钛合金表面清理工艺研究

马学宇

摘 要：钛合金具有高强度、低密度、耐腐蚀和耐高温特性，在航空产品中广泛应用于制造压气机部件，如叶轮、锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。但是钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。切削液中的氯化物使用时还可能分解或挥发有毒气体，产生应力腐蚀，切削后应及时用不含氯的清洗剂彻底清洗零件，清除含氯残留物。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象，铅或锌基合金、铜、锡、镉制作的工、夹具与钛合金接触会改变钛合金表面金属性质状态。因此，钛合金零件在零件加工过程中应避免与污染物接触，或者应消除已经被污染的表面。文章研究了钛合金零件在机械加工中、装配、热处理、检测、洗涤和包装过程中表面清理方法。

关键词：钛合金；表面清理；工艺

1 研究意义和主要内容

钛合金具有高强度、低密度、耐腐蚀和耐高温特性，在航空产品中广泛应用于制造压气机部件，如叶轮、锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。但是钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。切削液中的氯化物使用时还可能分解或挥发有毒气体，产生应力腐蚀，切削后应及时用不含氯的清洗剂彻底清洗零件，清除含氯残留物。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象，铅或锌基合金、铜、锡、镉制作的工、夹具与钛合金接触会改变钛合金表面金属性质状态。因此，钛合金零件在零件加工过程中应避免与污染物接触，或者应消除已经被污染的表面。

目前随着钛合金零部件的大量生产，抗疲劳制造概念在航空企业中逐步被应用到工程实践中，对零件表面状态的要求愈来愈高。在2010年以来，各航空企业分别对钛合金零件按照理论分析提出一些制造过程中的要求，但是在实际工艺过程中采用的有效控制措施水平参差不齐，还不够完善和系统。对于钛合金零件在加工过程中采用的防污染方法的研究还不够系统和全面。

本文通過研究典型的钛合金叶轮在加工中进行抗污染工艺策划，重点清理钛合金零件在加工中污染的来源，采取抗污染措施，阐述钛合金零件在加工中抗污染技术。

2 钛合金材料基本简介

钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15mm，硬化程度为20%～30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。导热系数小、弹性模量小。钛的导热系数λ=15.24W/（m.K）约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。

3 钛合金零件在加工中抗应力腐蚀和污染措施

3.1 钛合金的应力腐蚀

由于加工、装配或成型操作会引起一定程度的张应力，张应力越大，应力腐蚀的风险就越高。因此，控制产生最低张应力的方法是至关重要的。相反，材料内部的压应力对零件有利。

主要的钛合金材料其应力腐蚀的敏感度分为3个类别：

高敏感度的钛合金材料：TA5E；TA8DV

普通敏感度的钛合金材料：TA6V；TA6Zr4DE；TAD6Zr4E；TA6ZrD

低敏感度的钛合金材料：T40；T50；T60；TU2

航空发动机发动机中通常使用的合金是上面加下划线的材料。

应力腐蚀只有在由污染物存在的情况下发生。禁止和预防接触的物质详细叙述在第2条中。当污染物残留在零件上，温度较高（尤其250℃以上）或长时间处于高温条件下，应力腐蚀的风险会上升。

3.2 污染物

在产品制造中区别不同的合金和零件每部分应力的情况是十分困难的，下面的规定适用于全部的钛合金零件。

（1）禁止接触的物品：气态或液态的有机卤化剂（氯化的、氟化的……）：含氯的切削液；工业酒精或含有工业酒精的产品。（2）钛合金与镁、银、镉金属直接接触是不允许的。特别是制造中使用的工具不能镀镉，但可以镀镍、磷化或碱性发蓝处理。（3）低熔点化合物（石蜡等）残留痕迹一定要确保在最终表面形成前被去除，相同的限制也包括低熔点金属（铅、锡、锌和它们的合金）。

4 抛光方法清理表面技术的研究

去除零件表面全部毛刺，采用刮刀、旋转锉等。考虑材料因素，所有的抛光砂纸，纱布和油石等磨粒均应选择碳化硅材质。抛光轮硬度为中软级、其粒度必须在240～600之间。

可以采用油石和抛光棉相结合的方法，用油石抛修型面，去除大余量，用抛光棉提高表面粗糙度。也可以用砂布完成所有抛光过程。可选用风动工具选用大小合适的磨头柄及磨头，使其可进入叶轮流道。抛光工具转速为10000r/min。首先把砂布缠在工具上，其中砂纸为碳化硅砂纸，粒度为150、240，分别用于粗、精加工。然后开始抛修叶片及流道。如采用碳化硅去毛刺抛光刷进行，抛光刷高速旋转500r/min，零件相对转动和轴向移动。要保证多角度，多位置，每一个楞边都能抛到。一般操作2min后检查倒角去毛刺情况，用手指在齿面上触摸，应圆滑，没有尖锐的感觉即合格。如果局部有刮擦感应再抛一遍。按需采用磨粒流工艺提高表面质量，所有表面光度进一步提升。目前典型的碳化硅磨料，经过磨粒流处理的表面去除余量不大于0.005mm。

5 清洗方法研究

5.1 消磁

在加工过程中直接或间使零件磁化，因此在最后的清洗前所有零件都要进行消磁处理，所有零件消磁处理至少应达到磁场强度不超过3高斯（零件功能要求均有磁性的除外）。当个别零件要求磁化时，应单独处理达到要求。在加工中保持规定的磁性，零件应被保护。

5.2 普通清洗

钛合金零件不应与甲醇溶剂或氯化物溶剂（如三氯乙烯，三氯乙烷）接触。用洁净的纱布蘸丙酮，丁酮或者异丙酮擦拭零件表面去除油污。无断续水膜状态：该状态是指当一个零件在水中浸渍后，在其表面形成一层连续水膜，并且该水膜至少在10s内不会形成小水珠的状态。

5.3 压力冲洗

带有深凹槽的零件应进行压力冲洗，冲洗前溶液应经过5μ的过滤器过滤。这类零件包括导管，燃油总管，阀套和铸件中内部管道。（1）在冲洗工序前，零件应先进行脱脂处理。（2）不能用水加压冲洗易腐蚀的合金。（3）每个内部管道至少加压冲洗30秒，实际工作中，至少反向冲洗30秒。（4）冲洗过程中的机械振动对清洗有内部空腔和管道的零件很有帮助。

5.4 去离子水冲洗零件

检查湿的零件中酸溶液是否去除干净，在可能残留酸的部位，放置上蓝色石蕊试纸。如果试纸变红，说明有残留酸的存在，零件应该重新水洗。如果试纸无明显变色，认为酸已经去除干净。

6 结束语

本文研究了钛合金零件表面清理方法和一些典型清洗工艺，获得了可以提升钛合金零件加工质量的经验。

参考文献

[1]于馨芝.机械设计、制造工艺、质量检测与标准规范全书[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2]王启平.机械制造工艺学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.