TA15钛合金腐蚀加工工艺研究T echnology of Corrosion Processing ofT A15T itanium A lloy林翠1,梁静1,赵晴1,杜楠1,王力强2(1南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室,南昌330063;2成都飞机工业(集团)公司工程制造部,成都610092)LIN Cui1,LIAN G Jing1,ZH A O Qing1,DU Nan1,WANG L-i qiang2 (1National Defence Key Discipline Labor atory o f Lig ht Alloy Pr ocessing Scienceand Technolog y,Nanchang H angkong Univ er sity,Nanchang330063,China;2Department of Eng ineering M anufacture,Chengdu Aircr aft IndustrialGroup Co.,Cheng du610092,China)摘要:筛选出T A15腐蚀加工液的配方,探讨腐蚀加工液的调整和寿命。
结果表明:T A15的腐蚀加工液配方为HF 30g/L,HN O3150g/L,添加剂平平加0.5g/L。
随腐蚀加工的进行,溶液中主要成分减少,钛离子含量增加,会影响腐蚀加工工艺性能和腐蚀加工后试样的表面质量,因此需要定期对腐蚀加工液进行调整。
钛离子含量每增加5g/L补加10g/L H F,10g/L H N O3,初始量1/5的添加剂。
当溶液中钛离子含量为50g/L时,达到槽液加工寿命。
关键词:T A15;腐蚀加工;配方;槽液调整和寿命中图分类号:T G146.2+3文献标识码:A文章编号:1001-4381(2010)08-0051-05Abstract:T he fo rmula of corrosion pr ocessing of T A15w as selected.The adjustment and life span of solution w ere inv estig ated.T he results sho w that the fo rmula o f co rrosio n processing is hydr ofluoric acid30g/L,nitric acid150g/L,additiv es per eg al0.5g/L.With co ntinuous co rrosio n pr ocessing,the major ingredients concentration decr eases,w hile the titanium ion co ncentratio n increases,w hich influ-ences the technolog y proper ty of corr osion pr ocessing and surface quality,ther efore so lution should be periodically adjusted.10g/L hydro fluoric acid,10g/L nitrate acid,additives o f o ne-fifth of initial vo-l ume are added to solutio n w hen the quantity of titanium ion increases5g/L.T he corro sion pr ocessing solution reaches life span w hen titanium ion concentr ation is50g/L.Key words:TA15;co rrosion pr ocessing;formula;solution adjustm ent and life spanTA15钛合金材料具有比重轻、强度高、耐热、耐腐蚀等一系列优良的力学、物理性能,在军事工业上得到了广泛的应用,但由于机械加工困难,制约了它的应用[1-3]。
腐蚀加工是特种加工工艺的一种,它通过化学反应有选择、可控制地切除金属[4-7]。
腐蚀加工技术和其他技术相比,工艺简单,比较容易实现,生产成本低、生产效率较高,同时具有无刀具损耗、无切削应力等优点,因此成为制造领域中的一项重要技术。
目前腐蚀加工主要应用于:加工薄和大面积的零件;不能和难于用传统的机械加工方法加工的材料;加工型面复杂的零件;减轻结构质量。
1771年,斯契尔发现了氢氟酸,这为机械加工困难的钛合金提供了腐蚀加工的可能[8-11]。
20世纪60年代中期,腐蚀加工成为一种非常有实用价值的生产加工方法,美国、英国、法国、俄罗斯等国相继开始进行钛合金腐蚀加工的相关研究[12-15]。
本工作从钛合金腐蚀加工工艺的基本原理着手,对TA15腐蚀加工溶液配方及槽液寿命等进行了探讨。
筛选出适合T A15腐蚀加工的基础溶液,通过正交实验进一步确定了TA15腐蚀加工液的配方。
腐蚀加工过程中溶液中的成分不断消耗,同时钛离子不断增加,这会影响腐蚀加工工艺性能和腐蚀加工后试样的表面质量,因此必须对腐蚀加工液进行控制。
当腐蚀加工的表面质量和腐蚀加工速度达不到要求时,必须对溶液进行补加来维护正常腐蚀加工。
当钛离子含量增加到一定值后,通过调整无法恢复腐蚀加工速度或腐蚀加工所要求的表面粗糙度、平整度等性能指标,此时达到了该溶液的腐蚀加工寿命,溶液需报废重配,所以本工作还摸索了TA15腐蚀加工槽液的调整方法和寿命。
1 实验方法1.1 实验材料实验选用T A15板材,其成分(质量分数/%)为:Al 6.0,V 1.5,Mo 1.3,Zr 2.0,余量为T i 。
试样尺寸为70m m @50mm @1.5mm 。
1.2 腐蚀加工工艺流程化学除油y 酸洗y 涂保护胶y 固化y 刻型y 剥离保护胶y 腐蚀加工y 清洗y 干燥y 清理y 验收。
(1)化学除油除去各类油脂,各种标记和其他污染。
除油溶液:NaOH 40g/L,Na 2CO 325g/L,Na 3PO 440g/L,Na 2SiO 35g/L,温度70~90e ,时间10~20min 。
(2)酸洗除去大约5L m 金属,获得新鲜光亮的金属表面。
配方:H NO 3(Q = 1.42g/cm 3):40%,H F (40%):2%~5%,常温,时间1~3min 。
(3)涂保护胶调整保护胶黏度70~90s,环境应干净无尘,每层力求薄而均匀。
每涂一遍停放干燥20~30m in 后,再重复三或四次,使涂层的厚度达到0.3mm,最好在24h 内涂完。
(4)刻型使用手术刀刻型时,刀身必须紧紧地靠在样板上且与工件的表面垂直。
刻线完后,去掉需要加工部分的保护层。
(5)腐蚀加工腐蚀加工过程中需将温度控制在(30?3)e 范围内,同时施加搅拌。
为了防止试样在槽液中产生摆动,设计了专门的挂具,从而保证试样在腐蚀加工过程中位置固定,不受搅拌的影响。
T A15钛合金腐蚀加工装置如图1所示。
(6)漂洗、干燥和剥去保护层钛合金腐蚀加工后,应立即用流动的冷水清洗,以中止反应。
然后浸入洁净的沸水中,取出干燥。
最后用手剥去保护层,保证试样洁净。
1.3 性能测试(1)腐蚀加工速度腐蚀加工速度以单位时间的腐蚀加工深度来表示。
腐蚀加工前用35DL 超声波测厚仪测试试样的原始厚度,将试样放入腐蚀加工溶液中一段时间后,从溶液中取出,蒸馏水冲洗后,冷风吹干,测试腐蚀加工后的试样厚度,用式(1)计算腐蚀加工速度v (L m/min):v =h 0-h 1t (1)式中:h 0为试样原始厚度;h 1为腐蚀加工一段时间后的试样厚度;t 为腐蚀加工时间。
图1 T A15钛合金腐蚀加工装置图Fig 11 Experimen tal set -up of corr os ion pr oces singof T A15titanium alloy(2)表面粗糙度表面粗糙度对钛合金基体的拉伸强度、疲劳强度等力学性能会产生影响,因此一般要求其R a [116L m 。
R a 用Surtro nic 电动轮廓仪测量。
(3)表面平整度使用35DL 超声波测厚仪测量试样腐蚀加工区域厚度最薄和最厚之差,得到腐蚀加工区域的厚度公差。
2 结果和讨论2.1 基础腐蚀加工液的选择钛合金在碱溶液和大多数有机酸、无机盐溶液中的耐蚀性很高,但在还原性酸溶液中容易发生腐蚀,其中H F 溶液对钛合金的腐蚀性最强。
为了确定基础腐蚀加工液,对H F 型和H F -H NO 3型两种基础腐蚀加工液腐蚀加工后材料的性能进行对比,结果列于表1中。
其中H F 型腐蚀加工液的加工速度慢,加工的试样表面发暗,H F -H NO 3型腐蚀加工液加工速度快,加工的试样表面光亮,所以,选择使用H F -H NO 3型腐蚀加工液。
表1 HF 和HF -HNO 3型基础溶液腐蚀加工结果T able 1 T he r esult of cor rosion pr ocessing w ith HF and H F -H N O 3basic so lutio nsIngredient of solu tionResult30g #L -1H F S low cor rosion processin g rate,high s urface roughness,dark surface30g #L -1H F+-1Fast corrosion p roces sing rate,low2.2腐蚀加工液配方的确定H F-H NO3型腐蚀加工液中H F作为腐蚀剂, H NO3作为氧化剂,为了获得较低的表面粗糙度和消除加工缺陷需要在腐蚀加工溶液中加入添加剂,选择加入添加剂平平加AS。
利用正交实验研究分析槽液中组分的不同浓度水平和腐蚀加工后性能的关系,以得出T A15腐蚀加工槽液的最佳配方。
以腐蚀加工液中这三种组分作为实验中的因素,每个因素设定三个水平,即选用三因素三水平L9(33)正交表安排实验。
为衡量腐蚀加工的工艺质量,实验结果的评定指标为:腐蚀加工速度;表面粗糙度;表面质量,此项以打分计算,平整光亮,没有任何表面缺陷为100分,有严重缺陷为60分以下。
实验结果如表2所示。
表2正交实验结果T able2T he r esult of or thog onal ex per imentSerial num berCon centration/(g#L-1)H F H NO3ASCorrosion processin grate/(L m#min-1)Su rfacerough nes s/L mSurfacequality/point1201000.5 4.630.3860 2201500.259.480.1890 32020009.860.1980 430100010.600.2980 5301500.513.680.25100 6302000.2513.000.3070 7401000.2514.030.3880 840150013.280.3460 9402000.517.180.2290对正交实验中的每项因素进行极差分析,区分因素的主次,找出各因素的较优水平和具有最佳加工效果的工艺。