鈦合金在HF-HNO3混合酸中酸洗試驗分析

杜興盛 王輝

摘? 要：鈦合金的酸洗通常在HF-HNO3混合酸液中進行。在酸洗過程中，最重要的問題是防止鈦及其合金的吸氫，因為鈦合金在氫含量超過一定量后，其所值零件對應力集中敏感，使沖擊韌性或缺口抗拉強度顯著下降，或是構件在低速變形時發生脆斷，這種在較低的應力作用下，會導致在工作過程中發生脆性斷裂的現象就是氫脆。該文針對HF-HNO3混合酸不同濃度及腐蝕時間進行試驗，摸索了不同槽液濃度、時間對鈦合金材料氫量的影響規律，并對試驗速度進行了分析。

關鍵詞： 鈦合金;酸洗;HF;HNO3

中圖分類號：TQ153? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

隨著航空工業的發展，鈦合金的應用越來越廣泛。發動機上鈦合金鍛件、鑄件以及鈑金沖壓、焊接件，退火、鍛、鑄加熱及隨后的熱處理，均需清除在加熱形成的氧化皮及被氧、氮污染的脆化層。通常采用酸洗的方法清除。除此之外，鈦合金制造的關鍵零件象盤類等需要采用酸腐蝕的方法進行缺陷檢查。鈦合金的酸洗通常在HF-HNO3混合酸液中進行。在酸洗過程中，最重要的問題是防止鈦及其合金的吸氫，因為鈦合金在氫含量超過一定量后，對應力集中敏感，使沖擊韌性或缺口抗拉強度顯著下降，構件在低速變形時發生脆斷。這種在較低的應力作用下，導致在工作過程中發生脆性斷裂的現象就是氫脆。因此，在酸洗過程中，為了避免吸氫，必須控制好HF和HNO3的濃度比例及槽液溫度。該項目對鈦合金材料的酸洗工藝做了一些摸索試驗工作。目的就是確定使用上述材料在不同狀態下進行酸洗的基本不吸氫的HF-HNO3混合酸槽液和酸洗工藝制度。

1 HF-HNO3混合液酸洗原理

HF-HNO3混合水溶液酸洗是通過HF的溶解和HNO3的氧化綜合利用而達到要求的酸洗目的，通過調整HF和HNO3的濃度可以控制酸洗速度及制件的光度，控制兩者的比例，可以避免吸氫。酸洗時腐蝕溶解反應按下式進行：2Ti+6HF = 2TiF2+3H2↑;氧化反應按下式進行：3Ti+4HNO3+12HF = 3TiF4+4NO↑+8H2O? 。

2 試驗

酸洗液配方：

1）3%HF + 20%HNO3 + 77%H2O。

2）3%HF + 30%HNO3 + 67%H2O。

3）1%HF + 10%HNO3 + 89%H2O。

4）1%HF + 99%H2O。

3 試驗結果與分析

3.1 鈦合金原材料在不同槽液中酸洗去除金屬量及氫含量的試驗結果

由試驗結果可知：1號槽液中，15 min去除量及氫含量分別為0.0425 mm和0.0045%，30 min去除量及氫含量分別為0.05 mm和0.005%，60 min去除量及氫含量分別為0.0725 mm和0.0055%;2號槽液中，15min去除量及氫含量分別為0.0225 mm和0.0004%，30 min去除量及氫含量分別為0.03 mm和0.0006%，60 min去除量及氫含量分別為0.05 mm和0.0008%;3號槽液中，15 min去除量及氫含量分別為0.015 mm和0.0004%，30min去除量及氫含量分別為0.0225 mm和0.0006%，60 min去除量及氫含量分別為0.0325 mm和0.0008%;4號槽中，15 min去除量及氫含量分別為0.01 mm和0.0053%，30 min去除量及氫含量分別為0.02 mm和0.0068%，60 min去除量及氫含量分別為0.025mm和0.008%。

3.2 被氧、氮污染的鈦合金在不同槽液中酸洗去除金屬量和氫含量的試驗結果

由試驗結果可知：1號槽液中，15 min去除量及氫含量分別為0.034 mm和0.005%，30 min去除量及氫含量分別為0.04 mm和0.0052%，60 min去除量及氫含量分別為0.0575 mm和0.0055%;2號槽液中，15min去除量及氫含量分別為0.0175 mm和0.0002%，30 min去除量及氫含量分別為0.025 mm和0.000%，60 min去除量及氫含量分別為0.034 mm和0.000%;3號槽中，15 min去除量及氫含量分別為0.0125 mm和0.0004%，30 min去除量氫含量分別為0.02 mm和0.0003%，60 min去除量及氫含量分別為0.029 mm和0.0005%;4號槽中，15 min去除量及氫含量分別為0.0075 mm和0.0061%，30 min去除量及氫含量分別為0.015 mm和0.0071%，60 min去除量及氫含量分別為0.02 mm和0.0094%，如圖1所示。

3.3 結果分析

由上述3.1和3.2中試驗結果可知，酸洗時，金屬的去除量隨著時間的延長，去除量越大。1號酸洗液最快，2、3號次之，而不含HNO3的4號酸洗液速度最慢。酸洗速度隨著HF含量的增大而增大;但當硝酸濃度增加到20%時，腐蝕速度下降，增加到30%時，腐蝕速度穩定幾乎保持不變。另外，由3.1和3.2試驗結果比較發現，表面污染層酸洗時的金屬損耗比沒有污染的合金本身酸洗金屬損耗要小，也就是說，當鈦合金表面被污染時，其抗腐蝕性能將比基體有所提高。

酸洗時的吸氫情況，4號酸洗液不含硝酸，試樣氫含量明顯增加，這表明酸洗時，槽液中沒有氧化劑硝酸是不行的。2號3%HF + 30%HNO3 和3號1%HF + 10%HNO3 2種槽液酸洗試樣基本不吸氫。1號酸洗液3%HF + 20%HNO3酸洗后，試樣氫含量略有提高，但吸氫現象不嚴重。根據資料介紹當HF酸濃度3%時，硝酸含量低于20%，酸洗反應存在明顯的吸氫現象。從3.1和3.2中吸氫數據分析，4種槽液對材料氫含量影響都不大。但對于一些板材成型件、焊接件，為了控制酸洗速度，防止焊縫和零件過腐蝕，采用一號或二號酸洗液較為合適。

4 結論

4.1 HF-HNO3含量不同對鈦合金及其污染層的酸洗速度的影響

鈦合金表面污染層的酸洗過程中，當HF為1%～4%，HNO3的添加量在5%～10%范圍內時，酸洗速度最大。隨著HF含量的增加，最大酸洗速度向HNO3濃度的較高方向移動，當HNO3含量在30%以上時，腐蝕速度保持不變。當槽液氫氟酸濃度增加，硝酸含量低于20%時，酸洗速度快，但試樣表面光度不好，且氫含量增加較快。

4.2 HF-HNO3含量不同對鈦合金吸氫現象的影響

當HF含量在3%以下，并且HF和HNO3之間的濃度比在1：10以上時，酸洗后的制件可以完全避免吸氫，HF和HNO3之間的濃度比大于1：10時有微量的吸氫現象。當槽液中含有3%的HF和30%的HNO3時，可以得到完全避免吸氫和較快的酸洗速度及較好的光亮的配合。

4.3 酸洗工藝參數

酸洗溫度以控制在40℃～60℃為宜，酸洗時間視制件污染層深度及酸洗零件的數量、面積大小而定。

參考文獻

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