新型高強合金Ti-55531氧化鋁吹砂工藝

楊曉娟，阮新科，張玉爽

（中航飛機起落架有限責任公司，陜西 漢中 723200）

0 引言

Ti-55531是一種新型近β型鈦合金，具有高強度高韌性等特點，目前主要用于波音787和空客A350飛機起落架、機翼等承力部件[1]，在我國C919大型民用飛機上也被推廣應用。Ti-55531鈦合金是俄羅斯VSMPO公司與法國空客公司以BT-22合金為基礎研發的一種新型亞穩β鈦合金，名義成分為Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr[2-5]，這種新型鈦合金既具有良好的斷裂韌性和高強度匹配特性，比較適用于機翼、發動機掛架之間連接裝置的制造[6-7]。

吹砂在飛機起落架零件生產中作為一種清理表面，是提高涂層的附著力的重要加工工藝，廣泛應用于熱處理、電鍍、噴丸后等工藝中。氧化鋁吹砂主要功能就是把工件表面的雜質及氧化皮清除掉，提高涂層的附著力，分散結構體內在的殘余應力，并使工件表層產生壓應力，提高其疲勞強度使工件表面缺陷和機械加工廢品。經過多年生產實踐，逐漸發現吹砂后零件的尺寸變化、粗糙度變化直接影響產品質量。不同的吹砂介質、風壓、距離、角度、砂流量、吹砂時間都會引起不同程度的尺寸、粗糙度、弧高值變化。為此，通過工藝試驗探索鈦合金Ti-55531材料在不同的風壓、距離、時間下進行氧化鋁吹砂，零件的尺寸損失、粗糙度及經噴丸零件吹砂后弧高值減少量。

1 吹砂原理

吹砂裝置，按其作用原理可分為吸入式、重力式和壓出式3種。吸入式壓縮空氣從噴嘴中噴出，使混合室內產生負壓，使砂礫經由管道吸入混合室與空氣混合后從噴嘴噴出。重力式，是吸入式的一種特殊形式，其不同之處在于儲砂罐位于混合式上方，砂礫借自身重力落入混合室。壓出式及壓力室的壓縮空氣與管道壓力相近，砂礫靠自身重力由壓力室落入混合室，隨后與橫向吹來的壓縮空氣混合并得到一定的輸送速度至噴嘴時，壓縮空氣迅速膨脹，砂礫再次被加速噴出。

吹砂裝置以壓縮空氣為動力，將砂粒從噴槍口壓出，形成高速的砂流，利用高速砂流的沖擊作用清理和粗化基體表面的過程。由于砂礫對工件表面的沖擊和切削作用，使工件的表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，使工件表面的機械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲勞性，增加了它和涂層之間的附著力[8-9]。

1.1 試驗材料

試樣材料選用Ti-55531合金，化學成分見表1[10]，吹砂介質：氧化鋁F150。

表1 Ti-55531合金化學成分（W%）

1.2 試樣及試件

（1）材料：Ti-55531；規格：φ60×6mm；吹砂前粗糙度Ra≤0.8μm。用途：測量吹砂后試樣的尺寸損失及粗糙度。

（2）A型 Almen試件；數量：6件；弧高值：0.15～0.4mm。

用途：測量經噴丸處理的試件吹砂后弧高值減少量。

1.3 吹砂設備

工藝試驗設備鈦合金吹砂機（KXP1010A-T）。噴砂房內部尺寸L1000×W1000×H1800mm噴嘴直徑8mm砂流量為1.3kg/min 。

2 工藝試驗

在產品制造過程中發現部分零件吹砂后尺寸及粗糙度發生改變，導致后續出現更為嚴重的質量問題。從提高產品質量的角度出發，本試驗主要通過研究不同風壓、不同距離、不同吹砂時間下氧化鋁吹砂對零件尺寸、粗糙度及對噴丸零件弧高值的影響，為實際生產提供數據參考。

2.1 尺寸損失及粗糙度試驗

分別在風壓0.2MPa、0.3MPa下，距離100mm、200mm、300mm，對試樣吹10s、20s、30s后對測量并計算試樣的尺寸損失和粗糙度，見圖1。

圖1 吹砂裝置

圖1 氧化鋁吹砂對Ti55531材料尺寸損失、粗糙度的影響

2.2 噴丸零件弧高值減少量試驗

A型 Almen試件，在風壓0.2MPa、0.3MPa下，距離100mm對試樣分別吹10s、20s、后測量弧高值并計算弧高值損失量，見圖2。

圖2 氧化鋁吹砂對Ti55531材料噴丸零件的影響

3 結果分析

在不同風壓和距離下吹砂，當吹砂時間為10s時，Ti-55531材料試樣尺寸損失無明顯變化；當風壓為0.3MPa，距離為100mm，吹砂時間30s時，尺寸損失達到最大0.017mm。當風壓為0.2MPa時，在不同距離和吹砂時間，粗糙度Ra在1.2μm～1.5μm；當風壓為0.3MPa時，距離為100mm，吹砂時間30s時，粗糙度達到最大Ra=1.95μm。因此，Ti-55531材料的電鍍零件應根據尺寸損失來確定零件鍍前及鍍后尺寸以保證鍍層尺寸滿足要求。同時結合粗糙度來選取合適的砂粒目數確保鍍層結合力等要求。

經噴丸后的零件，連續吹砂10s后弧高值減少0.004mm～0.020mm，連續吹砂20s后弧高值減少0.019mm～0.038mm。按照噴丸零件吹砂后的尺寸損失不應該超過0.025mm或者導致噴丸完成之后殘余應力在ALMEN 試片的弧高值的減少量大于10%的要求，Ti-55531材料的噴丸零件吹砂不宜超過10s。

4 結論

經驗證，Ti-55531合金經氧化鋁F150，風壓0.2～0.3MPa，距離100mm～300mm，時間10s～30s，吹砂后：

（1）尺寸損失量及粗糙度與風壓、吹砂時間成正比，與吹砂距離成反比。

（2）經噴丸后的零件，在風壓0.2～0.3MPa，距離≤100mm時，連續吹砂時間不能超過10s。

（3）吹砂后零件的粗糙度主要取決于吹砂工藝過程參數及砂粒目數的選擇，與吹砂前零件的粗糙度無關。