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      鈦合金鍛件表面酸洗工藝試驗(yàn)研究

      2022-08-12 09:55:59

      鈦及鈦合金由于具有很高的強(qiáng)度和耐蝕性,已成為一種新興的輕金屬材料,并在國(guó)防軍工、石油化工、制藥領(lǐng)域及醫(yī)療器械、海水淡化裝置等方面得到廣泛應(yīng)用。并且,因其具有比強(qiáng)度高、耐高溫、導(dǎo)熱率低、無(wú)毒、生物相容性好等一系列優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于航空、航天、建筑、體育用品等軍用和民用領(lǐng)域。


      Ti-6Al-4V 鍛件經(jīng)過(guò)噴砂工藝后,鍛件表層硬化層較厚,給后續(xù)機(jī)加工造成困難。因此,在噴砂工序完成后,需通過(guò)酸洗將其硬化層去除,并按工藝要求去除壁厚以達(dá)到所需工藝要求。鈦合金酸洗一般采用HF+HNO3,但由于其在酸液配比中所占比重較大,濃度較高,容易引發(fā)比較嚴(yán)重的二次問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題,研究在不同酸洗條件下的腐蝕及氫脆現(xiàn)象,分析影響因素及機(jī)理,并制定優(yōu)化的熱處理工藝,以減少氧化層及氫脆。


      試驗(yàn)方案

      將鍛件進(jìn)行吹砂處理后,采用線(xiàn)切割加工成所需試塊,并標(biāo)記0#~7#,分別對(duì)試樣進(jìn)行磨拋,去除切割造成的氧化層。對(duì)初始樣品表面進(jìn)行XRD 測(cè)試和顯微硬度測(cè)試,確定表面相結(jié)構(gòu)和硬化層深度。然后將其在不同配方的酸性溶液中進(jìn)行腐蝕,分別恒溫水浴15 分鐘后取出試件,將其按照相同的工藝執(zhí)行,測(cè)量酸洗后樣品氫含量、失重率、表層相結(jié)構(gòu)以及硬度變化。酸洗液配方見(jiàn)表1。


      表1 鍛件表面酸洗液配方

       

      注:0#為鍛件原始試樣,不進(jìn)行酸洗


      試驗(yàn)結(jié)果

      酸洗后失重率

      Ti-6Al-4V 鍛件試樣酸洗后,各試樣表面形貌如圖1 所示。

       

      圖1 Ti-6Al-4V 鍛件試樣酸洗后表面形貌


      從圖1 中可以看出,初始試樣表面呈黑褐色,經(jīng)酸洗后,表面都返現(xiàn)出金屬光澤。7#樣品表面呈現(xiàn)氮化后的彩色形貌。失重率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。


      表2 酸洗后樣品失重率統(tǒng)計(jì)

       

      表面相結(jié)構(gòu)變化

      對(duì)酸洗前后Ti-6Al-4V 鍛件試樣表面相組成分別進(jìn)行XRD 分析,結(jié)果如圖2 所示??梢钥闯?,1#~7#試樣X(jué)RD 圖譜較統(tǒng)一,表面α 相已經(jīng)得到較好的去除。其中,4#和5#試樣在40°左右的α相主峰降低明顯,表面α 相清除比較徹底,而增大酸洗液濃度,未對(duì)α 相的進(jìn)一步去除有質(zhì)的提升。

       

      圖2 Ti-6Al-4V 鍛件樣品酸洗后表面XRD 圖譜


      酸洗后Ti-6Al-4V 氫含量變化

      氫含量測(cè)定結(jié)果和對(duì)應(yīng)的腐蝕液成分見(jiàn)表3。


      表3 酸洗后H 含量測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

       

      從表中可以看出,除3#與7#樣品外,其他試樣中殘余H 含量總體相差不大,4#和6#樣品H 含量低。HF 的含量高顯著提高了Ti-6Al-4V 中氫的吸附,但HNO3 含量的增大,又對(duì)氫具有脫吸附的作用。因此,4#和6#可作為優(yōu)酸洗備選配方。


      酸洗后表面硬度變化

      酸洗后試樣的硬度變化匯總見(jiàn)表4。其中,所有樣品表面皆在離散位置,選擇5 處進(jìn)行硬度測(cè)試,每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)的距離遠(yuǎn)大于壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度的2.5 倍。


      表4 酸洗前后樣品表面硬度值(HV0.5)

       

      從酸洗后硬度測(cè)試結(jié)果可以看出,0#初始試樣表面硬度極高,但經(jīng)過(guò)酸洗后,表面硬度顯著降低。其中,1#試樣表面硬度相對(duì)較高,因其酸洗液HF 含量較低,所以導(dǎo)致表面硬化層可能去除并不徹底。其他試樣表面硬度都相差較小,考慮到硬度測(cè)試本身的誤差,可以認(rèn)為,其他試樣表面硬化層都已經(jīng)全部清除干凈。


      通過(guò)上述試驗(yàn)可知Z優(yōu)的酸洗液配方為:(1%~3%)HF+(25%~30%)HNO3,鍛件經(jīng)過(guò)該配方酸洗后,表面如圖3 所示。

       

      圖3 酸洗后表面硬化層示意圖


      經(jīng)測(cè)定酸洗后鍛件表面硬化層0.058mm,氫含量0.002%,滿(mǎn)足客戶(hù)要求。


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