1 前言
隨著各類動力系統上鈦合金材料用量的不斷增加, 鈦合金零部件在加工過程中的表面防護, 顯得尤為重要。鈦合金有良好的比強度、很高的耐熱性、優良的抗腐蝕性和較低的密度, 已廣泛應用于航空、航天、艦船和化工等行業中。特別是在動力系統中, 大量采用鈦合金材料, 對減輕體系的重量, 提高推重比有深遠意義。
但是鈦合金也有它的弱點:
( 1) 鈦合金葉片在機加、拋光時可能造成型面的燒傷、碰撞、劃傷、壓痕等損傷, 由于鈦合金對表面損傷非常敏感, 表面完整性的破壞會明顯降低零件的疲勞性能。我國某發動機在臺架試車時曾因葉片表面的磨削顆粒物燒傷而導致發動機的失效事故,也曾因轉子葉片的葉尖端面刀痕過于粗糙而造成葉片折斷;
( 2) 因鈦合金抗污染能力差, 與鋁合金、鎂合金零件、鍍鎘、鍍鋅的鋼鐵件接觸時, 易發生電化學腐蝕而粘結, 致使緊固件在拆卸時出現滯澀現象;
( 3) 鈦合金的硬度較低, 耐磨性差;
( 4) 幾乎所有的鈦合金都對熱鹽應力腐蝕敏感,所以對海洋環境服役的動力系統應該考慮熱鹽腐蝕, 我國曾因熱鹽應力腐蝕造成某機壓氣機葉片斷裂事故;
( 5) 由銀的氯化物引起的鈦合金銀脆( 像鈦合金存在氫脆、鎘脆一樣) 也是造成盤、葉片斷裂原因之一。在葉片的榫頭和榫槽處鍍銀, 以提高鈦合金表面的耐磨性的方法對于海洋環境下服役的動力系統, 是不可取的;
( 6) 鈦合金在一定溫度、壓力、氣流速度以及摩擦時有發生燃燒的傾向, 幾乎各國都有因為“ 鈦火”,導致飛行事故, 發動機在運行時, 零件之間的相互高速摩擦、發動機吸入的異物、脫落的螺栓、螺帽、銷子等之間的摩擦、轉子偏心運轉引起葉片與機匣之間的磨擦都會引起鈦合金的零件的燃燒, 繼而引起燒毀整個發動機。某動力系統的“鈦火”曾經是該機返修率頻繁的最主要原因。因此抗燃燒鈦合金就在這種形勢下提出并得到研發和應用。
上述鈦合金的種種弱點, 都引發了動力系統在運行過程中的嚴重事故。因此, 鈦合金零部件在加工、裝配、運輸等過程中的表面防護十分重要。
2 鈦合金在機械加工過程中的防護要求
(1) 鈦合金零件在切削加工時應采用剛性好的機床、刀具, 振動小、剛性強的專用工裝。鈦合金零件專用工裝不允許有鍍鋅、鍍鎘等活潑金屬鍍層, 以防止鈦合金零件因電化學腐蝕而發生與工裝的組織交換, 同時防止鈦合金的鎘脆。選取合適的工裝, 盡量降低鈦合金零部件的加工應力, 避免變形。
(2) 鈦合金加工時, 采用較低切削速度, 銳利的刀具, 走大刀。但是加工過程不準停止走刀。同時選擇規定的不含鹵化物冷卻液, 防止鈦合金表面因加工過熱、發生粘刀現象, 導致撕傷金屬惡化零件表面的問題。
發生粘刀主要是由于鈦合金與刀具材料的化學親和力所致, 采用不含氯化物的冷卻液不但可防止過熱、還能起到一定的潤滑效果, 減少撕傷現象, 也可延長刀具的使用壽命。
(3) 鈦合金容易發生冷作硬化, 因此, 切削深度應當超過前一次切削時產生的冷作硬化層的厚度。刀具應兼有抗磨損能力和較高的熱硬度。車加工深度, 應由控制車床、刀具的剛度和零件的夾緊程度來保證。
( 4) 鈦合金零件在銑加工時, 推薦使用嵌有硬質合金的高速鋼多刃銑刀, 盤銑刀應采用順銑技術, 當逆向銑加工時, 銑刀穩定性下降一半, 使被加工表面的光潔度會嚴重惡化。
( 5) 鈦合金零件在鉆孔時, 鉆頭應采用硬質合金或高速鋼材料, 采用專用套筒可提高鉆頭的剛度和耐振性。
( 6) 鈦合金零件磨加工時采用碳化硅型的砂輪,不允許用氧化鋁型砂輪。使用專用冷卻液) 10% 的亞硝酸鈉水溶液, 可在零件表面形成一層薄膜, 阻礙被加工的鈦合金零件表面與砂輪材料的相互作用。
( 7) 鈦合金零件拋光時, 非拋光表面要用可剝漆保護( 不準用氯丁橡膠可剝漆) , 以免燒傷。機械拋光時, 宜采用柔性砂帶, 分兩步, 先用較粗的砂帶進行粗化, 再用細的砂帶進行精拋。零件表面粗糙度Ra [ 1125Lm, 如葉片進、排氣邊均應縱向拋光3mm- 5mm, 拋光時也要用上述冷卻液。通常情況下精拋光的余量為0105mm- 0115mm ; 光飾拋光( 振動光飾) 余量為0101 mm- 0105mm。
( 8) 鈦合金零件機加工時要將尖邊倒圓, 推薦不倒角。
( 9) 加工鈦合金葉片榫頭時, 用于精密定位的低熔點合金, 在榫頭加工后, 低熔點合金( 錫) 鉍、錫)鉍) 鉛) 鎘) 不得殘留在葉片上。以防止鈦合金零件因污染發生脆性失效。
3 鈦合金在熱處理過程中的表面防護
鈦合金的熱處理一般指退火、淬火、時效和真空熱處理。鈦合金零件的真空熱處理( 真空退火) , 目的在于除氫、消除殘余應力, 利于板材的沖壓、焊接等。鈦合金零組件在進行熱處理時, 表面絕對不許有油污、指印、鹵化物和低熔點合金( 鋅、錫、鉍、鉛、鎘) 。入爐前要用2% - 3% 水基清洗劑清洗, 然后用蒸餾水或去離子水清洗, 要求去離子水水質為鹵化物濃度小于50ppm ; 也可以用丙酮、航空汽油清洗, 晾干。
熱處理夾具通常用不銹鋼或高溫合金制成。夾具表面沒有油污、水、疏松的氧化皮和其它熱處理時易揮發、易脫落的物質, 與零件接觸部位的清潔度與零件相同。
鈦合金熱處理爐的要求: 對于有足夠余量的毛坯或熱處理溫度低于600 e 時, 可以使用普通熱處理爐。用普通熱處理爐處理鈦合金板材后, 允許用堿崩及酸洗的方法去除表面不良覆蓋層( 氧化皮、污染層等) 。精加工后的零件不允許用普通熱處理爐進行熱處理。
用處理鋼件的爐子處理鈦合金時, 裝爐前必須徹底凈化殘留氣氛和殘留物。制定嚴格的凈化制度, 以防污染。
小余量或無余量的鈦合金精加工的零件, 熱處理時必須在真空爐或氬氣保護下進行。真空熱處理時, 其真空度不低于01133Pa 。熱處理后輕微的氧化皮可以不去除。但不允許有淡紫色、淺藍色和灰色的氧化膜; 若有, 則說明熱處理時保護得不好, 要到表面處理車間去除氧化膜。鈦合金零件不宜用真空釬焊爐進行熱處理。若必須使用時, 釬焊爐必須經過加熱凈化處理。鈦合金熱處理前及熱處理過程中, 使用的保護性涂料, 不得擅自涂敷, 事先必須經論證并經批準。
4 鈦合金在沖壓與熱成型中的表面防護
鈦合金對缺口和其它表面缺陷具有極高的敏感性。沖壓前要仔細清理板材毛坯的加工邊緣和表面缺陷, 降低敏感。經過消除成型應力后的毛坯, 單面可酸洗掉0105 mm- 0108 mm, 以清理板材表面。
鈦合金板材在不加熱時, 對變形速度敏感, 變形速度比一般碳素鋼慢50% - 60% 。鈦合金冷變型時, 發生急劇強化, 因此需要增加中間退火處理。鈦合金零件熱成型的加熱溫度超過熱處理溫度時, 應重新對鈦合金進行熱處理( 調質、調硬度) 。鈦合金零件熱成型時, 要考慮熱處理后A污染層的去除量。
5 鈦合金在焊接過程中的表面防護
鈦合金零件在焊接前, 焊接表面要用酸、清洗劑、有機溶劑和堿性溶液清洗, 去除鈦合金零件表面的氧化膜、指印、甲醇殘留、鹵化物離子殘留。鈦合金表面脫脂除油所用的有機溶劑允許用丙酮或航空洗滌汽油( 180# 汽油) , 不能用普通汽油。通常以清洗與焊接間隔時間最短為原則, 防止再度污染。但是組合件不能用酸、堿清洗。
鈦合金零部件焊接部位的正反面均需用氬氣或氦氣保護。焊接要在真空充氬倉或局部氬氣保護下進行。焊接時現場不能通風, 防止保護性的氬氣被吹走。
鈦合金零部件焊接廠房內環境應清潔, 不能有氣割、電弧焊、砂輪打磨、壓縮空氣及灰塵和煙塵; 無油污、無其他物質掉落在焊件上, 防止焊縫形成針孔。焊接工人要穿潔凈的工作服, 戴棉質手套, 不準赤手觸摸零件。清理被焊件邊緣或拋光時應與焊接工位隔離。
焊接件焊后要清理焊縫, 清除焊藥。對形狀復雜、截面積大的零件, 焊后要進行退火消除應力處理, 目的是提高零件的抗應力腐蝕能力和疲勞壽命及避免開裂。由于鈦合金零部件釬焊溫度達到960 e , 該溫度下, 鈦合金易變形, 焊接后必須要進行真空校型熱處理。
6 鈦合金在化學、電化學加工過程中的表面防護
( 1) 關于鈦合金化學加工中的增氫
氫脆是鐵基合金、鈦合金零件經表面處理后易于出現的一種缺陷, 主要表現為零件在使用過程中發生斷裂或延遲斷裂。由于零件出現氫脆后會導致塑性的嚴重降低, 且往往滯后發生, 所以氫脆帶來的影響一般不易事先檢出, 其后果是十分嚴重甚至是災難性的。因此, 在鈦合金零件的表面處理過程中防止過量吸氫以及處理后及時除氫是非常重要的。目前只能從控制零件生產過程, 減少吸氫和電鍍后除氫兩方面來考慮減少零件氫脆失效。
( 2) 關于鈦合金件氫含量的控制
鈦合金零件在表面處理前, 如化學銑削、電鍍、清除污染、酸洗、腐蝕檢查時, 氫含量要求小于80ppm; 原材料氫含量超過120ppm 要先進行真空除氫后再投料加工; 因此有必要了解表面處理時鈦合金的增氫情況。加工過程必須提供代表的零件狀態、相同加工過程的定氫試樣和前工序的氫含量報告。無定氫試樣和前工序氫含量報告的零件, 以及氫含量超過120ppm 零件, 不允許進入下工序。
( 3) 加工到精度要求的鈦合金零件要真空除氫完成化學加工工序后的鈦合金零件, 必須測定氫含量, 氫含量超過規定值的應進行真空除氫處理。
( 4) 鈦合金電鍍前需要吹砂處理
鈦合金電鍍前處理至關重要, 為了提高鈦合金零件鍍層的結合力, 要在允許的范圍內粗化表面)濕吹砂, 但是陽極氧化、腐蝕檢查冶金缺陷、化銑等不用吹砂粗化表面。
( 5) 鈦合金零件鍍前的除油和活化處理
有機溶劑除油: 只允許用丙酮或航空汽油( 保證不含氯離子) , 決不允許用鹵代烴) ) ) 三氯乙烯, 三氯乙烷等。另外, 也不能用氯丁橡膠可剝漆絕緣。化學除油: 鈦合金零件在表面處理前只允許進行化學除油, 且溫度不能超過75 e 。溫度高, 零件會出現氧化色, 影響鍍層結合力。鈦合金不允許用電化學方法電解除油, 避免陰極除油時零件增氫, 陽極除油時表面氧化及滲氧。活化: 鈦合金零件電鍍前, 必須去除表面自然氧化膜, 制備新鮮表面, 并立即施鍍。活化采用不同的組合酸。
( 6) 鈦合金零件溶液處理后的干燥處理鈦合金成品件經過溶液處理后干燥時, 推薦采用電吹風( 冷風) 吹干, 或110 e 烘箱鼓風烘干。原則上不允許用壓縮空氣吹干, 因壓縮空氣可能清潔程度不夠。
( 7) 鈦合金表面低熔點合金清理的要求
采用低熔點合金定位加工完形狀不規則零件時, 在用物理方法清除了低熔點合金塊后, 允許采用水蒸氣吹、熱水煮等物理的方法, 清除零部件上目視可見的低熔點合金微粒, 同時還要求必須將零件表面殘留的痕跡量低熔點合金徹底清理。
這主要是因為低熔點合金熔化后會向鈦合金基體里擴散, 特別是受熱時, 特別是原子半徑較小的外來原子向基體位錯處的晶間擴散、聚集的速度更快,因而會在基體上產生疲勞源, 引起鈦合金零件的脆性疲勞斷裂, 避免低熔點合金對鈦合金零件的污染造成的失效后果。低熔點合金澆鑄的生產現場要加強管理, 提高對低熔點合金危害性的認識。帶有低熔點合金的零件要放在指定的周轉箱內, 箱上要有“污染”標識。去除污染后的零件要存放在干凈( 絕對無低熔點合金污染) 的, 有“無污染”標識的周轉箱內。確保除完污染的零件不會再一次接觸到低熔點合金。低熔點合金的存放應有明確的標識; 澆注低熔點合金的容器、夾具、工具、刀具等被污染用具, 要有標識。
( 8) 鈦合金表面標記與標印過程
鈦合金零件在分解、裝配零組件時, 推薦拴標簽或無鉛彩筆標記。事后要用航空汽油或丙酮擦掉。禁止使用普通的紅藍鉛筆或其他未被批準的彩筆標記; 鈦合金成品件允許采用電化學標印, 但不允許采用電筆( 振動) 標印。
( 9) 鈦合金件化學處理后的防護
鈦合金件化學處理后, 對表面沒有進行任何涂敷層防護的零件, 化學處理后應認真清洗, 最后必須經過蒸餾水清洗吹干, 表面不允許有殘留的指印、甲醇、鹵化物等污物。
7 鈦合金在裝配試車中的表面防護
( 1) 分解裝配使用的工具要求
鈦合金零件在分解裝配時, 不允許使用鍍鋅、鍍鎘工具, 以免鋅、鎘粘在零件上。分解、裝配、較正或敲擊時不準用銅質錘、芯棒敲擊, 以免粘銅。裝配人員, 必須配戴干凈的棉質細沙手套。
( 2) 分解、裝配需要加溫時的要求
分解、裝配需要加溫時, 有鈦合金材料的, 加溫前應將零組件清洗干凈, 清洗液及漂洗水中的鹵化物含量≤ 50ppm。其加熱溫度不允許超過260 e 。
( 3) 鈦合金零件裝配前要徹底清洗
裝配前, 鈦合金零件要徹底清洗, 清洗用的有機溶劑為丙酮、丁酮或航空汽油。不允許用甲醇、含甲醇的乙醇、甲基鹵化物、三氯乙烯、高氯乙烯、三氯甲烷、四氯化碳、氟里昂等。清洗用水質要求電阻率小于5000081cm2, 洗后立即在80 e - 110 e 控溫鼓風箱烘干, 或用電吹風( 冷風) 吹干。
8 鈦合金零件檢驗時的表面防護
檢驗員應戴棉質細紗手套。鈦合金零件交檢時, 不允許有手印、水印、鉛筆印、蠟筆印、粉筆印、污物及外來物, 否則檢驗員可以拒收。熒光檢查前用丙酮或含2% - 3% 水基清洗劑進行清洗, 最后用去離子水清洗。
9 運輸和儲存的防護要求
機加工的零件、板材、坯料及成品鈦合金件在運輸和儲存中避免缺口、碰傷、劃痕, 避免手印。在搬運、裝卸過程一定要有包裝保護。
在制造、運輸和貯存過程嚴禁酸、堿等腐蝕性物質、灰塵和油污落到鈦合金零組件上。鈦合金零件在制造、搬運與儲存過程中禁止與鎘、鉛、錫、鋅、鎂、鈀等直接接觸, 防止低熔點合金污染和發生電化學接觸腐蝕。
鈦合金零組件嚴禁與高濃度的氫氣、氧氣、氮氣、二氧化碳氣氛接觸。嚴禁與甲醇、鹵化物類物質接觸。
10 鈦合金零件的封存包裝
清洗吹干后的鈦合金零件封存包裝時, 要用干凈紗布手套接觸包裝零件。
鈦合金成品件, 允許用中性羊皮紙、牛皮紙、聚乙烯塑料包裝。
鈦合金成品件, 不允許油封, 不允許用蠟紙、聚氯乙烯塑料包裝, 以防接觸腐蝕。
鈦合金成品件禁止與含硫、含氯包裝紙或蠟紙接觸。
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