快速刻蚀法增强铝合金粘接性能研究.pdf

第14卷第2 期2024年2 月doi:10.3969/j.issn.2095-1744.2024.02.003有色金属工程Nonferrous Metals EngineeringVol.14,No.2February2024快速刻蚀法增强铝合金粘接性能研究梁智勇1，黄琦睿1，成鹏军1，蒋华精1，罗2.吉首大学先进装备轻量化与智能化研究中心，湖南吉首416 0 0 0)摘要：为高效率增强铝锂合金粘接性能，采用氯化铜快速刻蚀法构筑试样表面形貌特性，并对不同改性表面微观形貌、粗糙特性、润湿性能以及其胶接接头强度性能进行对比分析。结果表明，相对于原始表面和砂纸打磨方法，快速刻蚀能够有效增强试样表面润湿性能和粘接强度，刻蚀时间为5、10 和15s时相对于未处理试样胶接接头强度分别提升2 17.6%、2 45.9%与2 7 0.3%，刻蚀时间的增长有助于凹凸阶梯状形貌的构筑和表面粗糙度的增加，从而提升胶接界面实际接触面积与机械啮合力，促进胶粘剂在基板表面的渗透与粘附，进而提高胶接接头的强度性能。关键词：铝锂合金；快速刻蚀；粗糙特性；胶接强度中图分类号：TG491Study on Improving the Adhesion Performance of Aluminum Alloy能1,伊亚健1,张韩1,毕仁贵1.2,李剑1（1.吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首416 0 0 0；文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-17 44(2 0 2 4)0 2-0 0 17-0 7by Rapid Etching MethodLIANG Zhiyong,HUANG Qirui,CHENG Pengjun,JIANG Huajing,LUO Neng,YI Yajian,ZHANG Han,BI Renguil.?,LI Jian(1.College of Physics and Electromechanical Engineering,Jishou University,Jishou 416000,China;2.Research Center of Lightweight and Intelligence for Advanced Equipment,Jishou University,Jishou 416000,China)Abstract:To efficiently enhance the bonding performance of aluminum lithium alloy,the surface morphologycharacteristics of the samples were constructed by copper chloride rapid etching method.The microstructure,roughness characteristics,wetting performance,and bonding joint strength performance of different modified surfaceswere compared and analyzed.The results show that compared to the original surface and sandpaper grinding method,rapid etching can effectively enhance the surface wettability and adhesive strength of the sample.When the etchingtime is 5,10,and 15 s,the strength of the adhesive joint of the untreated sample is increased by 217.6%,245.9%,and 270.3%,respectively.The increase of etching time contributes to the construction of concave convex steppedmorphology and the increase of surface roughness,thereby improving the actual contact area and mechanicalinterlocking of the bonding interface,promoting the penetration and adhesion of the adhesive on the substratesurface,and thereby improving the strength performance of the bonding joint.Key words:Al-Li alloy;rapid etching;rough characteristics;bonding strength收稿日期：2 0 2 3-10-18基金项目：国家自然科学基金资助项目（52 2 6 50 19）；国家大学生创新创业训练计划项目（2 0 2 2 10 5310 0 8）；湖南省自然科学基金（2 0 2 2 J40341）；湖南省教育厅优秀青年项目（2 3B0530）Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China(52265019);National College Student Innovation and EntrepreneurshipTraining Program Project(202210531008);Natural Science Foundation of Hunan Province(2022JJ40341);Excellent Youth Project of HunanProvincial Department of Education(23B0530)作者简介：梁智勇（2 0 0 2 一），主要从事铝合金胶接工艺研究。通信作者：李剑（19 8 6 一），博士，副教授，主要从事轻量化连接技术研究。引用格式：梁智勇，黄琦睿，成鹏军，等，快速刻蚀法增强铝合金粘接性能研究J.有色金属工程，2 0 2 4，14（2）：17-2 3.LIANG Zhiyong,HUANG Qirui,CHENG Pengjun,et al.Study on Improving the Adhesion Performance of Aluminum Alloy by Rapid EtchingMethodJ.Nonferrous Metals Engineering,2024,14(2):17-23.18随着我国经济的快速发展和对节能环保要求的逐渐提高，结构轻量化已成为航空航天、交通运载等工业领域的发展趋势。零部件连接技术的轻量化是实现整机轻量化的重要途径，传统的螺栓连接与铆接技术不利于设备的减重，且需要在机体上进行破坏性打孔，容易出现应力集中与裂纹，而焊接工艺在铝合金、复合材料等轻型材料的连接上局限性较大，与传统连接技术相比，胶接结构具有承载面积大、应力分布均匀、材料适应性好等优点，且在连接成型中无需较大地破坏材料本身属性，因此胶接技术的应用引起了工业领域轻量化研究的关注。胶接构件良好的强度性能是实现胶接技术应用的关键，胶接接头的强度性能不仅与胶粘剂的力学属性有关，而且与粘接的界面属性有较大关联，良好的被粘物表面特性是形成稳定粘接界面的关键，利用不同表面处理方式对胶接基板表面进行形貌改性是提高胶接强度的有效途径，得到学者们的广泛研究。LI等1I与PAN等2 利用砂纸打磨和喷砂工艺对胶接基板表面进行处理，发现粗化后的接头强度有较大提高，呈现内聚破坏模式。RIDER等31通过氢氧化钠刻蚀、无铬硫酸、重铬硫酸刻蚀铝合金，发现无铬硫酸刻蚀的铝合金具备最好的胶接强度。SPERANDIO等4通过实验分析认为等离子对铝合金的表面处理提高了其自由能和极性分量，从而提升表面粘附性能。张玺等L5采用不同的化学处理方法对镁合金表面进行改性，相对于砂纸打磨能够FeSi0.0280.0141.2表面处理利用乙醇清洗去除铝锂合金试样表面油污，再通过砂纸打磨去除表面氧化层，去离子水洗净吹干备用。把预处理好的铝锂合金试样分别浸泡在1mol/L氯化铜溶液中5、10 和15s进行刻蚀反应，浸泡后的试样利用超声波去离子水冲洗去除表面覆盖的铜，获取试样刻蚀表面，随后放人干燥箱中，在60下干燥30 min。1.3表面自由能利用Theta-Biolin型光学接触角测试仪对不同试样表面进行接触角测量，采用座滴法以蒸馏水与二碘甲烷为测试液体在试样表面测量其接触角数有色金属工程较大程度地提升镁合金表面润湿性和粘接强度。刘良威等6 对粘接基板表面进行激光处理，发现改性后胶接接头强度显著提高。刘可欣等7 还对表面处理模式下的铝合金复合连接方式进行探索，合适的表面模式对不同复合接头强度有一定的促进作用。施棋辉等8 对被连接基板进行内表面毛化处理，通过提高单位面积上的微结构与胶粘剂的互锁面积比例以提高胶接能力。XU等9 认为磷酸阳极化铝合金表面比酸碱刻蚀更能显著提高接头强度。在众多的表面处理模式中，酸、碱刻蚀对环境污染比较重，等离子、激光等技术对设备要求比较高，电化学处理对强度提升比较明显，但其工艺流程复杂且对环境并不友好，因此选用一种快速简便且对环境比较友好的表面处理模式十分有必要。本文采用中性氯化铜溶液对铝锂合金进行表面快速刻蚀，分析不同时间刻蚀对基板表面微观形貌、粗糙特性、润湿性能等理化特性的影响，探索快速刻蚀增强铝锂合金胶接强度的作用机理与影响规律。1实验材料及方法1.1材料胶接基板采用铝锂合金材料，其主要化学成分如表1所示，通过线切割制备成10 0 mmX25mm2mm尺寸试样，胶粘剂选用美国Cytec公司生产的0.2mm厚度FM94环氧薄膜胶，该胶粘剂具有良好的韧性、耐热性和较高的力学性能，应用广泛。表1铝锂合金基板化学组成Table 1Chemical compositions of Al-Li alloyCuMn3.640.29第14卷/wt%MgAg0.510.32值。每次滴定的液体为 4 uL，,在 10 s内完成测试，每个试样选取三个不同位置进行测量，取平均值作为最终接触角值。蒸馏水与二碘甲烷的色散力与极性力参数如表2 所示。表2 测试液体表面自由能参数Table 2 Surface free energy parameters of the tested liquid/(mJ m-2)Test liquidYLDistilled water72.8Diodomethane50.8表面自由能数值可以通过试样表面不同测试液体的接触角测量值间接获取。计算方法如下10 1：Zn0.46Li1.38Zr0.12Ti0.02621.850.8A1Bal.51.00第2 期金属表面接触角的测试是基于Young方程sv=sL+LVcose浸润的实质是液体在金属表面的粘附，粘附功可以定义为：W.=Ysv+LV-L式中，sL.表示固液界面张力，YLv表示液气界面张力，sv表示固气界面张力，0 为表观接触角。联立式(1)与(2)可得：Wa=YLv(1+cos0)而粘附功又可以用两相中各自极性分量和色散分量来表示：Wa=2Vsviv+2Vysvlv式中，ysv与iv分别为固体、液体表面自由能色散部分，sv与v分别为固体、液体表面自由能极性部分。联合式（3)和（4），通过实验获取的蒸馏水与二碘甲烷表面接触角数值，基于Owens-Wendt模型，表面自由能可联立式（5)到（8)计算所得：Y1=(1+cos0)=2Vs1+2V$(x)=V(1+0)(1+0a)2(Vya-VYayu)(6)(s)0.5=(1+cos0)-2/Y(7)2/Ys=ys+Ys在上述公式中,其中ys、a、和y分别代表固体、二碘甲烷和蒸馏水的色散力；、和分别代表固体、二碘甲烷和蒸馏水的极性力；和w为二碘甲烷和蒸馏水的表面自由能，而Q和Qw则分别代表二碘甲烷和蒸馏水在固体表面上的接触角。1.4表面形貌特性采用三维表面白光轮廓仪（WYKONT9100，Veeco Metrology Inc,America)获取试样表面粗糙度特性，对试样表面进行不同位置的三次测量，取其平均值作为最终测量结果。利用扫描电子显微镜（SEM,T ESC A N,M I R A 3）获取不同试样表面微观形貌结构。1.5接头强度分析把处理好的基板制备成单搭接胶接试样，其尺寸如图1所示，粘接区域为12.5mm25mm，胶接试样利用自制的夹具施加0.2 8 MPa的压力在12 0 梁智勇等：快速刻蚀法增强铝合金粘接性能研究(1)（2）(3)(4)(5)(8)19加热炉中固化6 0 min，随后随炉冷却。通过万能力学试验机CMT5504对固化成型良好的胶接接头进行强度分析，强度测试重复4组，以其平均值作为胶接接头的最终强度值。10021SubstrateBondingarea图1单搭接胶接接头示意图（单位：mm)Fig.1Schematic diagram of single lap bonding joint(Unit:mm)2结果与讨论2.1表面微观形貌分析图2 所示为铝锂合金试样砂纸打磨和氯化铜溶液中不同刻蚀时间表面微观形貌结构特性。图2(a)为砂纸打磨表面微观结构，砂纸打磨在去除氧化层的同时在试样表面留下不规则的沟槽，原材料被刮出，增加了原始表面的粗糙度。图2（b）、(c）、（d)为氯化铜刻蚀试样表面微观形貌，铝合金在氯化铜溶液中发生化学反应而不断溶解，在表面形成凹凸的阶梯状形貌，能够有效增大试样表面的粗糙特性。刻蚀时间为5s时，试样表面已经初步形成阶梯状形貌特征，但仍存在大部分未溶解区域；刻蚀时间为10 s时，铝锂合金试样表面已经呈现较为完整直观的阶梯状凹凸微观形貌；刻蚀时间为15s时，铝表面在溶液中继续溶解，阶梯状凹凸结构更为明显，能够看到较为直观的凹坑结构。从试样表面微观形貌可以发现氯化铜刻蚀增加了试样表面的粗糙特性和实际表面积，有利于提升胶粘剂与试样表面的实际接触面积与机械嵌合力，从而对胶接强度的提升起到一定的积极作用。2.2表面粗糙特性分析图3为试样不同模式处理获取的表面粗糙度轮廓，试样表面显示的粗糙轮廓特征与其微观形貌结构呈现较明显的对应关系。砂纸打磨表层呈现深浅交替的微观刮痕，表面轮廓波动幅度较小，平均粗糙度值为0.47 m。氯化铜刻蚀表面因剧烈的化学反应使得表面铝溶解较多，不规则的溶解状态导致表面粗糙度轮廓有较大的波动状态，浸泡时间为5sAdhesive0.2510012.5Substrate220有色金属工程第14卷(b)SEMHV:20.0kVSEMMAG:10.0kxWD:14.94mmDet:SELLLJMIRA3TESCAN5umPerformance in nanospaceSEMHV:20.0kVSEMMAG:10.0kx(d)WD:20.42mmDet:SELLLLLIJMIRA3TESCAN5umPerformance in nanospaceSEMHV:20.0kVSEMMAG:10.0kx图2 不同处理试样表面微观形貌(a)砂纸打磨;(b)刻蚀5 s;(c)刻蚀10 s;(d)刻蚀15 sFig.2The SEM surface morphology images of samples with different treatments(a)sandpaper grinding,(b)etching for 5 s,aWD:14.82mmDet:SELLLLLLLJMIRA3TESCAN5umPerformanceinnanospace(c)etching for 10 s,(d)etching for 15 s5umSEMHV:20.0kVSEMMAG:10.0kx(b)WD:20.66mmDet:SELLLLLLLJMIRA3TESCAN5umPerformance in nanospaceum01.30.91.30.90mm0.98um1501.3170mm22(d)um-01.30.928230 mm图3不同处理试样表面粗糙特性(a)砂纸打磨;b)刻蚀5 s;(c)刻蚀 10 s;(d)刻蚀 15 sFig.3 Surface roughness profile of samples with different treatments(a)sandpaper grinding,(b)etching for 5 s,(c)etching for 10 s,(d)etching for 15 s0mm第2 期时因为溶解并未完全，凸台与凹坑形貌未完全呈现，粗糙度值为1.12 m；刻蚀时间达到10 s时，铝合金表面在溶液中溶解比较充分，呈现较为明显的凹凸轮廓，粗糙度有所增加，达到1.6 4m；试样持续浸泡刻蚀15 s时,试样表面凹凸结构不断溶解反应，因其溶解速度的不规则性导致部分凸台和凹坑尺寸持续增大,粗糙度特性进一步加大，其平均粗糙度值为2.2 5m。综合现有文献分析，试样表面粗糙度特性的增大有利于提升胶粘剂与被粘物表面的接触面积以及界面机械咬合力，从而增强胶接接头的连接强度。2.3表面润湿性分析试样表面的润湿性能够通过表面接触角和表面自由能的数值水平来体现，良好的润湿性更有利于胶粘剂在胶接界面的渗透与结合，从而促进胶接强Table 3 Contact angle and corresponding surface free energy of the samplesSurface treatment methodsContactangles/()Original surface64.2Sandblasting49.3Etching for 5s40.3Etching for 10 s36.5Etching for 15 s33.3(a)CA=45.0梁智勇等：快速刻蚀法增强铝合金粘接性能研究表3试样表面接触角与相应表面自由能Contact angle of diodomethane/()(b)21度的提升。试样表面接触角测试值及相应表面自由能数值如表3所示，图4为其接触角测量结果。从实验结果可以看出，试样去油污后的原始表面润湿性能较为一般，在通过打磨和氯化铜刻蚀改性后，试样表面润湿性能有不同程度的提高，刻蚀表面接触角数值较原始表面下降了接近50%，具备较好的润湿性与粘附性。原始试样表面自由能最低为45.7mJ/m,砂纸打磨、氯化铜刻蚀5、10 和15s改性后表面自由能相对应原始表面分别提升了24.3%、41.4%、48.6%与54.3%，说明表面改性对试样表面自由能有较大改善，能够积极促进表面的润湿性与粘附力，同时随着刻蚀时间增加，试样表面粗糙度增加，凸台和凹坑形貌越加清晰，增加了表面实际接触面积，从而一定程度上提升了试样表面润湿性能。Surface free energy/(mJ:m-2)52.745.035.128.123.245.756.864.667.970.5CA=35.1(c)CA=28.1(d)CA=23.2图4不同处理试样表面接触角测试结果(a)砂纸打磨;(b)刻蚀5s;(c)刻蚀10 s;(d)刻蚀15 sFig.4 Contact angle of samples with different treatments(a)sandpaper grinding,(b)etching for 5 s,(c)etching for 10 s,(d)etching for 15 s2.4接头强度性能分析通过准静态拉伸测试分析不同表面形貌试样胶接接头的强度性能，结果如表4所示。未处理试样胶接接头强度性能最弱为7.4MPa，经不同表面改性后试样胶接强度有了明显提高，相对原始胶接试样，砂纸打磨与氯化铜刻蚀5、10、15s后的胶接接头强度分别提升137.8%、2 17.6%、2 45.9%与270.3%。砂纸打磨在试样表面构筑不规则的刮痕，增加了试样表面的粗糙度和沟壑形貌，对试样粘接性和强度性能有所提升，但提升幅度较为有限；氯化铜充分刻蚀后的试样表面粗糙特性和微观形貌结构得到很大的改善，增加了胶粘剂在试样表面的铺展面积与嵌合性,胶粘剂在界面的渗透性与粘合性能得到较大的提升，对胶接接头的强度提升起到较大的促进作用。22Surface treatmentShear strength胶接接头的断裂模式与胶层微观形貌如图5所示。未处理表面接头断裂模式为典型的界面失效，几乎沿着铝锂合金界面断裂，说明试样表面粘附性能较弱，粘接强度差。氯化铜刻蚀15s改性胶接接头具有较好的粘接强度，界面断裂形貌在边缘有部分界面失效模式，但其余部分仍显有色金属工程表4不同表面处理方法胶接接头剪切强度Table 4SShear strength of adhesive joints with different surface treatmentsOriginal surfaceEtching for 10 s7.417.6第14卷/MPaSandblastingEtching for5s23.5示较好的内聚失效形式，从其胶层断裂的微观形貌可以看处，断裂胶层呈现典型的撕裂蜂窝状形貌，说明胶粘剂具备较强的承力能力，刻蚀构筑的粗糙形貌增大了试样表面与胶粘剂的接触面积以及机械啮合力，与胶粘剂形成较为稳定的粘附界面。Etching for15s25.627.4(a)Interfacial failureSEMHV:20.0kVSEMMAG:1.00kx(a)Mixedfailure图5胶接接头断裂形貌(a)未处理表面;(b)刻蚀15s;(c)断裂胶层微观形貌Fig.5 Fracture morphology of adhesive joints(a)untreated surface,(b)etching for 15s,(c)micro morphology of3结论1)氯化铜刻蚀能够快速构筑铝合金试样表面形貌与粗糙特性，提高试样表面润湿性能和粘附性，刻蚀时间5、10 和15s时试样表面自由能相对于未处理表面分别提升了41.4%、48.6%与54.3%，其胶接强度相对于未处理表面接头强度分别提升了217.6%、2 45.9%与2 7 0.3%，刻蚀试样接头断裂形貌呈现较好的混合断裂模式，具有良好的界面粘附性。2)铝锂合金试样在氯化铜溶液中刻蚀时间的增长有助于表面铝合金的溶解，形成稳定的凸凹阶梯状结构形貌,粗糙度的增加能够提升胶接界面实际接触面积与机械啮合力，促进胶粘剂在基板表面的渗透与粘附,从而提高试样的表面润湿性能与胶接力学强度。WD:24.35mmDet:SE(c)fractured adhesive layer参考文献：11LI J,LI Y B,HUANG M H,et al.Improvement ofaluminum lithium alloy adhesion performance based onsandblasting techniques JJ.International Journal ofAdhesion and Adhesives,2018,84:307-316.21PAN Y,WU G,HUANG Z,et al.Effect of surfaceroughness on interlaminar peel and shear strength ofCFRP/Mg laminates J.International Journal ofAdhesion and Adhesives,2017,79:1-7.3RIDER A N,ARNOTT D R.Boiling water and silanepre-treatment of aluminium alloys for durable adhesivebonding J.International Journal of Adhesion&Adhesives,2000,20(3):209-220.4SPERANDIO C,BARDON J,LAACHACHI A,et al.Influence of plasma surface treatment on bond strengthbehavior of an adhesively bonded aluminium-epoxysystem J.International Journal of Adhesion&LLLLILLJMIRA3TESCAN50 mPerformance in nanospace第2 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