水噴砂去除鈦合金表面氧化層效果的研究

(北京航天動力研究所，北京 100076)

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好及焊接性能好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。鈦合金在熱處理過程中，若處理不當(dāng)，材料與高溫空氣接觸，會導(dǎo)致金屬表面氧化，失去光澤，出現(xiàn)不同的顏色。鈦合金高溫氧化會在材料表面形成較厚的脆性氧化層，在應(yīng)力作用下，形成大量的微裂紋，從而較早引起疲勞斷裂[1]。表面氧化在一定程度上會降低材料的力學(xué)性能，特別是在循環(huán)載荷作用下影響更大[2]。

某航天推進(jìn)系統(tǒng)的零件在進(jìn)行去焊接應(yīng)力退火過程中，由于真空設(shè)備故障，導(dǎo)致零件在熱處理過程中與空氣中的氧氣接觸，在零件表面形成了氧化層。為防止氧化層影響材料的疲勞性能，需去除零件表面的氧化層。通過酸洗方法去除氧化層，去除量大[3]，且容易造成去除量不均勻，零件尺寸已加工到位，酸洗后難以保證尺寸仍能滿足設(shè)計要求；由于零件外形復(fù)雜，零件整體通過研磨的方法去除氧化層實施難度大，且成本高。水噴砂以高壓水為動力，利用高壓水射流通過專用水噴砂槍頭噴射形成的負(fù)壓吸入混合磨料，把水砂混合物合流高速噴射到工件表面，利用高壓水的沖擊力，磨料的沖擊力和切削力以及摩擦力可去除工件表層的污垢、油脂、銹層和氧化層等。綜合考慮現(xiàn)有的去除金屬表面氧化層的方法，確定使用水噴砂法去除零件表面氧化層。

筆者通過能譜分析，對水噴砂去除氧化層的效果以及對基體材料的影響進(jìn)行研究。

1 氧化層分析

零件材料為TC4，氧化后零件外觀見圖1，外表面呈藍(lán)黑色，且顏色不均勻。

圖1 氧化后零件宏觀形貌

對其表面進(jìn)行能譜分析，主要含有Ti(76.24%)、Al(4.18%)、V(3.15%)、O(16.42%)等元素(見圖2)，由于材料熱處理過程中高溫氧化導(dǎo)致其中氧元素明顯偏高。

圖2 零件表面能譜

為確定氧化層厚度，對沿垂直于表面的方向進(jìn)行能譜線掃描，結(jié)果表明，截面范圍O元素明顯偏高的區(qū)域深度約為2 μm(見圖3)，可知氧化層厚度約為2 μm。

圖3 能譜線掃描結(jié)果

2 水噴砂去除氧化層效果分析

對零件整體進(jìn)行水噴砂處理，砂粒選用400目石英砂，水噴砂要求以目視零件表面沒有藍(lán)黑色氧化層為合格，水噴砂后通過超聲波清洗，以確保零件表面清潔、無多余物。

水噴砂后，零件表面呈暗灰色，無金屬光澤(見圖4)。通過掃描電鏡進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)水噴砂處理后零件表面凹凸不平，有較多的不規(guī)則形狀顆粒完全嵌入基體當(dāng)中(見圖5)，大部分顆粒尺寸為10～20 μm，觀察到的較大顆粒尺寸約為14 μm×24 μm，嵌入顆粒的大小與所用石英砂目數(shù)相關(guān)，400目石英砂砂粒長度尺寸小于38 μm，與嵌入基體顆粒尺寸吻合。

對嵌入顆粒進(jìn)行能譜成分分析，主要含有Si、O等元素，證明嵌入的顆粒為水噴砂所用的石英砂；對基體進(jìn)行能譜成分分析，主要含有Ti(87.94%)、Al(7.79%)、V(3.73)、Si(0.54%)元素，未檢出O元素，證明基體表面不存在明顯的氧化層。零件表面基體和嵌入顆粒能譜見圖6。

圖4 水噴砂后零件宏觀形貌

圖5 水噴砂后零件表面微觀形貌及嵌入顆粒

圖6 零件表面基體和嵌入顆粒能譜

分析結(jié)果表明，通過水噴砂處理可以去除零件表層的氧化層，但水噴砂后零件表面凹凸不平，有較多不規(guī)則形狀的砂粒嵌入基體中。

3 結(jié)語

通過水噴砂方法去除鈦合金表面氧化層，對水噴砂后的零件進(jìn)行外觀觀察和能譜成分分析，結(jié)果表明，水噴砂可以有效去除鈦合金表面氧化層，但水噴砂后零件表面凹凸不平，有較多不規(guī)則形狀的水噴砂砂粒嵌入基體當(dāng)中，此項問題將在今后工作中進(jìn)一步研究解決。