鈦合金在HF-HNO3混合酸中酸洗試驗(yàn)分析

杜興盛 王輝

摘? 要：鈦合金的酸洗通常在HF-HNO3混合酸液中進(jìn)行。在酸洗過(guò)程中，最重要的問(wèn)題是防止鈦及其合金的吸氫，因?yàn)殁伜辖鹪跉浜砍^(guò)一定量后，其所值零件對(duì)應(yīng)力集中敏感，使沖擊韌性或缺口抗拉強(qiáng)度顯著下降，或是構(gòu)件在低速變形時(shí)發(fā)生脆斷，這種在較低的應(yīng)力作用下，會(huì)導(dǎo)致在工作過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)象就是氫脆。該文針對(duì)HF-HNO3混合酸不同濃度及腐蝕時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，摸索了不同槽液濃度、時(shí)間對(duì)鈦合金材料氫量的影響規(guī)律，并對(duì)試驗(yàn)速度進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞： 鈦合金;酸洗;HF;HNO3

中圖分類號(hào)：TQ153? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，鈦合金的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。發(fā)動(dòng)機(jī)上鈦合金鍛件、鑄件以及鈑金沖壓、焊接件，退火、鍛、鑄加熱及隨后的熱處理，均需清除在加熱形成的氧化皮及被氧、氮污染的脆化層。通常采用酸洗的方法清除。除此之外，鈦合金制造的關(guān)鍵零件象盤類等需要采用酸腐蝕的方法進(jìn)行缺陷檢查。鈦合金的酸洗通常在HF-HNO3混合酸液中進(jìn)行。在酸洗過(guò)程中，最重要的問(wèn)題是防止鈦及其合金的吸氫，因?yàn)殁伜辖鹪跉浜砍^(guò)一定量后，對(duì)應(yīng)力集中敏感，使沖擊韌性或缺口抗拉強(qiáng)度顯著下降，構(gòu)件在低速變形時(shí)發(fā)生脆斷。這種在較低的應(yīng)力作用下，導(dǎo)致在工作過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)象就是氫脆。因此，在酸洗過(guò)程中，為了避免吸氫，必須控制好HF和HNO3的濃度比例及槽液溫度。該項(xiàng)目對(duì)鈦合金材料的酸洗工藝做了一些摸索試驗(yàn)工作。目的就是確定使用上述材料在不同狀態(tài)下進(jìn)行酸洗的基本不吸氫的HF-HNO3混合酸槽液和酸洗工藝制度。

1 HF-HNO3混合液酸洗原理

HF-HNO3混合水溶液酸洗是通過(guò)HF的溶解和HNO3的氧化綜合利用而達(dá)到要求的酸洗目的，通過(guò)調(diào)整HF和HNO3的濃度可以控制酸洗速度及制件的光度，控制兩者的比例，可以避免吸氫。酸洗時(shí)腐蝕溶解反應(yīng)按下式進(jìn)行：2Ti+6HF = 2TiF2+3H2↑;氧化反應(yīng)按下式進(jìn)行：3Ti+4HNO3+12HF = 3TiF4+4NO↑+8H2O? 。

2 試驗(yàn)

酸洗液配方：

1）3%HF + 20%HNO3 + 77%H2O。

2）3%HF + 30%HNO3 + 67%H2O。

3）1%HF + 10%HNO3 + 89%H2O。

4）1%HF + 99%H2O。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鈦合金原材料在不同槽液中酸洗去除金屬量及氫含量的試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：1號(hào)槽液中，15 min去除量及氫含量分別為0.0425 mm和0.0045%，30 min去除量及氫含量分別為0.05 mm和0.005%，60 min去除量及氫含量分別為0.0725 mm和0.0055%;2號(hào)槽液中，15min去除量及氫含量分別為0.0225 mm和0.0004%，30 min去除量及氫含量分別為0.03 mm和0.0006%，60 min去除量及氫含量分別為0.05 mm和0.0008%;3號(hào)槽液中，15 min去除量及氫含量分別為0.015 mm和0.0004%，30min去除量及氫含量分別為0.0225 mm和0.0006%，60 min去除量及氫含量分別為0.0325 mm和0.0008%;4號(hào)槽中，15 min去除量及氫含量分別為0.01 mm和0.0053%，30 min去除量及氫含量分別為0.02 mm和0.0068%，60 min去除量及氫含量分別為0.025mm和0.008%。

3.2 被氧、氮污染的鈦合金在不同槽液中酸洗去除金屬量和氫含量的試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：1號(hào)槽液中，15 min去除量及氫含量分別為0.034 mm和0.005%，30 min去除量及氫含量分別為0.04 mm和0.0052%，60 min去除量及氫含量分別為0.0575 mm和0.0055%;2號(hào)槽液中，15min去除量及氫含量分別為0.0175 mm和0.0002%，30 min去除量及氫含量分別為0.025 mm和0.000%，60 min去除量及氫含量分別為0.034 mm和0.000%;3號(hào)槽中，15 min去除量及氫含量分別為0.0125 mm和0.0004%，30 min去除量氫含量分別為0.02 mm和0.0003%，60 min去除量及氫含量分別為0.029 mm和0.0005%;4號(hào)槽中，15 min去除量及氫含量分別為0.0075 mm和0.0061%，30 min去除量及氫含量分別為0.015 mm和0.0071%，60 min去除量及氫含量分別為0.02 mm和0.0094%，如圖1所示。

3.3 結(jié)果分析

由上述3.1和3.2中試驗(yàn)結(jié)果可知，酸洗時(shí)，金屬的去除量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，去除量越大。1號(hào)酸洗液最快，2、3號(hào)次之，而不含HNO3的4號(hào)酸洗液速度最慢。酸洗速度隨著HF含量的增大而增大;但當(dāng)硝酸濃度增加到20%時(shí)，腐蝕速度下降，增加到30%時(shí)，腐蝕速度穩(wěn)定幾乎保持不變。另外，由3.1和3.2試驗(yàn)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，表面污染層酸洗時(shí)的金屬損耗比沒(méi)有污染的合金本身酸洗金屬損耗要小，也就是說(shuō)，當(dāng)鈦合金表面被污染時(shí)，其抗腐蝕性能將比基體有所提高。

酸洗時(shí)的吸氫情況，4號(hào)酸洗液不含硝酸，試樣氫含量明顯增加，這表明酸洗時(shí)，槽液中沒(méi)有氧化劑硝酸是不行的。2號(hào)3%HF + 30%HNO3 和3號(hào)1%HF + 10%HNO3 2種槽液酸洗試樣基本不吸氫。1號(hào)酸洗液3%HF + 20%HNO3酸洗后，試樣氫含量略有提高，但吸氫現(xiàn)象不嚴(yán)重。根據(jù)資料介紹當(dāng)HF酸濃度3%時(shí)，硝酸含量低于20%，酸洗反應(yīng)存在明顯的吸氫現(xiàn)象。從3.1和3.2中吸氫數(shù)據(jù)分析，4種槽液對(duì)材料氫含量影響都不大。但對(duì)于一些板材成型件、焊接件，為了控制酸洗速度，防止焊縫和零件過(guò)腐蝕，采用一號(hào)或二號(hào)酸洗液較為合適。

4 結(jié)論

4.1 HF-HNO3含量不同對(duì)鈦合金及其污染層的酸洗速度的影響

鈦合金表面污染層的酸洗過(guò)程中，當(dāng)HF為1%～4%，HNO3的添加量在5%～10%范圍內(nèi)時(shí)，酸洗速度最大。隨著HF含量的增加，最大酸洗速度向HNO3濃度的較高方向移動(dòng)，當(dāng)HNO3含量在30%以上時(shí)，腐蝕速度保持不變。當(dāng)槽液氫氟酸濃度增加，硝酸含量低于20%時(shí)，酸洗速度快，但試樣表面光度不好，且氫含量增加較快。

4.2 HF-HNO3含量不同對(duì)鈦合金吸氫現(xiàn)象的影響

當(dāng)HF含量在3%以下，并且HF和HNO3之間的濃度比在1：10以上時(shí)，酸洗后的制件可以完全避免吸氫，HF和HNO3之間的濃度比大于1：10時(shí)有微量的吸氫現(xiàn)象。當(dāng)槽液中含有3%的HF和30%的HNO3時(shí)，可以得到完全避免吸氫和較快的酸洗速度及較好的光亮的配合。

4.3 酸洗工藝參數(shù)

酸洗溫度以控制在40℃～60℃為宜，酸洗時(shí)間視制件污染層深度及酸洗零件的數(shù)量、面積大小而定。

參考文獻(xiàn)

[1]張?jiān)收\(chéng).電鍍手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997：281-289.

[2]錢苗根.現(xiàn)代表面處理技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：60-69.