鋁合金化學(xué)銑切工藝研究現(xiàn)狀

鮑經(jīng)洋 王天星 劉世博 李佳淳 裴柳濱 張洪亮

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

0 引言

化學(xué)銑切又稱(chēng)為腐蝕加工，已經(jīng)成為一種金屬材料加工成形的重要方法[1]，尤其是在航空零件的加工制備過(guò)程中應(yīng)用更為廣泛?；瘜W(xué)銑切的工作原理是將金屬全部或部分置于可溶解或反應(yīng)的酸、堿、鹽等溶液體系中，通過(guò)不斷的溶解或反應(yīng)去除部分金屬基體的成形方法。鋁合金密度低，有較高的強(qiáng)度，比強(qiáng)度接近高合金鋼，比剛度超過(guò)鋼，有良好的鑄造性能和塑性加工性能，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，良好的耐蝕性和可焊性，可作結(jié)構(gòu)材料使用，在航天、航空、交通運(yùn)輸、建筑、機(jī)電、輕化和日用品中有著廣泛的應(yīng)用[2]。

由于鋁合金切削性能不佳，機(jī)械加工尺寸精度難以控制，所以很多學(xué)者對(duì)鋁合金的化學(xué)銑切進(jìn)行了大量的研究。目前，鋁合金的化學(xué)銑切已經(jīng)成為航空與航天工業(yè)零件成形的可靠加工方法，尤其是在加工飛機(jī)蒙皮時(shí)要比用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法優(yōu)越得多[3]。

本文從化銑溶液優(yōu)化、化學(xué)液對(duì)化銑速率的影響、化銑后合金性能的變化等角度歸納了不同鋁合金化學(xué)銑切工藝的研究現(xiàn)狀。

1 化學(xué)銑切溶液的研究

尹茂生等[4]研究了2219鋁合金板材化學(xué)銑切溶液的配方。對(duì)NaOH、Na2S、三乙醇胺（TEA）、溶解Al3+四種溶質(zhì)進(jìn)行了4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)正交試驗(yàn)的極差分析，溶液中除了NaOH作為主要腐蝕劑外，Na2S對(duì)試樣的表面粗糙度影響最大。以此得到了溶液最佳配方為NaOH（75～150g/L）、Na2S（6～15g/L）、TEA（38.5～42.0g/L）、溶解Al（32.5～120.0g/L），以及溫度為85±2℃。按該配方對(duì)2219鋁合金筒段進(jìn)行化學(xué)銑切，可達(dá)到最佳應(yīng)用效果。

尚佳陽(yáng)等[5]研究了2024鋁合金化學(xué)銑切溶液中的復(fù)合添加劑。堿蝕添加劑可以對(duì)鋁合金表面起到整平、緩蝕和抑垢作用，實(shí)驗(yàn)中可選用的表面活性劑主要有乙醇、乳化硅油、十二烷基硫酸鈉等。實(shí)驗(yàn)對(duì)添加劑進(jìn)行篩選和比較，分析添加劑在提高表面質(zhì)量和加工精度等方面的影響，最后通過(guò)對(duì)比化銑速度、粗糙度以及加工精度等效果發(fā)現(xiàn)，硫脲和LN為鋁合金化銑中適宜作為配置復(fù)合型添加劑HR901，其濃度控制范圍為0.2～0.6g/L；而且復(fù)合添加劑HR901對(duì)化銑化銑性能影響很大，能降低化銑表面粗糙度，可以使試樣基體與化銑區(qū)域的圓弧過(guò)渡區(qū)域光滑、細(xì)膩。

2 化學(xué)銑切速率的研究

毛大恒等[6]研究了2197鋁鋰合金的熱軋厚板的化銑速率，發(fā)現(xiàn)NaOH濃度、化銑液的溫度對(duì)化銑速度影響最大。隨著NaOH濃度增加，化銑速度明顯增大，當(dāng) NaOH質(zhì)量濃度由150g·L-1增加到250g·L-1時(shí)，化銑速度27μm·min-1增加到65μm·min-1；但是NaOH濃度過(guò)高，則會(huì)影響化銑加工質(zhì)量。此外，化銑速度也隨著化銑液溫度的升高而增大，兩者成近似線性的關(guān)系。由于鋁在NaOH溶液中溶解時(shí)為放熱反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量，反而進(jìn)一步加快了腐蝕，因此在化銑過(guò)程中必須嚴(yán)格控制化銑液的溫度。但研究也發(fā)現(xiàn)隨著化銑液中鋁離子含量增加,化銑速度呈線性降低趨勢(shì)。

付明等[7]研究了2A12鋁合金飛機(jī)翼面的化銑速率，發(fā)現(xiàn)化銑過(guò)程包括鋁的復(fù)雜的化學(xué)溶解過(guò)程和鋁的電化學(xué)過(guò)程?；娨褐蠳aOH是主要的腐蝕劑，發(fā)生放熱反應(yīng)，生成NaAlO2。同樣，化銑液中NaOH濃度達(dá)到一定值后，再繼續(xù)增加會(huì)使化銑液的密度升高，不利于腐蝕產(chǎn)物在化銑液中擴(kuò)散，反而會(huì)導(dǎo)致化銑速率下降。此外，隨著化銑的進(jìn)行，化銑液中鋁離子濃度增加，再增加NaAlO2濃度會(huì)阻止鋁合金的腐蝕溶解反應(yīng)，隨著化銑時(shí)間的延長(zhǎng)，化銑速率呈緩慢減小的趨勢(shì)。

3 化學(xué)銑切對(duì)合金性能的影響研究

巢昺軒等[8]對(duì)1035（L4）-M、8A06（L6）-M兩種退火態(tài)純鋁合金材料進(jìn)行化學(xué)銑切，化銑液為NaOH、Na2S、TEA、緩蝕劑等，腐蝕速率為0.03～0.05mm/min，溫度為99～104℃。實(shí)驗(yàn)測(cè)得兩種鋁板的鋁含量達(dá)到90%以上，材料抗拉強(qiáng)度低、伸長(zhǎng)率高。對(duì)化學(xué)銑切前后的鋁板進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率測(cè)試，從結(jié)果可以看出，化學(xué)銑切前后純鋁板力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率)相近，無(wú)明顯差異，因此化學(xué)銑切對(duì)材料力學(xué)性能沒(méi)有影響。

王帥東等[9]研究了2195鋁鋰合金試片化學(xué)銑切后粗造度的變化。在試片上均勻選取了10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用MarSurfm400型表面結(jié)構(gòu)測(cè)量?jī)x測(cè)量了這10個(gè)點(diǎn)化銑前后的粗糙度，并計(jì)算了前后的平均值，即化銑前后粗糙度由為2.1um增加至2.3um，均遠(yuǎn)小于粗造度要求值6.3um。說(shuō)明化銑溶液中的 NaOH和Al3+比例較好，且加入了配合添加劑，緩解了化銑過(guò)程中局部原電池效應(yīng)的影響，未出現(xiàn)明顯粗糙現(xiàn)象。所以，化銑工藝參數(shù)的制定符合產(chǎn)品化銑粗糙度的控制要求。鋁合金化銑的粗糙度，不但與材料本身的化學(xué)成分有關(guān)，也與成形變形量、熱處理狀態(tài)有關(guān)。

謝春英等[3]對(duì)2024-T3與7075-T6兩種鋁合金進(jìn)行化銑，化銑液為NaOH、Na2S、TEA、溶解Al3+等。使用疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞拉伸試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)得的2024-T3與7075-T6疲勞曲線均落在相應(yīng)參考曲線的上方，說(shuō)明采用本化銑工藝加工的零件能夠滿足材料的疲勞壽命要求。從疲勞試驗(yàn)的試片斷裂結(jié)果可以看出，對(duì)于化銑試片，一般都是在化銑面凹槽處斷裂，斷裂絕大部分發(fā)生在圓角R根部。目前的化銑工藝完全能滿足民用飛機(jī)對(duì)鋁合金材料疲勞壽命的設(shè)計(jì)要求。2024-T3鋁合金材料化銑后具有穩(wěn)定而良好的表面粗糙度。化銑試洋一般在鐫切圓角觸根部發(fā)生疲勞斷裂，其斷口微觀形貌呈現(xiàn)出典型的疲勞斷裂特征。

4 結(jié)語(yǔ)

鋁合金化學(xué)銑切的研究主要集中在對(duì)化銑液組成的優(yōu)化、化銑速率的控制以及化銑后合金的性能變化等幾個(gè)方面。今后，化學(xué)銑切在鋁合金的成形加工中將會(huì)占有越來(lái)越重要的地位，今后在化學(xué)銑切精度控制，溶液的綠色無(wú)污染處理等方面將是研究的熱點(diǎn)。