после:

– проведения обезжиривания, травления и осветления;

– осаждения подслоя;

– нанесения электролитического никелевого покрытия.

В результате проведенных исследований показано, что выбор подслоя перед нанесением электролитического никелевого покрытия оказывает влияние на внешний вид и микропрофиль поверхности (рис. 1).

Для сравнения микропрофиля образцов с подслоем и электролитическим никелевым покрытием исследовали образец из сплава 1163-АТ без покрытия после обезжиривания, травления и осветления (рис. 2).

Рис. 2. Микропрофиль поверхности образца из сплава 1163-АТ после проведения подготовительных операций – травления и осветления

Нанесенное на сформированный цинкатный подслой (рис. 3, а, б) электролитическое никелевое покрытие характеризуется наличием узлов и отдельных глобул (рис. 3, в, г).

Рис. 3. Микропрофиль (×100) цинкатного подслоя (а, б) и электролитического никелевого покрытия толщиной 12 мкм, нанесенного на цинкатный подслой (в, г)

Нанесенное на сформированный никелевый подслой (рис. 4, а, б) электролитическое никелевое покрытие характеризуется грубой структурой профиля (рис. 4, в, г), поверхность более развита, чем при нанесении электролитического никелевого покрытия на цинкатный подслой.

Рис. 4. Микропрофиль (×100) никелевого подслоя (а, б) и электролитического никелевого покрытия толщиной 12 мкм, нанесенного на никелевый подслой (в, г)

Нанесенное на сформированный станнатный подслой (рис. 5, а, б) электролитическое никелевое покрытие более равномерно (рис. 5, в, г), плотность и размер глобул меньше, чем при нанесении электролитического никелевого покрытия на цинкатный подслой.

Рис. 5. Микропрофиль (×100) станнатного подслоя (а, б) и электролитического никелевого покрытия толщиной 12 мкм, нанесенного на станнатный подслой (в, г)

Нанесенное на подслой анодной пленки с высокой степенью пористости (рис. 6, а, б) электролитическое никелевое покрытие характеризуется наибольшей равномерностью (рис. 6, в, г), плотность и размер глобул меньше, чем при нанесении электролитического никелевого покрытия на цинкатный подслой.

Рис. 6. Микропрофиль (×100) подслоя анодной пленки с высокой степенью пористости (а, б) и электролитического никелевого покрытия толщиной 12 мкм, нанесенного на подслой анодной пленки с высокой степенью пористости (в, г)

Установлено, что электролитическое никелевое покрытие (рис. 3, в, г; рис. 4, в, г), осажденное на цинкатный и никелевый подслой (рис. 3, а, б; рис. 4, а, б), характеризуется более грубым микропрофилем поверхности по сравнению с подслоем (рис. 5, а, б; рис. 6, а, б), полученным станнатной обработкой и за счет формирования анодной пленки с высокой степенью пористости (рис. 5, в, г; рис. 6, в, г).

Шероховатость

Исследования микропрофиля образцов из сплава 1163-АТ показали, что выбор подслоя (при прочих равных условиях технологического процесса) оказывает влияние на внешний вид и микропрофиль нанесенного электролитического никелевого покрытия, что согласуется с результатами измерения шероховатости подслоя и подслоя с электролитическим никелевым покрытием, приведенными в табл. 1.

Таблица 1

Результаты измерения шероховатости поверхности после получения подслоя

и нанесения никелевого покрытия толщиной 12 мкм на сформированный подслой

Отмечено, что наименьшее развитие шероховатости выявлено на образце с подслоем, сформированным путем получения анодной пленки с высокой степенью пористости и у образца с подслоем, полученным станнатной обработкой.

Из данных табл. 1 видно, что в результате нанесения электролитического никелевого покрытия толщиной 12 мкм наблюдается эффект снижения шероховатости поверхности на образцах во всех рассматриваемых вариантах получения подслоя. Наибольшее снижение шероховатости отмечено на образце с подслоем, сформированным путем получения анодной пленки с высокой степенью пористости.

Адгезия

На следующем этапе исследовали одну из основных физико-механических характеристик любого покрытия – его адгезию с подложкой. Для изучения влияния способов подготовки поверхности сплава 1163-АТ на адгезию электролитического никелевого покрытия выбран ряд методов, позволяющих определить количественные и качественные показатели прочности сцепления системы «подслой–электролитическое никелевое покрытие» к подложке из сплава 1163-АТ (метод отрыва, метод изгиба, метод определения прочности покрытий при ударе).

Метод отрыва

Принцип метода отрыва основан на определении удельного усилия, необходимого для отрыва покрытия от подложки либо для когезионного разрушения покрытия.

После отрыва упора приклеенного к образцу на экране прибора фиксируется значение усилия отрыва в МПа. Полученные результаты, приведенные в табл. 2, дают количественное представление об адгезии электролитического никелевого покрытия к подложке из сплава 1163-АТ.

Таблица 2

Результаты испытаний на адгезию по методу отрыва

Показано, что подслой, сформированный за счет получения анодной пленки с высокой степенью пористости, способен обеспечить адгезию электролитического никелевого покрытия к подложке, превышающую адгезию клея к образцу без разрушения и отслаивания электролитического никелевого покрытия (рис. 7). На рис. 7, а обозначена зона исследования микропрофиля электролитического никелевого покрытия. 

Рис. 7. Внешний вид никелированного образца с подслоем анодной пленки с высокой степенью пористости после испытания на отрыв рядом с контактной площадкой упора (а) и микропрофиль покрытия в зоне отрыва упора (б)

Цинкатный подслой способен обеспечить адгезию электролитического никелевого покрытия к подложке на уровне не более 13 МПа, превышение усилия отрыва приводит к частичному разрушению покрытия.

Рис. 8. Внешний вид никелированного образца с цинкатным подслоем после испытания на отрыв рядом с контактной площадкой упора (а) и микропрофиль покрытия на границе отрыва упора (б)

На рис. 8, а обозначена зона исследования микропрофиля на границе раздела «подложка из сплава 1163-АТ–цинкатный подслой–электролитическое никелевое покрытие». Из данных рис. 8 видно, что отслаивание электролитического никелевого покрытия, по-видимому, произошло от цинкатного подслоя, поскольку морфология поверхности подложки тождественна морфологии поверхности цинкатного подслоя (рис. 3, а, б) до нанесения гальванического покрытия и визуально отличается от морфологии поверхности образца из сплава 1163-АТ (рис. 2, а, б), что может свидетельствовать о недостаточной адгезии в системе «подслой–покрытие».

Никелевый (рис. 9) и станнатный подслой (рис. 10) не обеспечивают адгезию электролитического никелевого покрытия к подложке из сплава 1163-АТ, по-видимому, из-за химического состава сплава.

Рис. 9. Внешний вид никелированного образца с никелевым подслоем после испытания на отрыв рядом с контактной площадкой упора (а) и микропрофиль покрытия на границе отрыва упора (б)

На рис. 9, а обозначена зона исследования микропрофиля на границе раздела «подложка из сплава 1163-АТ–никелевый подслой–электролитическое никелевое покрытие». Из данных рис. 9 видно, что отслаивание электролитического никелевого покрытия, по-видимому, произошло от никелевого подслоя, поскольку морфология поверхности подложки тождественна морфологии поверхности никелевого подслоя (рис. 4, а, б) до нанесения гальванического покрытия и визуально отличается от морфологии поверхности образца из сплава 1163-АТ (рис. 2), что может свидетельствовать о недостаточной адгезии в системе «подслой–покрытие».

Рис. 10. Внешний вид никелированного образца со станнатным подслоем после испытания на отрыв рядом с контактной площадкой упора (а) и микропрофиль покрытия на границе отрыва упора (б)

На рис. 10, а обозначена зона исследования микропрофиля на границе раздела «подложка из сплава 1163-АТ–станнатный подслой–электролитическое никелевое покрытие». Из данных рис. 10 видно, что отслаивание электролитического никелевого покрытия вместе со станнатным подслоем, по-видимому, произошло от подложки образца из сплава 1163-АТ, поскольку морфология подложки тождественна морфологии, представленной на рис. 2, что может свидетельствовать о недостаточной адгезии в системе «подслой–подложка».

Метод изгиба

Наиболее простым и технологичным методом качественной оценки адгезии гальванических покрытий можно считать метод изгиба. В табл. 3 приведены результаты, полученные в ходе испытаний образцов с подслоем и электролитическим никелевым покрытием.

Таблица 3

Результаты испытаний на адгезию по методу изгиба

Полученные данные согласуются со значениями адгезии по методу отрыва и дают оценочную характеристику прочности сцепления электролитического никелевого покрытия с подложкой.

Метод определения прочности покрытий при ударе

В табл. 4 приведены результаты, полученные в ходе испытаний образцов с электролитическим никелевым покрытием, нанесенным на рассмотренные ранее варианты подслоя, методом определения прочности покрытий при ударе.

Значение прочности покрытия при ударе определяется фактическим значением энергии удара груза по образцу с покрытием.

Таблица 4

Результаты испытаний прочности покрытий при ударе

Показано, что все образцы из сплава 1163-АТ с электролитическим никелевым покрытием, нанесенным на рассмотренные ранее варианты подслоя (цинкатный, никелевый, станнатный, анодная пленка с высокой степенью пористости), выдержали испытание на прочность покрытия при ударе – по итогам испытаний растрескивания или отслаивания гальванического покрытия от подложки не выявлено (рис. 11), что свидетельствует о высокой устойчивости электролитического никелевого покрытия, нанесенного на образцы из сплава 1163-АТ, к динамическим нагрузкам.

Рис. 11. Внешний вид отпечатка бойка на никелированном образце после испытания
на прочность покрытий при ударе

Заключения

Установлено, что подслой, сформированный путем получения анодной пленки с высокой степенью пористости, способен обеспечить адгезию электролитического никелевого покрытия к подложке, превышающую адгезию клея к образцу, без разрушения и отслаивания гальванического покрытия.

Показано, что электролитическое никелевое покрытие, нанесенное на подслой, полученный станнатной обработкой или никелевой цементацией, уступает по адгезионной прочности подслою, полученному цинкатной обработкой или путем формирования анодной пленки с высокой степенью пористости.

Показано, что при проведении испытаний на адгезию методом отрыва отслаивание электролитического никелевого покрытия, по-видимому, происходит не от подложки, а от цинкатного и никелевого подслоя.

Установлено, что выбор подслоя (при прочих равных условиях технологического процесса) влияет на внешний вид и микропрофиль нанесенного электролитического никелевого покрытия.

Установлено, что в результате нанесения электролитического никелевого покрытия на образцы из сплава 1163-АТ толщиной 12 мкм наблюдается эффект снижения шероховатости поверхности на образцах. Наибольшее снижение шероховатости отмечено на образце с подслоем, сформированным путем получения анодной пленки с высокой степенью пористости.

Определена устойчивость электролитического никелевого покрытия, нанесенного на образцы из сплава 1163-АТ, к динамическим нагрузкам во всех рассматриваемых вариантах получения подслоя.