鈦及鈦合金由于具有很高的強(qiáng)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(lǐng)域及醫(yī)療器械、海水淡化裝置等方面得到廣泛應(yīng)用。并且，因其具有比強(qiáng)度高、耐高溫、導(dǎo)熱率低、無毒、生物相容性好等一系列優(yōu)點而被應(yīng)用于航空、航天、建筑、體育用品等軍用和民用領(lǐng)域。

Ti-6Al-4V 鍛件經(jīng)過噴砂工藝后，鍛件表層硬化層較厚，給后續(xù)機(jī)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(dá)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(fā)比較嚴(yán)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(xiàn)象，分析影響因素及機(jī)理，并制定優(yōu)化的熱處理工藝，以減少氧化層及氫脆。

試驗方案

將鍛件進(jìn)行吹砂處理后，采用線切割加工成所需試塊，并標(biāo)記0#～7#，分別對試樣進(jìn)行磨拋，去除切割造成的氧化層。對初始樣品表面進(jìn)行XRD 測試和顯微硬度測試，確定表面相結(jié)構(gòu)和硬化層深度。然后將其在不同配方的酸性溶液中進(jìn)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(zhí)行，測量酸洗后樣品氫含量、失重率、表層相結(jié)構(gòu)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

 

注：0#為鍛件原始試樣，不進(jìn)行酸洗

試驗結(jié)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。

 

圖1 Ti-6Al-4V 鍛件試樣酸洗后表面形貌

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

表2 酸洗后樣品失重率統(tǒng)計

 

表面相結(jié)構(gòu)變化

對酸洗前后Ti-6Al-4V 鍛件試樣表面相組成分別進(jìn)行XRD 分析，結(jié)果如圖2 所示。可以看出，1#～7#試樣XRD 圖譜較統(tǒng)一，表面α 相已經(jīng)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(jìn)一步去除有質(zhì)的提升。

 

圖2 Ti-6Al-4V 鍛件樣品酸洗后表面XRD 圖譜

酸洗后Ti-6Al-4V 氫含量變化

氫含量測定結(jié)果和對應(yīng)的腐蝕液成分見表3。

表3 酸洗后H 含量測試結(jié)果統(tǒng)計

 

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#可作為優(yōu)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(jìn)行硬度測試，每兩個點的距離遠(yuǎn)大于壓痕對角線長度的2.5 倍。

表4 酸洗前后樣品表面硬度值(HV0.5)

 

從酸洗后硬度測試結(jié)果可以看出，0#初始試樣表面硬度極高，但經(jīng)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(dǎo)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(rèn)為，其他試樣表面硬化層都已經(jīng)全部清除干凈。

通過上述試驗可知Z優(yōu)的酸洗液配方為：（1%～3%）HF+（25%～30%）HNO3，鍛件經(jīng)過該配方酸洗后，表面如圖3 所示。

 

圖3 酸洗后表面硬化層示意圖

經(jīng)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。