纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液及化铣方法
【专利摘要】本发明涉及化学铣切加工领域，特别是一种可用于纯钛、钛合金及钛铝金属间化合物等易发生氢脆材料的化铣溶液及化学铣切方法。化铣溶液成份为：氢氟酸20～350g/L，硝酸150～750g/L，氧化剂2～80g/L，缓蚀剂0.5～20g/L，尿素5～200g/L，表面活性剂0.5～25g/L，金属离子0～100g/L，其余为水。将经过前处理的金属材料浸入到化铣液中，在35～75℃时对材料进行化铣加工，达到化铣深度时，将零部件取出，并用清水将零部件表面附着的化铣液冲洗干净。本发明提供的化铣溶液及化铣加工方法可有效控制钛合金等易氢脆的金属材料在化铣加工中的吸氢量，降低零部件氢脆危害，处理后的零部件表面粗糙度好，含氢量低，整个化铣过程操作简单。
【专利说明】纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液及化铣方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及化学铣切加工领域，特别是一种可用于纯钛、钛合金及钛铝金属间化合物等易发生氢脆材料的化铣溶液及化学铣切方法。
【背景技术】
[0002]化学铣切(化铣)也叫腐蚀加工，是利用酸、碱、盐等化学溶液对金属产生化学反应，使金属溶解，改变工件尺寸和形状(或表面性能)的一种加工方法。
[0003]化铣加工不受材料硬度和强度的限制，加工过程中不会产生应力、毛刺等缺陷，工件无变形，并且可以同时加工多面、多件，生产效率高。常用于外形复杂的零部件、薄板零部件的余量加工，另外需要大面积铣去表面层的零部件加工也常用化铣的方法。化铣加工操作技术简单，加工精度高，可用于加工机械加工困难的材料或形状。
[0004]钛合金的化铣加工已经成为航空航天零部件成形的可靠加工方法，但在钛合金零部件化铣过程中的一个突出问题就是酸性溶液下的化铣加工会使零部件的氢含量增加，尤其在α+β型和β型钛合金中吸氢更为突出。据资料报道，钛及钛合金中的氢含量一般不得高于0.0125%~0.015%，否则会出现明显的氢脆现象，使材料在后续的加工和使用中出现裂纹断裂。
[0005]钛铝金属间化合物材料密度小，高温性能好，可以一定温度范围内替代密度较大的镍基高温合金，有效实现零部件的减重，被认为是最有应用潜力的新一代轻质耐高温结构材料。但其室温塑性低，硬度高，加工性能较差。同时，具有本征脆性的钛铝金属间化合物在加工及使用过程中，更要注意防止氢脆现象的产生。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液及化铣方法，使上述材料在化铣过程中的吸氢量大大降低，且具有化铣速率可控，表面粗糙度好，工艺控制简单等优点，无需增加真空除氢工序即可将零部件中的氢含量控制在允许范围内。
[0007]本发明的技术方案是:
[0008]—种纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液,化铣溶液成分为:氢氟酸20~350g/L,硝酸150~750g/L,氧化剂2~80g/L,缓蚀剂0.5~20g/L,尿素5~200g/L，表面活性剂0.5~25g/L，金属离子O~100g/L，其余为水。
[0009]所述的纯钛、钛合金和钛招金属间化合物的化统溶液,氧化剂为重铬酸盐、铬酸盐、溴酸盐、次氯酸盐、高氯酸盐、高锰酸盐、过二硫酸盐、高碘酸盐、高铁酸盐、氧化钴，三氟化钴、五氧化二钒、二氧化铅、铋酸钠中的一种或两种以上。
[0010]所述的纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液，缓蚀剂为磷酸二氢钠、磷酸氢钠、磷酸钠、偏磷酸钠、多聚磷酸钠、六氟磷酸铵、六次甲基四胺、苯甲酸、三羟基苯甲酸、硫脲、吖啶、吡啶、糠醛中的一种或两种以上。
[0011] 所述的纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液，表面活性剂为苯甲酸钠、直链烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠、甘胆酸钠、十二烷基苯磺酸、十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸、硬脂酸钠、烷基醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚中的一种或两种以上。
[0012]所述的纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液，金属离子为钛离子和/或铝离子，分别以金属、合金或金属间化合物的粉末或者颗粒形式加入。
[0013]所述的纯钛、钛合金和钛招金属间化合物的化统溶液的化统方法,包含以下步骤:
[0014](I)将需要进行化铣加工的零部件去除表面灰尘和油污；
[0015](2)将洗净的零部件浸没化铣溶液中，在35~75°C下进行化铣加工，达到化铣深度后马上将零部件取出，用40~50°C温水清洗去除表面残留化铣溶液。
[0016]所述的纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液的化铣方法，步骤(1)中，用清水洗去零部件表面灰尘，用乙醇、丙酮或航空汽油洗去表面油污，再用清水清洗干净并吹干。
[0017]所述的纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液的化铣方法，步骤(2)中，化铣速率为 0.01 ~0.035mm/min。
[0018]本发明的优点和有益效果是:
[0019]1、钛合金和钛铝金属间化合物都是难加工材料，本发明的化学铣切方法进行上述材料零部件的后期加工和余量调整，具有生产效率高、成品率高、成本低、操作简单等优点。
[0020]2、钛合金和钛铝金属间化合物都是易吸氢、易氢脆的材料，传统化铣液会使上述两种材料尤其是α+β型和β型的钛材料在化铣过程中氢含量大大增加，本发明提供的化铣溶液可以使上述材料在化铣过程中的吸氢量大大降低，无需增加真空除氢工序即可将零部件中的氢含量控制在允许范围内。
[0021]3、与合金不同，钛铝金属间化合物具有2~3种主要元素，各元素的腐蚀性能有很大差别，本发明提供的化铣溶液可以有效实现各元素的均匀腐蚀，化铣后产品具有较好的光洁度和表面粗糙度。
[0022]总之，钛铝金属间化合物是非常容易吸氢的材料，氢含量的增加对材料的性能有着重大的影响，基本上钛铝材料的所有应用都对氢含量做了严格要求。本发明采用氢氟酸作为腐蚀剂，并采用特定的氧化剂有效解决了材料在化铣过程中的吸氢问题，有效的控制了化铣后材料中氢含量的增加(化铣后氢含量仅增加5~20ppm)，并添加适当的缓蚀剂和表面活性剂有效改善了产品的光洁度和表面粗糙度，温度在35~75°C时对材料进行化学铣切加工，化铣速率约为0.01~0.035mm/min。
【具体实施方式】
[0023]本发明适用于钛合金及钛铝金属间化合物的化铣溶液，化铣溶液成分为:氢氟酸20~350g/L,硝酸150~750g/L,氧化剂2~80g/L,缓蚀剂0.5~20g/L,尿素5~200g/L，表面活性剂0.5~25g/L，金属离子O~100g/L，其余为水。将上述物质均匀混合，配制化铣溶液。其中，
[0024]氧化剂为重铬酸盐、铬酸盐、溴酸盐、次氯酸盐、高氯酸盐、高锰酸盐、过二硫酸盐、高碘酸盐、高铁酸盐、氧化钴、三氟化钴、五氧化二钒、二氧化铅、铋酸钠中的一种或两种以上。
[0025]缓蚀剂为磷酸二氢钠、磷酸氢钠、磷酸钠、偏磷酸钠、多聚磷酸钠、六氟磷酸铵、六次甲基四胺、苯甲酸、三羟基苯甲酸、硫脲、η 丫唆、吡唆、糠醛中的一种或两种以上。
[0026]表面活性剂为苯甲酸钠、直链烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠、甘胆酸钠、十二烷基苯磺酸、十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸、硬脂酸钠、烷基醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚中的一种或两种以上。
[0027]所述钛合金及钛铝金属间化合物的化铣溶液，金属离子为钛离子和/或铝离子，分别以金属、合金或金属间化合物的粉末或者颗粒形式加入。
[0028]优选地，本发明适用于钛合金及钛铝金属间化合物的化铣溶液，化铣溶液成分为:氢氟酸50~200g/L,硝酸200~600g/L,氧化剂5~30g/L,缓蚀剂I~10g/L,尿素20~100g/L，表面活性剂0.5~5g/L，金属离子20~50g/L，其余为水。
[0029]本发明中，氢氟酸为腐蚀剂，硝酸为氧化剂，添加一定含量的尿素可有效减少“黄烟”的生成，金属离子具有老化溶液的作用，可改善化铣产品的表面粗糙度。
[0030]所述化铣溶液进行的钛合金及钛铝金属间化合物的化铣方法，包含以下步骤:
[0031](I)将需要进行化铣加工的零部件去除表面灰尘和油污；
[0032](2)将洗净的零部件浸没化铣溶液中，在35~75°C下进行化铣加工，达到化铣深度后马上将零部件取出，用40~50°C温水清洗去除表面残留化铣溶液；
[0033]步骤(1)中，用清水洗去零部件表面灰尘，用乙醇、丙酮或航空汽油洗去表面油污，再用清水清洗干净并吹干。步骤(2)中，化铣速率为0.01~0.035mm/min。
[0034]下面通过实施例进一步详述本发明。
[0035]实施例1
[0036]化铣溶液成份为:氢氟酸50g/L，硝酸200g/L，铬酸钠10g/L，多聚磷酸钠lg/L，尿素10g/L，苯甲酸钠5g/L，其余为水。将上述物质均匀混合，配制化铣溶液。
[0037]将化铣零部件放入航空汽油中，浸泡10~20分钟去除零件表面油污，之后用40~50°C温水清洗并吹干，洗净的零部件浸没在40°C的化铣溶液中至尺寸满足要求，将零部件取出，用40~50°C温水清洗去除表面残留化铣溶液。化铣后产品表面没有任何坑洞、脊梁、晶间腐蚀等缺陷，化纟先速率0.011mm/min,化统后氢含量增加llppm。
[0038]实施例2
[0039]化统溶液成份为:氢氟酸80g/L,硝酸250g/L,重铬酸钾20g/L,磷酸二氢钠3g/L,尿素10g/L，苯甲酸钠5g/L，其余为水。将上述物质均匀混合，配制化铣溶液。
[0040]将化铣零部件放入航空汽油中，浸泡10~20分钟去除零件表面油污，之后用40~50°C温水清洗并吹干，洗净的零部件浸没在50°C的化铣溶液中至尺寸满足要求，将零部件取出，用40~50°C温水清洗去除表面残留化铣溶液。化铣后产品表面没有任何坑洞、脊梁、晶间腐蚀等缺陷，化纟先速率0.018mm/min,化统后氢含量增加18ppm。
[0041]实施例3
[0042]化统溶液成份为:氢氟酸100g/L,硝酸500g/L,过硫酸钠25g/L,苯甲酸3g/L,尿素8g/L，十二烷基硫酸钠5g/L，其余为水。将上述物质均匀混合，配制化铣溶液。
[0043]将化铣零部件放入航空汽油中，浸泡10~20分钟去除零件表面油污，之后用40~50°C温水清洗并吹干，洗净的零部件浸没在55°C的化铣溶液中至尺寸满足要求，将零部件取出，用40~50°C温水清洗去除表面残留化铣溶液。化铣后产品表面没有任何坑洞、脊梁、晶间腐蚀等缺陷，化铣速率0.020mm/min，化铣后氢含量增加8ppm。
[0044]实施例4
[0045]化铣溶液成份为:氢氟酸100g/L，硝酸350g/L，氧化铅20g/L，六次甲基四胺5g/L，尿素20g/L,十二烷基苯磺酸钠2g/L,其余为水。将上述物质均匀混合,配制化统溶液。
[0046]将化铣零部件放入航空汽油中，浸泡10~20分钟去除零件表面油污，之后用40~50°C温水清洗并吹干，洗净的零部件浸没在50°C的化铣溶液中至尺寸满足要求，将零部件取出，用40~50°C温水清洗去除表面残留化铣溶液。化铣后产品表面没有任何坑洞、脊梁、晶间腐蚀等缺陷，化纟先速率0.018mm/min,化统后氢含量增加8ppm。
[0047]实施例5
[0048]化铣溶液成份为:氢氟酸125g/L，硝酸750g/L，五氧化二钒50g/L，磷酸钠2g/L，尿素120g/L，十二烷基苯磺酸钠5g/L，其余为水。将上述物质均匀混合，配制化铣溶液。
[0049]将化铣零部件放入航空汽油中，浸泡10~20分钟去除零件表面油污，之后用40~50°C温水清洗并吹干，洗净的零部件浸没在65°C的化铣溶液中至尺寸满足要求，将零部件取出，用40~50°C温水清洗去除表面残留化铣溶液。化铣后产品表面没有脊梁、晶间腐蚀等缺陷，化铣速率0.023mm/min，化铣后氢含量增加3ppm。
[0050]实施例6
[0051 ] 化铣溶液成份为:氢氟酸125g/L，硝酸480g/L，氧化钴15g/L，六次甲基四胺5g/L，尿素50g/L,十二烷基苯磺酸钠5g/L,其余为水。将上述物质均匀混合,配制化统溶液。
[0052]将化铣零部件放入航空汽油中，浸泡10~20分钟去除零件表面油污，之后用40~50°C温水清洗并吹干，洗净的零部件浸没在55°C的化铣溶液中至尺寸满足要求，将零部件取出，用40~50°C温水清洗去除表面残留化铣溶液。化铣后产品表面没有任何坑洞、脊梁、晶间腐蚀等缺陷，化铣速率0.017mm/min，化铣后氢含量增加9ppm。
[0053]实施例7
[0054]化铣溶液成份为:氢氟酸180g/L，硝酸600g/L，高锰酸钾25g/L，六氟磷酸铵3g/L，尿素100g/L，硬脂酸钠5g/L，金属钛粉50g/L，其余为水。将上述物质均匀混合，配制化铣溶液。
[0055] 将化铣零部件放入航空汽油中，浸泡10~20分钟去除零件表面油污，之后用40~50°C温水清洗并吹干，洗净的零部件浸没在65°C的化铣溶液中至尺寸满足要求，将零部件取出，用40~50°C温水清洗去除表面残留化铣溶液。化铣后产品表面没有任何坑洞、脊梁、晶间腐蚀等缺陷，化铣速率0.035mm/min，化铣后氢含量增加9ppm。
[0056]实施例8
[0057]化铣溶液成份为:氢氟酸220g/L，硝酸500g/L，高铁酸钠25g/L，吡啶1.5g/L，糠醛1.5g/L，尿素100g/L，硬脂酸钠5g/L，Ti3Al金属间化合物颗粒25g/L，其余为水。将上述物质均匀混合，配制化铣溶液。其中，Ti3Al金属间化合物的成份为(原子比):T1-25Al-13Nb-lCr。
[0058]将化铣零部件放入航空汽油中，浸泡10~20分钟去除零件表面油污，之后用40~50°C温水清洗并吹干，洗净的零部件浸没在45°C的化铣溶液中至尺寸满足要求，将零部件取出，用40~50°C温水清洗去除表面残留化铣溶液。化铣后产品表面没有任何坑洞、脊梁、晶间腐蚀等缺陷，化铣速率0.035mm/min,化铣后氢含量增加8ppm。
[0059]实施例结果表明，本发明提供的化铣溶液配方和化铣方法可以实现对钛合金和钛铝金属间化合物材料的化学铣切加工，具有吸氢量低、生产效率高、工艺简单、成本低等优点。
【权利要求】
1.一种纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液，其特征在于，化铣溶液成分为:氢氟酸20~350g/L,硝酸150~750g/L,氧化剂2~80g/L,缓蚀剂0.5~20g/L,尿素5~200g/L，表面活性剂0.5~25g/L，金属离子O~100g/L，其余为水。
2.按照权利要求1所述的纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液，其特征在于，氧化剂为重铬酸盐、铬酸盐、溴酸盐、次氯酸盐、高氯酸盐、高锰酸盐、过二硫酸盐、高碘酸盐、高铁酸盐、氧化钴，三氟化钴、五氧化二钒、二氧化铅、铋酸钠中的一种或两种以上。
3.按照权利要求1所述的纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液，其特征在于，缓蚀剂为磷酸二氢钠、磷酸氢钠、磷酸钠、偏磷酸钠、多聚磷酸钠、六氟磷酸铵、六次甲基四胺、苯甲酸、三羟基苯甲酸、硫脲、η 丫唆、吡唆、糠醛中的一种或两种以上。
4.按照权利要求1所述的纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液，其特征在于，表面活性剂为苯甲酸钠、直链烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠、甘胆酸钠、十二烷基苯磺酸、十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸、硬脂酸钠、烷基醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚中的一种或两种以上。
5.按照权利要求1所述的纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液，其特征在于，金属离子为钛离子和/或铝离子，分别以金属、合金或金属间化合物的粉末或者颗粒形式加入。
6.一种利用权利要求1所述的纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液的化铣方法，其特征在于，包含以下步骤: (1)将需要进行化铣 加工的零部件去除表面灰尘和油污； (2)将洗净的零部件浸没化铣溶液中，在35~75°C下进行化铣加工，达到化铣深度后马上将零部件取出，用40~50°C温水清洗去除表面残留化铣溶液。
7.按照权利要求6所述的纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液的化铣方法，其特征在于，步骤(1)中，用清水洗去零部件表面灰尘，用乙醇、丙酮或航空汽油洗去表面油污，再用清水清洗干净并吹干。
8.按照权利要求6所述的纯钛、钛合金和钛铝金属间化合物的化铣溶液的化铣方法，其特征在于，步骤(2)中，化铣速率为0.01~0.035mm/min。
【文档编号】C23F1/26GK104073801SQ201410277028
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】赵焕, 刘建国, 李庆鹏, 严川伟 申请人:中国科学院金属研究所