添加劑對(duì)航空用TA12鈦合金板化學(xué)銑切性能的影響

TA12鈦合金是一種近α型熱強(qiáng)鈦合金，因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域上的各種結(jié)構(gòu)件中，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片、鼓筒，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的接頭、梁、大型壁板和焊接承力框等結(jié)構(gòu)件[1-3]?；瘜W(xué)銑切加工(簡(jiǎn)稱“化銑”)是一種近年來廣泛應(yīng)用于金屬上的非機(jī)械加工方法，它利用化學(xué)介質(zhì)(溶液)腐蝕金屬結(jié)構(gòu)件上需加工部位，以滿足加工精度要求高和形狀復(fù)雜構(gòu)件的生產(chǎn)加工要求，尤其對(duì)超薄壁、不等壁、幾何形狀復(fù)雜的工件進(jìn)行化銑加工更加簡(jiǎn)便易行[4-6]。在現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，飛機(jī)的許多結(jié)構(gòu)件均采用了輕合金，如鈦合金、鋁合金等。化銑加工技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已成為一種減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的通用加工方法，但該課題研究涉及到的專利及保密內(nèi)容較多，因此其相關(guān)的報(bào)道和書籍均較少[7-10]。目前，國(guó)內(nèi)外鈦合金化銑工藝基礎(chǔ)配方相對(duì)較成熟，但隨著生產(chǎn)加工要求的提高，在工藝配方及添加劑合理使用上還需進(jìn)一步完善，以提高化銑表面性能[11-13]。

鈦合金腐蝕過程是鈦合金化銑中的主要過程。該過程影響因素較多，選用適宜的添加劑能使此過程的化銑表面腐蝕均勻，還可防止化銑時(shí)在銑切面產(chǎn)生小孔、凸起、凹陷、毛刺等缺陷，同時(shí)能減少基材的滲氫量，防止鈦合金發(fā)生氫脆[14-15]。本文通過在TA12化銑槽液中加入添加劑，研究幾種添加劑及其互配后對(duì)化銑性能的影響，以期能有效提高TA12鈦合金的表面化銑性能。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

采用2.5mm的TA12鈦合金退火狀態(tài)板材，其材料的成分見表1。

1.2化銑加工過程

鈦合金化銑過程主要包括除油、酸洗、涂膠、固化、刻型、化銑、去掛灰、除膠。化銑過程中，化銑工件表面必須保持潔凈。首先，其除油工藝所需配方包括40g.L^?1的NaOH，25g.L^?1的Na₂CO₃，40g.L^?1的Na3PO4以及5g.L^?1的Na2SiO3，除油工藝的溫度設(shè)定為70℃～90℃，時(shí)間設(shè)定為10～20min。

酸洗工藝可提高保護(hù)層與零件被保護(hù)表面的附著力，其配方及參數(shù)為：硝酸(65%濃度)含量40%，氫氟酸(40%濃度)含量2%～5%，酸洗溫度為常溫，酸洗時(shí)間設(shè)定為1～3min。工件除油、酸洗吹干后進(jìn)行涂覆保護(hù)膠工序，涂覆方法是將試樣完全浸漬于保護(hù)膠涂料中，取出試樣后在空氣中自然干燥約30min，重復(fù)上述浸涂步驟3～4次，使涂層厚度達(dá)到約0.3mm。后續(xù)在自然干燥24h后進(jìn)行手術(shù)刀刻型，刻型時(shí)保持刀尖與零件表面垂直，刀柄與刀尖運(yùn)行方向夾角約為60°，調(diào)整壓力至均勻適度，待刻型結(jié)束后去掉化銑加工部分的保護(hù)膠。

TA12鈦合金化銑基礎(chǔ)配方包括含量為125mL.L^?1的HF和275mL.L^?1的HNO3。添加劑包括含量為1.0g.L^?1的潤(rùn)濕劑(wettingagent，簡(jiǎn)寫為“WA”)、0.8g.L^?1的吸附劑(adsorbent，簡(jiǎn)寫為“AD”)、0.5g.L^?1的緩蝕劑(corrosioninhibitor，簡(jiǎn)寫為“CI”)和15.0g.L^?1的分散劑(dispersant，簡(jiǎn)寫為“DI”)組成。化銑溫度設(shè)定為25℃，時(shí)間由化銑深度而定?；姾蠊ぜ昧鲃?dòng)水清洗，再浸漬于50%濃度的硝酸溶液中除去表面黑色掛灰。隨后取出工件并用純凈水清洗并干燥，剝?nèi)ケＷo(hù)層。

1.3性能測(cè)試

(1)化銑腐蝕速度?；姼g速度v是采用單位時(shí)間內(nèi)的腐蝕深度來表示，單位為μm/min。(2)表面粗糙度。采用JB-6C粗糙度儀測(cè)量，表面粗糙度Ra按照GB1031—2016標(biāo)準(zhǔn)，以表面輪廓的算術(shù)平均偏差來表示。(3)浸蝕比。浸蝕比F是化銑保護(hù)層下化銑寬度a與化銑深度b之比(F=a/b)。(4)滲氫量。滲氫量CH是用單位體積內(nèi)氫原子濃度來表示。即滲氫量為化銑區(qū)域在化銑前、后的氫含量差值。

2、結(jié)果與討論

2.1添加劑對(duì)化銑腐蝕速度的影響

圖1為TA12在化銑基礎(chǔ)配方中采用不同添加劑化銑時(shí)化銑腐蝕速度的測(cè)試結(jié)果。

圖1表明，TA12在含有不同添加劑的化銑液中化銑時(shí)，隨化銑深度的增加其化銑腐蝕深度均呈下降趨勢(shì)。在不含任何添加劑的化銑液中化銑時(shí)，相比添加CI、AD的化銑液，化銑相同腐蝕深度的化銑腐蝕速度均高于后兩者，但低于WA、DI及四種添加劑復(fù)配。當(dāng)化銑液中加入CI時(shí)，化銑腐蝕速度明顯降低，說明CI在化銑液中主要起到緩蝕作用。添加AD時(shí)，由于其具有一定的吸附功能，阻滯了界面的化學(xué)及電化學(xué)腐蝕過程，降低了化銑腐蝕速度。添加劑DI是一種陰離子型表面添加劑，在化銑液表面形成一層薄膜，生產(chǎn)憎水性陰離子，改變了溶液表面分子排列方式，起降低表面張力和分散的作用。添加劑WA為一種雙子陽離子型表面添加劑，在化銑液中生產(chǎn)兩種憎水性陽離子，能降低物體表面張力，增強(qiáng)潤(rùn)濕作用。當(dāng)四者復(fù)配時(shí)其化銑腐蝕速度略高于無添加劑和添加DI的化銑腐蝕速度，略低于添加WA的化銑腐蝕速度。復(fù)配后的添加劑在化銑液中能夠促進(jìn)表面添加劑形成膠束，使添加劑單分子分散或被吸附在界面而降低表面張力，提升了生成氫氣的逸出速度，更好地帶動(dòng)腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散，加大了單位時(shí)間內(nèi)HF與加工面的接觸面積，化銑腐蝕速度加快。同時(shí)還能吸附在微觀凹陷面，延緩其腐蝕并起到整平作用。

2.2添加劑對(duì)化銑區(qū)域表面形貌的影響

圖2為TA12鈦合金在含不同添加劑的化銑液中化銑腐蝕深度為0.3mm時(shí)化銑區(qū)域形貌。

圖3為TA12鈦合金在含不同添加劑的化銑液中化銑深度為1.8mm時(shí)化銑區(qū)域形貌。

圖4為TA12鈦合金在復(fù)配型添加劑的化銑液中化銑不同深度時(shí)的試樣表面形貌。

從圖2、圖3可看出，TA12在化銑腐蝕深度分別為0.3和1.8mm時(shí)，單一添加劑時(shí)化銑區(qū)域表面會(huì)出現(xiàn)化銑面不平整、有凸起和凹陷及圓角區(qū)域不圓滑等缺陷。而添加復(fù)配型添加劑時(shí)表面質(zhì)量較好。圖4表明：TA12在化銑液中添加復(fù)配型添加劑進(jìn)行化銑不同化銑深度時(shí)，化銑后的化銑表面和圓角區(qū)域均平整圓滑光亮，幾乎無缺陷。

圖5是掃描電鏡下觀察TA12在含復(fù)配型添加劑的化銑液中化銑前和化銑后的表面微觀形貌?？梢钥闯龌姾蟮谋砻姘伎幼儨\，相對(duì)更平整。TA12化銑前表面粗糙度值為0.538μm，化銑后則為0.422μm，化銑后表面粗糙度值降低，表明復(fù)配型添加劑能提高化銑表面質(zhì)量。

圖6為化銑基礎(chǔ)配方中采用無添加劑和復(fù)配添加劑時(shí)的化銑表面粗糙度的測(cè)試結(jié)果。

由圖6可看出，在化銑相同腐蝕深度時(shí)，加入復(fù)配添加劑的化銑液化銑表面粗糙度值在整體上均小于無添加劑。TA12在化銑過程中，復(fù)配添加劑在化銑液中能提供多種離子，進(jìn)而起到協(xié)同及膠束作用，既極大地降低了界面的表面張力，使氫氣快速逸出，又在凹洼處吸附，延緩其腐蝕，使化銑微觀表面凸起處與凹洼處表面活性不同。其中，凸起處在氫氣泡逸出的攪拌下能盡快露出新鮮表面，加快HF對(duì)凸起處的腐蝕速度，而凹洼處表面被添加劑吸附，阻滯了HF對(duì)其腐蝕，起到整平作用，降低了化銑表面粗糙度。

2.3添加劑劑對(duì)化銑浸蝕比的影響

圖7為TA12在有、無復(fù)配添加劑的化銑液中化銑時(shí)的浸蝕比結(jié)果。

從圖7可看出，隨著化銑腐蝕深度從0.1mm逐漸增加到3.0mm時(shí)，浸蝕比值也一直在增大?；娨涸跓o添加劑時(shí)的浸蝕比值由0.582增大到0.748，增大了0.166，超過了航空公司在浸蝕比公差帶最優(yōu)指標(biāo)為±0.1的要求，不利于化銑過程控制。而在有復(fù)配添加劑時(shí)，浸蝕比值則由0.439增大到0.534，只增大了0.095，滿足航空公司在浸蝕比公差帶最優(yōu)指標(biāo)為±0.1的要求。由此可知，TA12在化銑時(shí)，復(fù)配添加劑能有效降低浸蝕比值波動(dòng)幅度。由于復(fù)配添加劑能促使生產(chǎn)的氫氣泡更快脫附逸出，增強(qiáng)溶液攪拌作用，鈦離子等腐蝕產(chǎn)物的快速擴(kuò)散穩(wěn)定了鈦合金基體微觀表面上縱深橫向上的腐蝕溶解加工速度，減小了浸蝕比值的波動(dòng)。

2.4添加劑劑對(duì)滲氫量的影響

一般在鈦合金普通化銑工藝中滲氫量不超過0.015%(即150mg.kg^?1)，但在航天軍工上的高精化銑工藝中滲氫量要求進(jìn)一步降低，要求低于0.003%(即30mg.kg^?1)。滲氫量過高易導(dǎo)致氫脆，致使材料的塑性及韌性明顯下降。TA12基材化銑前滲氫量為59mg.kg^?1，在含有復(fù)配型添加劑的化銑液中化銑后的滲氫量測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2中可知，TA12鈦合金試樣在含復(fù)配添加劑的化銑液中化銑時(shí)，化銑表面的氫含量隨化銑腐蝕深度的增加總體呈上升趨勢(shì)，但均在40～50mg.kg^?1范圍內(nèi)波動(dòng)，均低于基材表面氫含量59mg.kg^?1。氫含量測(cè)試后的結(jié)果顯示，滲氫量數(shù)值均為負(fù)值，表明TA12在含復(fù)配添加劑的化銑液中化銑時(shí)，滿足鈦合金高精密化銑滲氫量小于30mg.kg^?1的要求。

3、結(jié)論

(1)在TA12鈦合金化銑液中分別加入單一添加劑和復(fù)配添加劑時(shí)，均隨化銑腐蝕深度的增加，化銑腐蝕速度呈下降趨勢(shì)。添加復(fù)配添加劑的化銑腐蝕速度范圍為20～23μm/min。

(2)在TA12化銑液中添加復(fù)配添加劑時(shí)，化銑區(qū)域的表面質(zhì)量?jī)?yōu)于無添加劑和單一添加劑的表面質(zhì)量，復(fù)配添加劑能提高化銑表面質(zhì)量。

(3)復(fù)配添加劑能有效降低TA12化銑的浸蝕比值，其波動(dòng)幅度為0.095，有利于深化銑的過程控制。

(4)TA12化銑液中添加復(fù)配添加劑化銑后表面氫含量為40～50mg.kg^?1，均低于基材表面氫含量，復(fù)配添加劑可有效降低化銑面的含氫量，不會(huì)出現(xiàn)氫脆。

參考文獻(xiàn)

[1]林翠,劉楓,趙晴,等.TC4鈦合金腐蝕加工速度和表面質(zhì)量影響因素研究[J].航空材料學(xué)報(bào),2008(5):50-54.

[2]張秋平.鈦合金結(jié)構(gòu)件加工新工藝[J].飛航導(dǎo)彈,2010(1):86-90.

[3]趙永崗,張春剛,王輝,等.化學(xué)銑切在鈦合金加工中的研究及應(yīng)用[J].表面技術(shù),2009,38(6):83-86.

[4]李荻,金蕾.鈦合金化學(xué)銑切液的研究[J].稀有金屬,1991(1):22-25.

[5]薛露平,葉暉,許維超.基于均勻設(shè)計(jì)的鈦合金化銑工藝研究與應(yīng)用[J].火箭推進(jìn),2016,42(4):97-102.

[6]李慶春.TA12鈦合金深度化銑工藝及銑后性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.

[7]周禮君,趙晴,杜楠,等.TC4鈦合金化學(xué)銑切槽液調(diào)整與再生[J].表面技術(shù),2018,47(4):190-195.

[8]林翠,趙晴,文慶杰.TC1鈦合金的腐蝕加工及其對(duì)基體性能影響[J].材料工程,2015,43(7):48-55.

[9]萬斌,趙遠(yuǎn)濤,李文戈.化學(xué)銑切參數(shù)對(duì)TA15鈦合金XRD的影響[J].腐蝕與防護(hù),2023,44(10):37-41.

[10]林翠,杜楠,胡舸,等.氫氟酸-硝酸體系中Ti-6Al-4V的腐蝕加工溶解特征[J].稀有金屬材料與工程,2016,45(10):2628-2634.

[11]李荻,金蕾.工藝因素對(duì)鈦合金化銑的影響[J].稀有金屬,1991(2):120-123.

[12]戚運(yùn)蓮,鄧炬,洪權(quán),等.鈦薄壁球體的化學(xué)銑加工[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),1998(2):259-262.

[13]張紅,朱彥海.鈦合金化學(xué)銑切工藝研究[J].航空工藝技術(shù),1996(6):29-30.

[14]戚運(yùn)蓮,鄧炬,洪權(quán),等.鈦和鈦合金化學(xué)銑切中的吸氫及其影響[J].航空制造技術(shù),2000(2):30-32.

[15]王帥東,張昕宇,趙武軍,等.2195鋁鋰合金堿性化學(xué)銑切工藝探究[J].電鍍與精飾,2020,42(1):33-35.

[16]林翠,胡舸,梁靜,等.TC1和TC4鈦合金腐蝕加工溶解行為研究[J].航空材料學(xué)報(bào),2010,30(6):43-50.