鈦合金鍛件表面酸洗工藝試驗研究

文/呂孝根，張海成，羅恒軍，張富淇，唐慶·中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司 萬志奇·中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院

鈦及鈦合金由于具有很高的強度和耐蝕性，已成為一種新興的輕金屬材料，并在國防軍工、石油化工、制藥領域及醫療器械、海水淡化裝置等方面得到廣泛應用。并且，因其具有比強度高、耐高溫、導熱率低、無毒、生物相容性好等一系列優點而被應用于航空、航天、建筑、體育用品等軍用和民用領域。

Ti-6Al-4V 鍛件經過噴砂工藝后，鍛件表層硬化層較厚，給后續機加工造成困難。因此，在噴砂工序完成后，需通過酸洗將其硬化層去除，并按工藝要求去除壁厚以達到所需工藝要求。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，容易引發比較嚴重的二次問題。針對以上問題，研究在不同酸洗條件下的腐蝕及氫脆現象，分析影響因素及機理，并制定優化的熱處理工藝，以減少氧化層及氫脆。

試驗方案

將鍛件進行吹砂處理后，采用線切割加工成所需試塊，并標記0#～7#，分別對試樣進行磨拋，去除切割造成的氧化層。對初始樣品表面進行XRD 測試和顯微硬度測試，確定表面相結構和硬化層深度。然后將其在不同配方的酸性溶液中進行腐蝕，分別恒溫水浴15 分鐘后取出試件，將其按照相同的工藝執行，測量酸洗后樣品氫含量、失重率、表層相結構以及硬度變化。酸洗液配方見表1。

表1 鍛件表面酸洗液配方

試驗結果

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。

從圖1 中可以看出，初始試樣表面呈黑褐色，經酸洗后，表面都返現出金屬光澤。7#樣品表面呈現氮化后的彩色形貌。失重率測試結果見表2。

表面相結構變化

圖1 Ti-6Al-4V 鍛件試樣酸洗后表面形貌

表2 酸洗后樣品失重率統計

圖2 Ti-6Al-4V 鍛件樣品酸洗后表面XRD 圖譜

對酸洗前后Ti-6Al-4V 鍛件試樣表面相組成分別進行XRD 分析，結果如圖2 所示。可以看出，1#～7#試樣XRD 圖譜較統一，表面α 相已經得到較好的去除。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α 相的進一步去除有質的提升。

酸洗后Ti-6Al-4V 氫含量變化

氫含量測定結果和對應的腐蝕液成分見表3。

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 含量最低。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，又對氫具有脫吸附的作用。因此，4#和6#可作為最優酸洗備選配方。

酸洗后表面硬度變化

酸洗后試樣的硬度變化匯總見表4。其中，所有樣品表面皆在離散位置，選擇5 處進行硬度測試，每兩個點的距離遠大于壓痕對角線長度的2.5 倍。

從酸洗后硬度測試結果可以看出，0#初始試樣表面硬度極高，但經過酸洗后，表面硬度顯著降低。其中，1#試樣表面硬度相對較高，因其酸洗液HF 含量較低，所以導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，考慮到硬度測試本身的誤差，可以認為，其他試樣表面硬化層都已經全部清除干凈。

通過上述試驗可知最優的酸洗液配方為：1%～ 3%HF+25%～30%HNO3，鍛件經過該配方酸洗后，表面如圖3 所示。

經測定酸洗后鍛件表面硬化層0.058mm，氫含量0.002%，滿足客戶要求。

表3 酸洗后H 含量測試結果統計

表4 酸洗前后樣品表面硬度值(HV0.5)

圖3 酸洗后表面硬化層示意圖

結束語

本文通過試驗驗證，在不同配比酸洗液清洗下，對Ti-6Al-4V 鍛件表面硬化層去除的變化，找到了最優的酸洗液配方為1%～3%HF+25%～ 30%HNO3(酸洗條件為25℃室溫，酸洗時間15min)，為后續此類鍛件酸洗處理提供了有效的解決方案。

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