鈦合金腐蝕加工技術(shù)你了解嗎

1序言鈦呈銀灰色，具有金屬光澤。鈦的密度為4.51g/cm3，高于鋁但低于鋼、銅和鎳，屬輕金屬范疇。鈦合金具有高熔點(diǎn)、高硬度和高抗拉強(qiáng)度，可塑性強(qiáng)（但有雜質(zhì)時(shí)會(huì)變脆、變硬），無(wú)毒、無(wú)磁性，耐高溫等優(yōu)良性能，其抗腐蝕性能是普通不銹鋼的15倍，對(duì)海水有特別強(qiáng)的抗腐蝕能力。因此鈦被工業(yè)界稱為“未來(lái)金屬”和“夢(mèng)金屬”，在工業(yè)應(yīng)用上已成為繼鐵、鋁后的“第三金屬”。鈦合金廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域：諸如在航空航天領(lǐng)域，鈦合金結(jié)構(gòu)件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上大量應(yīng)用；蘇-27、美國(guó)第三代戰(zhàn)斗機(jī)F-14、F-15及第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22等飛機(jī)上均大量應(yīng)用鈦合金，用量達(dá)15%～41%；在休閑體育用品中，有鈦制網(wǎng)球拍、羽毛球拍、高爾夫球頭和球桿等；在醫(yī)療行業(yè)，鈦合金生物相容性好的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，已應(yīng)用于假牙、骨骼和關(guān)節(jié)等人體修復(fù)領(lǐng)域。2腐蝕加工技術(shù)腐蝕加工是將工件置于化學(xué)溶液中，利用化學(xué)溶液對(duì)基體進(jìn)行腐蝕溶解的一種技術(shù)。其可通過(guò)控制化學(xué)溶液和對(duì)工件施加保護(hù)措施，在預(yù)定范圍和深度上精準(zhǔn)去除基體材料。腐蝕加工是一種存在擴(kuò)散、吸附、化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)等諸多局部反應(yīng)的過(guò)程。合金材料內(nèi)部因存在金屬電位差，在腐蝕加工時(shí)，化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)兩種過(guò)程同時(shí)存在，哪一種為主要過(guò)程需要根據(jù)金屬材料的成分及其含量而定。純金屬在腐蝕加工時(shí)，就是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，它的機(jī)理簡(jiǎn)單地說(shuō)就是晶界與晶粒的溶解。對(duì)于腐蝕液來(lái)講，原子（晶粒）間距較寬的地方溶解比較迅速，直到顯示出不平整的表面為止，而晶界上晶格的畸變和富集的雜質(zhì)，常常導(dǎo)致更加快速的溶解作用，從而可能會(huì)使整個(gè)晶粒受到凹坑狀的腐蝕，晶粒度越小，晶界腐蝕越輕。這種晶界腐蝕除了某些鋼種以外，對(duì)于機(jī)械性能或者疲勞性能的有害影響都是微不足道的。腐蝕加工與一般的機(jī)械加工方法有著根本的區(qū)別，在進(jìn)行腐蝕加工的過(guò)程中，沒(méi)有任何機(jī)械強(qiáng)制力加諸于所切削的表面上。此外，在保護(hù)層材料的有效保護(hù)下，腐蝕加工能夠非常巧妙而精確地從指定面積上把材料切削下來(lái)，并在需要的部位恰如其分地留下圖樣上規(guī)定的材料厚度。由于其工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)成本低，加工表面粗糙度值低，加工精度高，所以它在某些領(lǐng)域能夠完全取代一般的機(jī)械加工。其主要特點(diǎn)：①不會(huì)產(chǎn)生加工應(yīng)力，便于加工薄、易變形及面積大的零件。②不受金屬材料狀態(tài)的影響，不論是成形、熱處理還是硬化處理前后，都可采用腐蝕加工方法。③某些焊接、鉚接及膠結(jié)組合件，可以改為整體結(jié)構(gòu)，直接用腐蝕加工方法加工，從而減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減少工藝裝備，節(jié)約工時(shí)，縮短生產(chǎn)周期。④生產(chǎn)效率較高，可多零件同時(shí)加工。⑤零件浸入或出槽的速率較易控制，可以加工出錐形截面。⑥與鍛、鑄和機(jī)械加工方法相比，可節(jié)約金屬材料。⑦零件設(shè)計(jì)更改時(shí)，只需簡(jiǎn)單地變更保護(hù)型面，就可應(yīng)用于新零件的試制。⑧設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，適應(yīng)性好，尤其適用于加工型面復(fù)雜的零件。腐蝕加工可對(duì)零件進(jìn)行整體加工，亦可局部加工，按加工方式對(duì)腐蝕加工進(jìn)行分類如圖1所示。圖1腐蝕加工的分類3腐蝕加工技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用腐蝕加工作為一種特種加工技術(shù)，已成為制造飛機(jī)、宇宙飛船及火箭結(jié)構(gòu)等大型整體壁板蒙皮無(wú)法取代的加工方法，特別是對(duì)單雙曲度薄壁板蒙皮的加工。隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，腐蝕加工技術(shù)的重要性日益受到重視。（1）去除結(jié)構(gòu)中的“廢重”根據(jù)飛行器殼體的受力狀態(tài)和裝配工藝的需要，從板材的特定區(qū)域上把不必要的材料去除掉。就飛行器本身的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)而言，飛行器的外形往往是單曲度或雙曲度的表面形狀，由于使用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法在這類工件上開槽或銑凹陷等，要比化學(xué)腐蝕加工方法困難得多，所以腐蝕加工在飛行器機(jī)構(gòu)減重方面有明顯優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的飛行器設(shè)計(jì)利用腐蝕加工進(jìn)行減重。例如波音747飛機(jī)和前蘇聯(lián)Tu-144飛機(jī)上的鈦合金零件，都充分利用了腐蝕加工方法來(lái)減重。（2）應(yīng)用在整體結(jié)構(gòu)中腐蝕加工整體結(jié)構(gòu)與鉚接結(jié)構(gòu)相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)：①在氣動(dòng)性能方面，表面光滑，外形準(zhǔn)確，對(duì)稱性好。②在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，總體和局部的剛性好，強(qiáng)度-質(zhì)量比高，可減輕部件質(zhì)量15%～20%，還保證了氣密性。③能大大減少連接件的數(shù)量，裝配后變形小，可降低部件成本的50%左右。④改善了結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能。（3）加工錐度工件腐蝕加工的一大優(yōu)點(diǎn)就是能沿著長(zhǎng)度方向加工出厚度逐漸變化的長(zhǎng)而薄的錐度工件。在飛機(jī)機(jī)翼上，為獲得最高的結(jié)構(gòu)效率，根據(jù)機(jī)翼上受力分布的情況，從受力最大的翼根到受力最小的翼尖，使工件的尺寸連續(xù)均勻地變化。（4）加工難加工材料腐蝕加工幾乎能加工各種金屬材料，無(wú)論是強(qiáng)度超過(guò)1960MPa的超強(qiáng)度鋼，還是氧化物或氮化物硬化表面的鍛造、鑄造或擠壓的鈦合金，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司經(jīng)常將腐蝕加工用于葉片去除硬化層。（5）在擠壓型材上的應(yīng)用各種型號(hào)的擠壓型材已廣泛用于飛行器制造過(guò)程。由于擠壓型材表面常存在粗晶環(huán)，嚴(yán)重影響其機(jī)械性能，因此可利用腐蝕加工去除復(fù)雜型面擠壓型材的表面晶環(huán)。（6）加工薄壁工件可加工各種異形輪廓，如飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)尾和機(jī)身的外形輪廓加工等，可避免薄壁零件加工變形等現(xiàn)象。4腐蝕加工技術(shù)在民用工業(yè)中的應(yīng)用應(yīng)用腐蝕加工工藝可以加工鋁、鎂、鈦、鎳、銅和鋼鐵等多種金屬和合金，例如直齒錐齒輪精鍛模電極齒輪的齒頂修邊、齒寬鼓形加工等，可降低表面粗糙度值。我國(guó)已用腐蝕加工方法加工人工心臟瓣膜骨架、照相機(jī)鈦合金快慢盤、電阻絲片及過(guò)濾網(wǎng)等。我國(guó)某公司使用高速鋁合金腐蝕加工技術(shù)已加工出多種產(chǎn)品；美國(guó)的航空化學(xué)銑切公司用腐蝕加工方法加工賽車車身，使車身減重達(dá)90.8kg。5國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)鈦合金加工困難，一定程度上制約了其應(yīng)用。鈦合金腐蝕加工技術(shù)的出現(xiàn)，必將進(jìn)一步拓寬鈦合金的應(yīng)用前景。目前在國(guó)外，鈦合金腐蝕加工已作為一種減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的通用加工方法，腐蝕加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展。鈦合金腐蝕加工技術(shù)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。20世紀(jì)70年代，化學(xué)腐蝕加工這一課題已在發(fā)達(dá)國(guó)家有了相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始關(guān)注這一研究領(lǐng)域。由于涉及到專利及保密內(nèi)容，這方面的報(bào)道與書籍比較少。早期，美國(guó)最廣泛使用的鈦腐蝕液是以氫氟酸和鉻酸為基礎(chǔ)的混合溶液，英國(guó)使用的是氫氟酸和硝酸的混合溶液。但是現(xiàn)在國(guó)外一般都不使用含鉻酸的溶液，除了因?yàn)槠涑杀靖?，?huì)產(chǎn)生固有污染外，更重要的是用此溶液時(shí)會(huì)發(fā)生氫脆，致使加工后材料的機(jī)械性能較差。國(guó)內(nèi)在鈦合金應(yīng)用方面與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家有一定差距，使用鈦合金零件數(shù)量有限，鈦合金腐蝕加工技術(shù)尚未有完整的產(chǎn)業(yè)鏈，處于起步階段。由于國(guó)防的需要，我國(guó)研究人員開始重視對(duì)鈦及其合金腐蝕加工的研究，南昌航空大學(xué)對(duì)TC1和TC4兩種鈦合金腐蝕加工工藝的研究已相對(duì)成熟，研制的腐蝕加工液具有加工壽命長(zhǎng)、環(huán)境污染小及加工表面粗糙度值低等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)常見的腐蝕加工液有氫氟酸型、氫氟酸-硝酸型、氫氟酸-鉻酸型和硅氟酸型。目前鈦合金腐蝕加工技術(shù)在國(guó)內(nèi)已進(jìn)行了少量生產(chǎn)應(yīng)用，主要集中在航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠和主機(jī)裝配廠等鈦合金應(yīng)用較多的企業(yè)，通過(guò)腐蝕