鈦合金表面清理工藝研究

馬學(xué)宇

摘 要：鈦合金具有高強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕和耐高溫特性，在航空產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用于制造壓氣機(jī)部件，如葉輪、鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、鑄鈦壓氣機(jī)機(jī)匣、中介機(jī)匣、軸承殼體等。但是鈦合金中溶解過多的氫會(huì)產(chǎn)生氫化物，使合金變脆。切削液中的氯化物使用時(shí)還可能分解或揮發(fā)有毒氣體，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，切削后應(yīng)及時(shí)用不含氯的清洗劑徹底清洗零件，清除含氯殘留物。鈦的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，鉛或鋅基合金、銅、錫、鎘制作的工、夾具與鈦合金接觸會(huì)改變鈦合金表面金屬性質(zhì)狀態(tài)。因此，鈦合金零件在零件加工過程中應(yīng)避免與污染物接觸，或者應(yīng)消除已經(jīng)被污染的表面。文章研究了鈦合金零件在機(jī)械加工中、裝配、熱處理、檢測(cè)、洗滌和包裝過程中表面清理方法。

關(guān)鍵詞：鈦合金；表面清理；工藝

1 研究意義和主要內(nèi)容

鈦合金具有高強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕和耐高溫特性，在航空產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用于制造壓氣機(jī)部件，如葉輪、鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、鑄鈦壓氣機(jī)機(jī)匣、中介機(jī)匣、軸承殼體等。但是鈦合金中溶解過多的氫會(huì)產(chǎn)生氫化物，使合金變脆。切削液中的氯化物使用時(shí)還可能分解或揮發(fā)有毒氣體，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，切削后應(yīng)及時(shí)用不含氯的清洗劑徹底清洗零件，清除含氯殘留物。鈦的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，鉛或鋅基合金、銅、錫、鎘制作的工、夾具與鈦合金接觸會(huì)改變鈦合金表面金屬性質(zhì)狀態(tài)。因此，鈦合金零件在零件加工過程中應(yīng)避免與污染物接觸，或者應(yīng)消除已經(jīng)被污染的表面。

目前隨著鈦合金零部件的大量生產(chǎn)，抗疲勞制造概念在航空企業(yè)中逐步被應(yīng)用到工程實(shí)踐中，對(duì)零件表面狀態(tài)的要求愈來愈高。在2010年以來，各航空企業(yè)分別對(duì)鈦合金零件按照理論分析提出一些制造過程中的要求，但是在實(shí)際工藝過程中采用的有效控制措施水平參差不齊，還不夠完善和系統(tǒng)。對(duì)于鈦合金零件在加工過程中采用的防污染方法的研究還不夠系統(tǒng)和全面。

本文通過研究典型的鈦合金葉輪在加工中進(jìn)行抗污染工藝策劃，重點(diǎn)清理鈦合金零件在加工中污染的來源，采取抗污染措施，闡述鈦合金零件在加工中抗污染技術(shù)。

2 鈦合金材料基本簡(jiǎn)介

鈦的化學(xué)活性大，與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。含碳量大于0.2%時(shí)，會(huì)在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC；溫度較高時(shí)，與N作用也會(huì)形成TiN硬質(zhì)表層；在600℃以上時(shí)，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升，也會(huì)形成脆化層。吸收氣體而產(chǎn)生的硬脆表層深度可達(dá)0.1～0.15mm，硬化程度為20%～30%。鈦的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小。鈦的導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/（m.K）約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，故其剛性差、易變形，不宜制作細(xì)長(zhǎng)桿和薄壁件，切削時(shí)加工表面的回彈量很大，約為不銹鋼的2～3倍，造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結(jié)磨損。

3 鈦合金零件在加工中抗應(yīng)力腐蝕和污染措施

3.1 鈦合金的應(yīng)力腐蝕

由于加工、裝配或成型操作會(huì)引起一定程度的張應(yīng)力，張應(yīng)力越大，應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)就越高。因此，控制產(chǎn)生最低張應(yīng)力的方法是至關(guān)重要的。相反，材料內(nèi)部的壓應(yīng)力對(duì)零件有利。

主要的鈦合金材料其應(yīng)力腐蝕的敏感度分為3個(gè)類別：

高敏感度的鈦合金材料：TA5E；TA8DV

普通敏感度的鈦合金材料：TA6V；TA6Zr4DE；TAD6Zr4E；TA6ZrD

低敏感度的鈦合金材料：T40；T50；T60；TU2

航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中通常使用的合金是上面加下劃線的材料。

應(yīng)力腐蝕只有在由污染物存在的情況下發(fā)生。禁止和預(yù)防接觸的物質(zhì)詳細(xì)敘述在第2條中。當(dāng)污染物殘留在零件上，溫度較高（尤其250℃以上）或長(zhǎng)時(shí)間處于高溫條件下，應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)上升。

3.2 污染物

在產(chǎn)品制造中區(qū)別不同的合金和零件每部分應(yīng)力的情況是十分困難的，下面的規(guī)定適用于全部的鈦合金零件。

（1）禁止接觸的物品：氣態(tài)或液態(tài)的有機(jī)鹵化劑（氯化的、氟化的……）：含氯的切削液；工業(yè)酒精或含有工業(yè)酒精的產(chǎn)品。（2）鈦合金與鎂、銀、鎘金屬直接接觸是不允許的。特別是制造中使用的工具不能鍍鎘，但可以鍍鎳、磷化或堿性發(fā)藍(lán)處理。（3）低熔點(diǎn)化合物（石蠟等）殘留痕跡一定要確保在最終表面形成前被去除，相同的限制也包括低熔點(diǎn)金屬（鉛、錫、鋅和它們的合金）。

4 拋光方法清理表面技術(shù)的研究

去除零件表面全部毛刺，采用刮刀、旋轉(zhuǎn)銼等。考慮材料因素，所有的拋光砂紙，紗布和油石等磨粒均應(yīng)選擇碳化硅材質(zhì)。拋光輪硬度為中軟級(jí)、其粒度必須在240～600之間。

可以采用油石和拋光棉相結(jié)合的方法，用油石拋修型面，去除大余量，用拋光棉提高表面粗糙度。也可以用砂布完成所有拋光過程。可選用風(fēng)動(dòng)工具選用大小合適的磨頭柄及磨頭，使其可進(jìn)入葉輪流道。拋光工具轉(zhuǎn)速為10000r/min。首先把砂布纏在工具上，其中砂紙為碳化硅砂紙，粒度為150、240，分別用于粗、精加工。然后開始拋修葉片及流道。如采用碳化硅去毛刺拋光刷進(jìn)行，拋光刷高速旋轉(zhuǎn)500r/min，零件相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向移動(dòng)。要保證多角度，多位置，每一個(gè)楞邊都能拋到。一般操作2min后檢查倒角去毛刺情況，用手指在齒面上觸摸，應(yīng)圓滑，沒有尖銳的感覺即合格。如果局部有刮擦感應(yīng)再拋一遍。按需采用磨粒流工藝提高表面質(zhì)量，所有表面光度進(jìn)一步提升。目前典型的碳化硅磨料，經(jīng)過磨粒流處理的表面去除余量不大于0.005mm。

5 清洗方法研究

5.1 消磁

在加工過程中直接或間使零件磁化，因此在最后的清洗前所有零件都要進(jìn)行消磁處理，所有零件消磁處理至少應(yīng)達(dá)到磁場(chǎng)強(qiáng)度不超過3高斯（零件功能要求均有磁性的除外）。當(dāng)個(gè)別零件要求磁化時(shí)，應(yīng)單獨(dú)處理達(dá)到要求。在加工中保持規(guī)定的磁性，零件應(yīng)被保護(hù)。

5.2 普通清洗

鈦合金零件不應(yīng)與甲醇溶劑或氯化物溶劑（如三氯乙烯，三氯乙烷）接觸。用潔凈的紗布蘸丙酮，丁酮或者異丙酮擦拭零件表面去除油污。無斷續(xù)水膜狀態(tài)：該狀態(tài)是指當(dāng)一個(gè)零件在水中浸漬后，在其表面形成一層連續(xù)水膜，并且該水膜至少在10s內(nèi)不會(huì)形成小水珠的狀態(tài)。

5.3 壓力沖洗

帶有深凹槽的零件應(yīng)進(jìn)行壓力沖洗，沖洗前溶液應(yīng)經(jīng)過5μ的過濾器過濾。這類零件包括導(dǎo)管，燃油總管，閥套和鑄件中內(nèi)部管道。（1）在沖洗工序前，零件應(yīng)先進(jìn)行脫脂處理。（2）不能用水加壓沖洗易腐蝕的合金。（3）每個(gè)內(nèi)部管道至少加壓沖洗30秒，實(shí)際工作中，至少反向沖洗30秒。（4）沖洗過程中的機(jī)械振動(dòng)對(duì)清洗有內(nèi)部空腔和管道的零件很有幫助。

5.4 去離子水沖洗零件

檢查濕的零件中酸溶液是否去除干凈，在可能殘留酸的部位，放置上藍(lán)色石蕊試紙。如果試紙變紅，說明有殘留酸的存在，零件應(yīng)該重新水洗。如果試紙無明顯變色，認(rèn)為酸已經(jīng)去除干凈。

6 結(jié)束語

本文研究了鈦合金零件表面清理方法和一些典型清洗工藝，獲得了可以提升鈦合金零件加工質(zhì)量的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]于馨芝.機(jī)械設(shè)計(jì)、制造工藝、質(zhì)量檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范全書[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]王啟平.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002.