TA15鈦合金腐蝕加工工藝研究

林 翠,梁 靜,趙 晴,杜 楠,王力強(qiáng)

(1南昌航空大學(xué)輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室,南昌330063;2成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))公司工程制造部,成都610092)

TA15鈦合金腐蝕加工工藝研究

林 翠1,梁 靜1,趙 晴1,杜 楠1,王力強(qiáng)2

(1南昌航空大學(xué)輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室,南昌330063;2成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))公司工程制造部,成都610092)

篩選出TA 15腐蝕加工液的配方,探討腐蝕加工液的調(diào)整和壽命。結(jié)果表明:TA 15的腐蝕加工液配方為HF 30g/L,HNO3150g/L,添加劑平平加0.5g/L。隨腐蝕加工的進(jìn)行,溶液中主要成分減少,鈦離子含量增加,會影響腐蝕加工工藝性能和腐蝕加工后試樣的表面質(zhì)量,因此需要定期對腐蝕加工液進(jìn)行調(diào)整。鈦離子含量每增加5g/L補加10g/L HF,10g/L HNO3,初始量1/5的添加劑。當(dāng)溶液中鈦離子含量為50g/L時,達(dá)到槽液加工壽命。

TA 15;腐蝕加工;配方;槽液調(diào)整和壽命

TA 15鈦合金材料具有比重輕、強(qiáng)度高、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良的力學(xué)、物理性能,在軍事工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用,但由于機(jī)械加工困難,制約了它的應(yīng)

用[1-3]。

腐蝕加工是特種加工工藝的一種,它通過化學(xué)反應(yīng)有選擇、可控制地切除金屬[4-7]。腐蝕加工技術(shù)和其他技術(shù)相比,工藝簡單,比較容易實現(xiàn),生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率較高,同時具有無刀具損耗、無切削應(yīng)力等優(yōu)點,因此成為制造領(lǐng)域中的一項重要技術(shù)。目前腐蝕加工主要應(yīng)用于:加工薄和大面積的零件;不能和難于用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法加工的材料;加工型面復(fù)雜的零件;減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

1771年,斯契爾發(fā)現(xiàn)了氫氟酸,這為機(jī)械加工困難的鈦合金提供了腐蝕加工的可能[8-11]。20世紀(jì)60年代中期,腐蝕加工成為一種非常有實用價值的生產(chǎn)加工方法,美國、英國、法國、俄羅斯等國相繼開始進(jìn)行鈦合金腐蝕加工的相關(guān)研究[12-15]。

本工作從鈦合金腐蝕加工工藝的基本原理著手,對TA 15腐蝕加工溶液配方及槽液壽命等進(jìn)行了探討。篩選出適合TA 15腐蝕加工的基礎(chǔ)溶液,通過正交實驗進(jìn)一步確定了TA 15腐蝕加工液的配方。腐蝕加工過程中溶液中的成分不斷消耗,同時鈦離子不斷增加,這會影響腐蝕加工工藝性能和腐蝕加工后試樣的表面質(zhì)量,因此必須對腐蝕加工液進(jìn)行控制。當(dāng)腐蝕加工的表面質(zhì)量和腐蝕加工速度達(dá)不到要求時,必須對溶液進(jìn)行補加來維護(hù)正常腐蝕加工。當(dāng)鈦離子含量增加到一定值后,通過調(diào)整無法恢復(fù)腐蝕加工速度或腐蝕加工所要求的表面粗糙度、平整度等性能指標(biāo),此時達(dá)到了該溶液的腐蝕加工壽命,溶液需報廢重配,所以本工作還摸索了TA 15腐蝕加工槽液的調(diào)整方法和壽命。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

實驗選用TA 15板材,其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為: A l 6.0,V 1.5,Mo 1.3,Zr 2.0,余量為Ti。試樣尺寸為70mm×50mm×1.5mm。

1.2 腐蝕加工工藝流程

化學(xué)除油→酸洗→涂保護(hù)膠→固化→刻型→剝離保護(hù)膠→腐蝕加工→清洗→干燥→清理→驗收。

(1)化學(xué)除油

除去各類油脂,各種標(biāo)記和其他污染。除油溶液: NaOH 40g/L,Na2CO325g/L,Na3PO440g/L,Na2SiO35g/L,溫度70～90℃,時間10～20min。

(2)酸洗

除去大約5μm金屬,獲得新鮮光亮的金屬表面。配方:HNO3(ρ=1.42g/cm3):40%,HF(40%):2%～5%,常溫,時間1～3m in。

(3)涂保護(hù)膠

調(diào)整保護(hù)膠黏度70～90s,環(huán)境應(yīng)干凈無塵,每層力求薄而均勻。每涂一遍停放干燥20～30min后,再重復(fù)三或四次,使涂層的厚度達(dá)到0.3mm,最好在24h內(nèi)涂完。

(4)刻型

使用手術(shù)刀刻型時,刀身必須緊緊地靠在樣板上且與工件的表面垂直?？叹€完后,去掉需要加工部分的保護(hù)層。

(5)腐蝕加工

腐蝕加工過程中需將溫度控制在(30±3)℃范圍內(nèi),同時施加攪拌。為了防止試樣在槽液中產(chǎn)生擺動,設(shè)計了專門的掛具,從而保證試樣在腐蝕加工過程中位置固定,不受攪拌的影響。TA 15鈦合金腐蝕加工裝置如圖1所示。

(6)漂洗、干燥和剝?nèi)ケＷo(hù)層

鈦合金腐蝕加工后,應(yīng)立即用流動的冷水清洗,以中止反應(yīng)。然后浸入潔凈的沸水中,取出干燥。最后用手剝?nèi)ケＷo(hù)層,保證試樣潔凈。

1.3 性能測試

(1)腐蝕加工速度

腐蝕加工速度以單位時間的腐蝕加工深度來表示。腐蝕加工前用35DL超聲波測厚儀測試試樣的原始厚度,將試樣放入腐蝕加工溶液中一段時間后,從溶液中取出,蒸餾水沖洗后,冷風(fēng)吹干,測試腐蝕加工后的試樣厚度,用式(1)計算腐蝕加工速度v(μm/min):

式中:h0為試樣原始厚度;h1為腐蝕加工一段時間后的試樣厚度;t為腐蝕加工時間。

圖1 TA 15鈦合金腐蝕加工裝置圖Fig11 Experimental set2up of corrosion p rocessing of TA 15 titanium alloy

(2)表面粗糙度

表面粗糙度對鈦合金基體的拉伸強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能會產(chǎn)生影響,因此一般要求其Ra≤116μm。Ra用Surtronic電動輪廓儀測量。

(3)表面平整度

使用35DL超聲波測厚儀測量試樣腐蝕加工區(qū)域厚度最薄和最厚之差,得到腐蝕加工區(qū)域的厚度公差。

2 結(jié)果和討論

2.1 基礎(chǔ)腐蝕加工液的選擇

鈦合金在堿溶液和大多數(shù)有機(jī)酸、無機(jī)鹽溶液中的耐蝕性很高,但在還原性酸溶液中容易發(fā)生腐蝕,其中HF溶液對鈦合金的腐蝕性最強(qiáng)。為了確定基礎(chǔ)腐蝕加工液,對HF型和HF2HNO3型兩種基礎(chǔ)腐蝕加工液腐蝕加工后材料的性能進(jìn)行對比,結(jié)果列于表1中。其中HF型腐蝕加工液的加工速度慢,加工的試樣表面發(fā)暗,HF2HNO3型腐蝕加工液加工速度快,加工的試樣表面光亮,所以,選擇使用HF2HNO3型腐蝕加工液。

表1 HF和HF2HNO3型基礎(chǔ)溶液腐蝕加工結(jié)果Table 1 The result of corrosion p rocessing w ith HF and HF2HNO3 basic solutions

2.2 腐蝕加工液配方的確定

HF2HNO3型腐蝕加工液中HF作為腐蝕劑, HNO3作為氧化劑,為了獲得較低的表面粗糙度和消除加工缺陷需要在腐蝕加工溶液中加入添加劑,選擇加入添加劑平平加AS。

利用正交實驗研究分析槽液中組分的不同濃度水平和腐蝕加工后性能的關(guān)系,以得出TA 15腐蝕加工槽液的最佳配方。以腐蝕加工液中這三種組分作為實驗中的因素,每個因素設(shè)定三個水平,即選用三因素三水平L9(33)正交表安排實驗。

為衡量腐蝕加工的工藝質(zhì)量,實驗結(jié)果的評定指標(biāo)為:腐蝕加工速度;表面粗糙度;表面質(zhì)量,此項以打分計算,平整光亮,沒有任何表面缺陷為100分,有嚴(yán)重缺陷為60分以下。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 正交實驗結(jié)果Table 2 The result of o rthogonal experiment

對正交實驗中的每項因素進(jìn)行極差分析,區(qū)分因素的主次,找出各因素的較優(yōu)水平和具有最佳加工效果的工藝。最后結(jié)合影響因素的主次性,分析尋找最佳配方。極差分析結(jié)果如表3所示,其中kⅠ1,kⅠ2, kⅠ3為各因素的第1,2,3水平所對應(yīng)的腐蝕加工速度之和的平均值,kⅡ1,kⅡ2,kⅡ3為各因素的第1,2,3水平所對應(yīng)的表面粗糙度之和的平均值,kⅢ1,kⅢ2,kⅢ3為各因素的第1,2,3水平所對應(yīng)的表面質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和的平均值,RⅠ,RⅡ,RⅢ為各因素的極差(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ代表腐蝕加工速度,表面粗糙度和表面質(zhì)量三個評定指標(biāo)), R=k最大-k最小,R越大說明該因素對評定指標(biāo)的影響越大。

表3 正交實驗極差分析結(jié)果Table 3 Range analysis of o rthogonal experiment

從表3中數(shù)據(jù)可以看出:(1)影響腐蝕加工速度因素主次為:HF>HNO3>添加劑AS;(2)影響表面粗糙度因素主次為:HNO3>HF>添加劑AS;(3)影響表面質(zhì)量因素主次為:添加劑AS,HNO3>HF。

HF是影響腐蝕加工速度的主要因素,添加劑平平加對腐蝕加工表面質(zhì)量有較大影響,HNO3是影響表面粗糙度的主要因素。

通過正交實驗優(yōu)選出TA 15腐蝕加工液配方(5號實驗):HF 30g/L,HNO3150g/L,添加劑AS 0.5g/L。

確定了TA 15鈦合金腐蝕液最佳配方后,進(jìn)一步深入分析和探討腐蝕加工液中各成分的作用。圖2為HF濃度與腐蝕加工速度的關(guān)系曲線。腐蝕加工速度隨HF濃度的增加而增大,但當(dāng)HF濃度超過30g/L時,曲線上升趨勢減慢。HF濃度過低,腐蝕加工速度慢,影響生產(chǎn)效率,HF濃度過高,易造成腐蝕加工表面不平整。實驗中發(fā)現(xiàn)HF濃度高于40g/L時試樣表面出現(xiàn)缺陷。HF濃度對腐蝕加工試樣表面粗糙度無明顯影響。加入一定量的HNO3能加快腐蝕加工速度,HF為30g/L時腐蝕加工速度和粗糙度值與HNO3濃度的關(guān)系如圖3所示。腐蝕加工速度隨HNO3濃度的增加先上升后下降,在HNO3含量為150g/L時,腐蝕加工速度達(dá)到最大值。表面粗糙度隨HNO3濃度的增加而不斷下降。

當(dāng)槽液中不使用表面活性劑時,腐蝕加工邊緣會出現(xiàn)明顯的缺陷;當(dāng)槽液中添加AS時,表面平整光亮,腐蝕加工邊緣無缺陷。

2.3 槽液的調(diào)整和壽命

配制初始腐蝕加工液:HF 30g/L,HNO3150g/ L,添加劑AS 0.5g/L。試樣放入腐蝕加工液中進(jìn)行反應(yīng),測得腐蝕加工速度為13.8μm/m in,隨著反應(yīng)進(jìn)行腐蝕加工液中鈦離子含量不斷增加,腐蝕加工速度不斷降低,當(dāng)鈦含量為5g/L時,腐蝕加工速度為715μm/min左右,這時表面粗糙度、平整度等指標(biāo)雖然符合腐蝕加工的技術(shù)要求,但為了提高生產(chǎn)效率,須對槽液進(jìn)行調(diào)整。腐蝕加工液成分消耗按反應(yīng)式(1)計算后進(jìn)行補加:

補加成分為:10g/L HF,10g/L HNO3,初始量的1/5的添加劑。表4為第一次調(diào)整前后溶液中總酸度(H+)變化情況。補加后H+基本恢復(fù)到初始液濃度,速度由補加前7.5μm/min增加至12.5μm/min。

表4 第一次調(diào)整前后H+的濃度Table 4 Concentration of H+before and after the first adjustment

腐蝕加工液中鈦離子含量大約每增加5g/L需補加成分。圖4是整個腐蝕加工過程中腐蝕加工速度、表面粗糙度和深度差與鈦離子含量的關(guān)系圖,整個實驗過程中對槽液進(jìn)行了8次調(diào)整,從圖3中看出每次調(diào)整后腐蝕加工速度都可以提高到11～13μm/min。隨著腐蝕加工液中鈦離子含量的增加,表面粗糙度呈上升趨勢,平整度越變越差。當(dāng)鈦離子含量<20g/L時,表面粗糙度低于0.15μm,當(dāng)鈦離子含量>20g/L時,表面粗糙度在0.15～0.17μm的范圍內(nèi)波動,但整個腐蝕加工過程中表面粗糙度都低于0.2μm,變化較小。每次調(diào)整后,深度差比調(diào)整前有所降低,但整體呈增加趨勢。當(dāng)溶液中鈦離子含量達(dá)到50g/L時,腐蝕加工速度降低到8.5μm/min,深度差達(dá)到97μm,腐蝕加工試樣表面出現(xiàn)蝕溝缺陷和不平整的現(xiàn)象。此時無論如何調(diào)整溶液,TA 15表面都會出現(xiàn)不平整的情況,因此溶液需報廢重配。

綜上所述:為保證腐蝕加工的正常進(jìn)行,TA 15腐蝕加工液中鈦離子含量每增加5g/L需補加成分,補加方法:10g/L HF,10g/LHNO3,初始量為1/5的添加劑AS。溶液中鈦離子含量為50g/L時,達(dá)到槽液加工壽命。

3 結(jié)論

(1)TA 15腐蝕加工液配方為:HF 30g/L,HNO3150g/L,添加劑AS 0.5g/L。

(2)HF是影響腐蝕加工速度的主要因素,HNO3能降低表面粗糙度,HNO3濃度增大,表面粗糙度降低,表面活性劑AS有消除缺陷、提高腐蝕均勻性和平整度的作用。

圖4 整個腐蝕加工過程中腐蝕加工速度(a)、表面粗糙度(b)和平整度(c)的變化Fig.4 The variation of corrosion p rocessing rate(a), surface roughness(b)and evenness(c)during the period of corrosion p rocessing

(3)溶液中鈦離子含量每增加5g/L,補加HF 10g/L,HNO310g/L,初始量1/5的添加劑。補加后能提高腐蝕加工速度,改善表面平整度和表面粗糙度,延長腐蝕加工壽命。溶液中鈦離子含量為50g/L時,達(dá)到槽液加工壽命。

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聯(lián)系地址:南昌市豐和南大道696號南昌航空大學(xué)材料學(xué)院(330063),

E2mail:lincwi@sohu.com

Technology of Co rrosion Processing of TA 15 Titanium A lloy

L IN Cui1,L IANG Jing1,ZHAO Qing1,DU Nan1,WANG Li2qiang2
(1 National Defence Key Discip line Labo ratory of Light A lloy Processing Science and Technology,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China; 2 Department of Engineering M anufacture,Chengdu Aircraft Industrial Group Co.,Chengdu 610092,China)

The formula of corrosion p rocessing of TA 15 was selected.The adjustment and life span of solution w ere investigated.The results show that the fo rmula of co rrosion p rocessing is hydrofluo ric acid 30g/L,nitric acid 150g/L,additives peregal 0.5g/L.W ith continuous co rrosion p rocessing,the majo r ingredients concentration decreases,w hile the titanium ion concentration increases,w hich influ2 ences the technology p roperty of corrosion p rocessing and surface quality,therefore solution should be periodically adjusted.10g/L hydrofluo ric acid,10g/L nitrate acid,additives of one2fifth of initial vol2 ume are added to solution w hen the quantity of titanium ion increases 5g/L.The corrosion p rocessing solution reaches life span w hen titanium ion concentration is 50g/L.

TA 15;corrosion p rocessing;formula;solution adjustment and life span

TG146.2+3

A

100124381(2010)0820051205

航空科學(xué)基金資助項目(2009ZE56010);江西省教育廳青年科學(xué)基金資助項目(GJJ09495)

2009203224;

2010203207

林翠(1976—),女,博士,教授,研究方向為材料腐蝕與防護(hù),