化學銑切參數對TA15鈦合金XRD的影響

萬 斌,趙遠濤,李文戈

(1. 上海民航職業技術學院,上海 200232; 2. 上海海事大學,上海 201306)

目前,鈦及鈦合金的加工方法主要為機械加工,與傳統的金屬材料相比,鈦及鈦合金的機械加工性能較差,如導熱系數低導致磨削溫度高,磨削比很低,彈性模量低,化學活化性強,表面質量不易保證,容易出現零件變形、應力集中,無法保證尺寸要求等,機械加工性能較差是長期以來困擾鈦合金加工的主要問題之一[1-9]。

化學銑切是一種腐蝕加工方法,依靠化學溶液腐蝕溶解金屬表面實現加工,為鈦合金結構和零件的加工及維修提供了一種有效方法[10-17],也有研究者采用化學銑切方式減輕某型發動機鈦合金葉片、機匣等結構件的質量[18]。

TA15鈦合金是近α相鈦合金,兼有α相和α+β相鈦合金的特點,具有較好的焊接性、耐腐蝕和扛蠕變性能,在航空航天領域應用廣泛[19-21]。鈦合金的力學性能取決于它的組織結構,隨著初生相α相減少,合金強度下降,塑性增高[22]。所以,研究化學銑切參數對TA15鈦合金組織結構的影響對于TA15鈦合金的應用具有重要意義[23-24]。

1 試 驗

試驗所用TA15板材由寶雞市嘉祥金屬材料有限公司提供,按照GB/T 3621-2007《鈦及鈦合金板材》采用冷軋退火處理,對TA15板材的組織結構進行XRD表征。

化銑基本工藝如下:基礎化銑溶液為氫氟酸75 mL/L+硝酸150 mL/L+十二烷基硫酸鈉0.2 g/L+乙二醇單丁醚30 mL/L+尿素10 g/L,化銑溶液溫度為30 ℃,豎直放置,攪拌速率為500 r/min,化銑溫度為30 ℃,化銑時間為2 h。通過改變單一因素,考察了各項化銑因素(攪拌速率、溶液配比、化銑時間、添加劑含量、化銑溫度及擺放位置)對TA15鈦合金XRD圖譜的影響。

2 結果與討論

2.1 TA15鈦合金的組織結構

由圖1可見,TA15合金的主要組成相為初生α相與殘留β相,該β相為晶間相。與標準HCP結構純鈦的XRD衍射峰相比,TA15鈦合金α相(002)晶面的衍射峰具有擇優取向,說明該工藝下制備的TA15合金表層具有較多的平行于表面的(002)晶面,即合金具有(002)晶面的軋制板織構。

圖1 TA15合金的XRD圖譜Fig. 1 XRD pattern of TA15 alloy

2.2 化銑參數對TA15鈦合金XRD的影響

2.2.1 攪拌速率的影響

由圖2可知,無論是否攪拌,TA15鈦合金表面α相的衍射峰強度都發生了明顯的變化,說明化銑之后α相衍射面的擇優取向發生了改變,這是由于TA15鈦合金在軋制熱處理過程中形成的軋制板織構空間分布不均勻。在表面存在較強的{002}面板織構,而在合金內部存在著{103}面的板織構。經表面化銑后,TA15鈦合金內部的{103}面板織構組織裸漏,(103)晶面衍射強度增加。尤其是在600 r/min下,高轉速使得α相表面的鈍化物不易產生,故α相被腐蝕,從而導致圖2(d)所示的XRD衍射圖譜。另外,TA15鈦合金經化銑后,β相在38°左右的峰出現,說明化銑之后α相的含量減少,β相的含量增加,這與SEM等結果一致。

(a) 0 r/m (b) 300 r/m (c) 500 r/m (d) 600 r/m

2.2.2 HF與HNO3體積比的影響

由圖3可知,在不同HF與HNO3體積比化銑溶液中化銑后, 所有試樣表面β相在38°左右都出現了衍射峰峰,說明化銑之后α相的含量減少,β相的含量增加。仔細觀察可以發現,隨著HF與HNO3體積比的增加,鈦(002)晶面的衍射相對強度逐漸減低,而(103)晶面的相對強度有增加的趨勢,說明更多的平行于表面的(103)晶面出現。這是由于隨著HF含量的增加,α相表面的鈍化膜不易出現,從而促進了α相的腐蝕,使TA15鈦合金內部的{103}晶面裸露。

(a) 1∶2 (b) 2∶3 (c) 1∶1

2.2.3 擺放位置的影響

由圖4可知,放置位置對化銑后試樣表面XRD圖譜的影響不大。兩者并未出現明顯差別,其(002)晶面的相對強度變化不大,而(103)與(200)晶面的衍射強度相對降低。這可能是由于水平放置時,TA15鈦合金的表面化銑速率相對較低。同理,在溶液內部上、中、下排布時,其組織結構影響不大,故未放置XRD圖。

(a) 豎立擺放

2.2.4 化銑時間的影響

由圖5可見:隨著化銑時間的延長,TA15鈦合金表層的XRD衍射線形發生了明顯的改變,其中(002)晶面的衍射相對強度逐漸減小,(110)、(103)與(200)晶面的衍射強度有增加的趨勢,尤其是化銑2 h以后,三個晶面的相對強度迅速增加。這主要是由于隨著化銑時間的延長,TA15鈦合金表層的腐蝕深度逐漸增加,使其內部的晶面裸露造成的。另外,在所有的化銑試樣中,β相在38°左右的峰出現,說明化銑之后α相的含量減少,β相的含量增加。

(a) 0.5 h (b) 1 h (c) 2 h (d) 3 h

2.2.5 添加劑含量的影響

由圖6可見:在未添加與添加十二烷基硫酸鈉(SDS)、脲、丁二醇單丁醚的HF+HNO3溶液中化銑后,TA15鈦合金的表面XRD圖譜形狀幾乎一致說明,是否添加有機溶劑對TA15鈦合金表層組織結構的影響較小。但是仔細觀察仍可以看出,添加有機溶劑后,鈦的(002)晶面的相對衍射強度略微降低,這可能是由于有機溶劑的添加促進了鈦腐蝕產物從合金表面的脫離,提高了合金的腐蝕速率,因此合金表層出現相對較多的腐蝕溶解。

(a) 未添加有機溶劑 (b) 添加有機溶劑

2.2.6 化銑溫度的影響

圖7為不同化銑溫度下,TA15鈦合金表層的XRD圖譜。由圖7可知,在所有的化銑試樣中,β相在38°左右的峰出現,說明化銑之后α相的含量減少,β相的含量增加。同時,隨著化銑溫度的增加,鈦的(002)晶面的相對衍射強度逐漸減小,尤其當化銑溫度超過50 ℃時,(002)晶面的衍射強度迅速降低,而(110)、(103)與(200)晶面的相對衍射強度有增加的趨勢。這是由于隨著溫度升高,反應粒子擴散速度以及電荷轉移速度都得到提高,使得鈦合金在溶液中腐蝕傾向增加,從而增加了鈦合金的腐蝕速率,使得鈦合金內部的組織結構裸露。另外,20 ℃與30 ℃化銑后,TA15鈦合金表層的XRD衍射線形幾乎一致,說明較低溫度化銑對鈦合金表面的化銑腐蝕速率影響較小,腐蝕深度較淺。

(a) 20 ℃ (b) 30 ℃ (c) 40 ℃

3 結論

高轉速使得α相表面的鈍化物不易產生,導致α相發生強烈的選相腐蝕;隨著HF含量的增加,α相表面的鈍化膜不易出現,促進了α相的腐蝕;隨著化銑時間的延長,TA15鈦合金表層的腐蝕深度逐漸增加,使其內部的晶面裸露;隨著溫度升高,反應粒子擴散速率以及電荷轉移速率都得到提高,使得鈦合金在溶液中腐蝕傾向增加,從而增加了鈦合金的腐蝕速率,使得鈦合金內部的組織結構裸露,所以,增加攪拌速率、溶液配比、化銑時間和化銑溫度都會使化銑之后α相的含量減少,β相的含量增加;擺放位置和添加劑對TA15鈦合金表層組織結構的影響較小。