鋁鋰合金化學銑切工藝的研究

鋁鋰合金化學銑切工藝的研究

鋁鉻合金具有低密度、高彈性模量、高比例強度和高比例剛性。它在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應用前景?；瘜W銑切是航空航天工業(yè)中常用的一種鋁合金加工方法,目前我國針對常規(guī)鋁合金(7000,2000系列)的化學銑切工藝已經(jīng)較為成熟,已成功應用于工業(yè)生產(chǎn),并且相關(guān)化銑工藝研究的報道還在陸續(xù)出現(xiàn);但對鋁鋰合金的化學銑切加工還研究較少,尚不能達到化銑零件性能指標的高精度和工藝條件控制的高精度,其關(guān)鍵技術(shù)還有待突破。第3代鋁鋰合金(以美鋁的2099,2199,2397和加鋁的2196,2098,2197為代表)在國外應用還不是很廣泛,國內(nèi)的應用研究也剛剛起步,基于安全性要求,在新材料應用之前必須做好充分的技術(shù)基礎(chǔ)研究,化學銑切工藝是其中一項關(guān)鍵技術(shù),文中著重研究最有代表性的2197鋁鋰合金的化學銑切工藝。2197鋁鋰合金是Al-Cu-Li系脫溶強化型鋁鋰合金,合金化程度高且強度大,合金中加入的合金元素(如Cu,Li,Zn,Mg等)提高了鋁鋰合金的耐蝕性、可焊性、韌性等性能,但同時也使得對其進行化學銑切時要求更為苛刻,因此,研究2197鋁鋰合金的化學銑切工藝具有重大意義。由于化學銑切對鋁鋰合金的表面粗糙度改變較大,而表面粗糙度的大小將直接影響到基體材料的性能,一般要求表面粗糙度Ra≤1.6μm,故將試樣經(jīng)化銑后的表面粗糙度作為評價標準,化銑速率作為參考,設(shè)計對比性試驗,擬確定適用于2197鋁鋰合金的化學銑切溶液及相關(guān)工藝參數(shù)。1實驗1.1si的質(zhì)量分數(shù)試樣采用2197鋁鋰合金板材,規(guī)格為200mm×100mm×10mm,合金中Cu,Li,Mg,Zn,Mn,Zr,Ti,Fe,Si的質(zhì)量分數(shù)分別為3.87%,1.56%,0.34%,0.48%,0.3%,0.12%,0.07%,0.07%,0.03%,Al為余量。實驗中用到的儀器包括WykoNT9100三維表面白光輪廓儀、超聲波測厚儀、微米千分尺、金相顯微鏡。1.2堿洗液的篩選化學銑切之前,試樣需先進行表面預處理,以去除鋁合金表面的自然氧化膜,露出新鮮的基體,具體工藝流程如下:丙酮除油→水洗→堿洗→水洗→出光(出光液為體積分數(shù)約30%的硝酸溶液)→干燥。實驗中所用堿洗液有2種,其配方及相關(guān)工藝參數(shù)見表1,擬篩選出最佳堿洗工藝?；瘜W銑切工藝流程如下:工件表面預處理→涂膠保護→固化→刻型→化銑→冷水洗→出光→冷水洗→熱水洗→除膠→成品檢測。實驗中所用化銑液有3種,其配方見表2,擬篩選出最佳化銑液。2結(jié)果與討論2.1優(yōu)化工藝的確定2.1.1表面預處理對鋁犯表面的腐蝕的影響按照1.2中的表面預處理工藝流程,采用堿洗液1和堿洗液2分別對兩塊試樣進行表面預處理,用金相顯微鏡觀察其微觀形貌,并與未進行預處理的試樣進行對比,見圖1。從圖1可以看出,預處理基本去除了鋁基體表面的氧化層,露出了光鮮的鋁基體,但采用堿洗液1的試樣的表面晶界腐蝕和點腐蝕明顯比采用堿洗液2的試樣輕微。表面預處理后,晶界腐蝕越低,點腐蝕越不明顯,化銑前的表面粗糙度就越小,化銑后的效果就越好。故堿洗液1更適用于2197鋁鋰合金的表面預處理。2.1.2鋁合金不宜用酸性溶液化銑將經(jīng)表面處理后的多個試樣分別放入3組化銑液中,于不同溫度下化銑2mm,測量化銑后的表面粗糙度,結(jié)果見圖2。從圖2可以看出,在化銑厚度相同的前提下,鋁合金在酸性FeCl3化銑液中化銑后的表面粗糙度高于用另外2種堿性化銑液化銑,且采用酸性化銑液時,溫度越高,Ra越大。由此可知,鋁合金不宜用酸性溶液化銑。主要原因是:鋁在酸性環(huán)境中的穩(wěn)定性高于堿性環(huán)境,在酸性環(huán)境中,鋁以水合氧化鋁的形式在表面生成一層鈍化膜,對鋁起到保護作用,使其不被腐蝕;但鋁合金中的銅、鋅、鐵等合金或雜質(zhì)元素容易被溶解在化銑液中,且電位都較鋁正,極易在鋁合金表面置換析出,并呈分散的點狀,從而使鋁合金零件化銑后形成粗糙的表面。對比2種堿性化銑液,采用添加劑為三乙醇胺的化銑液時,化銑效果更好,根據(jù)實際生產(chǎn)應用情況,選擇化銑液2成本更低。此外在堿性溶液中,Li+與AlO2-會形成幾乎不溶的LiAlO2,因此不必專門針對合金中的鋰元素而加入特殊的添加劑。2.1.3表面粗糙度正交試驗結(jié)果根據(jù)2.1.2的結(jié)果,對化銑液2進行配比優(yōu)化。以NaOH、Na2S、Al3+和三乙醇胺的濃度作為4個影響因素,參照4因素3水平正交表L9(34)配制化銑液,因素水平見表3,設(shè)計的正交實驗方案見表4?；姇r,控制溫度在(85±1)℃,化銑深度為(2.0±0.2)mm,以樣品化銑后的表面粗糙度為評判標準。正交試驗結(jié)果及相關(guān)分析數(shù)據(jù)也列于表4。根據(jù)極差R的大小,可以判斷出溶液中NaOH對試樣表面粗糙度的影響最大,其次是Na2S和三乙醇胺,Al3+的影響最小。根據(jù)K值的大小,可以確定化銑液2各組分的最佳配比為:NaOH200g/L,Na2S35g/L,Al3+45g/L,三乙醇胺50g/L。采用如上優(yōu)化組分進行驗證試驗,化銑溫度85℃,化銑試樣在掃描電鏡下的微觀形貌如圖3所示,可見其表面腐蝕均勻,測得Ra較小(為0.842μm),說明這種化銑液適合銑切2197鋁鋰合金。2.2影響工藝條件的影響2.2.1溫度對表面粗糙度的影響實驗中發(fā)現(xiàn),化銑溶液的溫度對化銑速率的影響非常大,當采用最佳配比的化銑液2化銑相同厚度時,化銑速率隨溫度的變化情況見圖4,可見,每升高20℃,化銑速率增加近2倍。化銑試樣的表面粗糙度Ra隨溫度的變化也較大,見圖5。當溫度在65~85℃時,Ra隨溫度的升高而降低;但溫度較高時,Ra隨溫度升高而增大。在各溫度下化銑的試樣的金相圖見圖6,從圖中的表面形貌可看出其表面粗糙度隨溫度變化的情況與圖5一致,在85℃時表面粗糙度最低。根據(jù)實驗結(jié)果分析可知,在85℃左右進行化銑時,試樣的表面粗糙度較低(為0.842μm),化銑速率較高(為0.027mm/min),滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。2.2.2化銑厚度對ra試樣表面粗糙度隨化銑厚度的變化情況見圖7。隨著化銑厚度的增加,表面粗糙度越來越大,當化銑厚度不高于5mm時,Ra≤1.6μm,在要求的范圍內(nèi);但化銑厚度超過5mm時,Ra>1.6μm,且隨化銑厚度的增加,其值增大得很快。其主要原因,一方面是由于化銑液與鋁合金中各金屬元素反應的速率各不相同,隨著化銑厚度的增加,鋁合金的化銑時間延長,其反應程度差異增大,導致表面粗糙度增大;另一方面,由于形成鋁合金的晶粒隨厚度的增加而增大,故隨著化銑深度的加深,容易發(fā)生晶界腐蝕,也會導致粗糙度越來越大。3醇胺的化銑液1)針對2197鋁鋰合金,采用組分為NaOH(質(zhì)量濃度10~20g/L)的堿洗液和組分為NaOH,Na2S,Al3+和三乙醇胺的化銑液,可以較好地達到表面預處理和化銑的要求。2)化銑液的最佳配方為:NaO