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钛合金的蚀刻机加工工艺

一、钛和钛合金的概述:

  Ti在地壳中的丰度为0.56%(质量分数,下同),在所有按元素中居第9位,而在可作为结构材料的金属中居第4位,仅次于Al、Fe、Mg,其储量比常见金属Cu,Pb,Zn储量的总和还多。我国钛资源丰富,储量为世界第一。钛合金的密度小,比强度、比刚度高,抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好,具有优良的综合能,是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。近年来,世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展,海绵钛、变形钛合金和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平,在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛,在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。

  2001年以来钛得到了更加广泛的应用,在一些新兴市场上应用的迹象得到了增长,如汽车、石油和天然气。从长远来看,汽车上的用钛量将不断增加,成为钛应用的一个更有保障的竞争领域。在高端消费品领域钛合金的应用也已经基本成熟,如钛合金在高尔夫球杆和网球拍上的应用。当今社会老龄化问题越来越严重,医药市场对钛需求量不断增加,每年正以5%~7%的速度增长,在生物医药部门钛已成为另一个热门且具有广阔的应用发展前景。以上新兴市场钛的消费量每年都呈增长趋势,2001年钛消费量为6000吨,2006年增加到10000吨。2007年以后随着经济的发展和国防事业的需要,国际市场对钛合金产品的需求大幅增加,特别是航空航天领域将成为未来几年国际市场的主要消费和应用领域。

  钛及钛合金具有许多优良特性,主要体现在如下几个方面:

  (1)比强度高。钛合金具有很高的强度,其抗拉强度为686~1 176 MPa,而密度仅为钢的60%左右,所以比强度很高。

  (2)硬度较高。钛合金(退火态)的硬度HRC为32~38。

  (3)弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为1.078@105~1.176@105MPa,约为钢和不锈钢的一半。

  (4)高温和低温性能优良。在高温下,钛合金仍能保持良好的机械性能,其耐热性远高于铝合金,且工作温度范围较宽,目前新型耐热钛合金的工作温度可达550~600e;在低温下,钛合金的强度反而比在常温时增加,且具有良好的韧性,低温钛合金在-253e时还能保持良好的韧性。

  (5)钛的抗腐蚀性强。钛在550e以下的空气中,表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜,故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中,其耐蚀性优于大多数不锈钢。

  二、钛合金蚀刻机加工的研究进展:

  蚀刻机加工作为一种化学切削加工技术,其历史可以追溯到很久远的年代。在欧洲,化学蚀刻机加工到15世纪变得流行起来,当时主要是用于铠甲的加工及艺术品的蚀刻机加工。最早的欧洲文字记载所有的蚀刻液配方是用盐、活性炭和醋配制而成。记载最早的防蚀材料是用亚麻油涂料做保护层,稍晚一些的记载也有用石蜡作为防蚀剂。

  17 世纪是一个医药化学和试验酸、碱对各种不同材料影响的时代。约翰·格莱伯在这方面取得了不少的进展,其中包括对盐酸制造方法的改进。在这一时期化学腐蚀技术在未来航空工业上的应用也显露出来。当时人们采用酸和铁屑反应的方法来制取氢气球进行升空。这就是说,在人们企图飞行的最初阶段,已开始利用酸的腐蚀能力来帮助航空事业的发展。到 20 世纪 60 年代中期,由于蚀刻机加工及防蚀技术的发展,已经使蚀刻机加工成为一种非常有实用价值的生产加工方法,在航空航天工业中得到广泛应有。

  蚀刻机加工技术和其它技术相比,它能使许多零件更简单、更容易、更便宜地生产出来,为一些零件的加工提供了机械加工方法难于实现的一种方法。同时,蚀刻机加工作为一种精密而科学的化学加工技术,在多种金属材料上被大量用于腐蚀各种不同的图文及外形加工。近几十年来,随着经济的发展,国防事业的需要,蚀刻机加工技术的应用越来越被人们重视。例如:旅游纪念品的开发,铭牌、奖牌、编码盘和显示屏电极的制作、印花辊筒和模版、精细零件等,都离不开蚀刻机加工技术。

  三、钛合金化学蚀刻机加工液配方:

  钛合金蚀刻机加工液中主要含有蚀刻液、氧化剂和添加剂: (1)蚀刻液

  钛合金蚀刻机加工液中 HF是超过其它任何酸的强蚀刻液。在室温的 HF 溶液中,钛就能被腐蚀,随着酸浓度的增加,腐蚀速度明显增大。

  (2)氧化剂

  H2CrO4和 HNO3为蚀刻机加工液中常用的氧化剂,早期钛的蚀刻机加工,在美国广泛采用的蚀刻液是以 HF 和 H2CrO4为基础的混酸型蚀刻机加工液,随后英国人采用 HF 和 HNO3为基础的混酸型蚀刻机加工液。但 H2CrO4成本高、对环境的污染严重、反应后试样易氢脆;而 HNO3作为强氧化剂,有强烈的氧化性,使氢气随即被氧化成水,抑制了吸氢反应,使钛表面吸附的氢减少。

  (3)添加剂

  添加剂具有改善试样表面质量的作用,钛合金蚀刻机加工时要防止试样表面产生气沟、蚀沟、波纹、垄状物、麻点等缺陷,同时还要注意减少吸氢量,防止材料发生氢脆,优良的表面活性剂要具有降低表面张力、润湿等多种作用,一种添加剂很难同时具备这些作用,所以需要同时加入几种添加剂通过协同作用在不影响材料机械性能的前提下达到蚀刻机加工精度要求。钛合金蚀刻机加工选择加入添加剂种类时要考虑以下几个方面:

  ① 反应过程中是否可以减少试样表面的吸氢量,防止氢脆; ② 对试样加工前后各项力学性能无任何影响; ③ 试样腐蚀溶解速度均匀,提高试样表面质量;

  ④ 不影响蚀刻机加工液各成分发挥效用,使蚀刻机加工液寿命延长。 四、蚀刻机加工的优点和局限性: 蚀刻机加工具有诸多优点,对于某些用机械方法难于加工的零件确实有其独到之处:

  ① 能加工高硬度高韧性的金属材料;

  ② 能加工复杂形状的工件,如单双曲度薄壁工件等;

  ③ 加工过程中无机械力,无加工应力,对工件几乎无刚度要求; ④ 蚀刻机加工时工装设备简单、价廉;

  ⑤ 能加工沿着整个长度方向上截面均匀变化的,长而薄的锥形工件; ⑥ 蚀刻机加工能不间断的进行工件加工且能很快加工出想要的各种形状。 但蚀刻机加工也不是一种万能的加工方法,它也会受到很多因素的限制。其中最主要的限制为:

  a. 蚀刻机加工只能以零件原有的表面状态为基准,累进式进行切削。因此经蚀刻机加工后的零件形状及表面质量,与零件原始的形状及表面质量有直接关系。更多的情况是经蚀刻机加工后的加工表面完全与原来的初始基准表面状态保持平行。从这些限制可以看出,蚀刻机加工不能用表面粗糙的板材、棒材等来加工形状复杂的零件;

  b. 蚀刻机加工不可用于加工窄而深的凹槽,这是因为在蚀刻机加工反应过程中产生的气泡会集聚在防蚀层边缘的下面,这些堵在防蚀层下面的气泡把金属表面与蚀刻液隔开,造成一种非常不规则的腐蚀,形成很不整齐的边缘,这对于深度大的零件加工非常不利;

  c. 不能用蚀刻机加工方法进行钻孔,蚀刻机加工钻孔和机械方法及电解方法钻孔都不相同,它不能加工出后面两者所能加工出来的孔形。选择合适的工艺方法可以钻出孔壁平直的孔来,而蚀刻机加工钻孔只能钻出不规则的锥形孔。对于深度蚀刻机加工钻孔由于腐蚀时间长,而使公差增大,所以蚀刻机加工钻孔一般不采用;

  d. 蚀刻机加工过程中各种酸液挥发,易造成环境污染,影响人身健康。 五、钛合金精密蚀刻机加工:

  蚀刻机加工的尺寸精度受两个方面的影响:a、蚀刻机加工本身在加工过程中所产生的偏差,这是由各个被加工表面上不同腐蚀速度造成的,这就使得腐蚀去掉的金属厚度或腐蚀深度有了差异。b、被腐蚀材料的精度,这是指零件在进行化学腐蚀之前,原材料本身即已存在的偏差,也称为毛胚偏差。蚀刻机加工中的公差是这两个精度偏差的总和,所以在进行蚀刻机加工时必须要把这两个偏差都计算在内,否则经蚀刻机加工的零件会有很大程度的尺寸偏差。蚀刻机加工的加工公差主要受以下几个因素的影响:

  ① 零件材料成分的影响:

  同一蚀刻机加工液对不同材料的蚀刻机加工速度和侧蚀率不同,从而使不同材料腐蚀后得到不同的表面精度。然而,即使同一种材料也可能因为材料型号和批次的不同而产生不同的腐蚀速度及效果,在同一腐蚀液中也会产生不同的腐蚀公差。

  ② 零件尺寸大小的影响: 不同于小型零件的蚀刻机加工,对于一个大型的板材零件如果是垂直放于腐蚀槽中,经腐蚀后由于蚀刻机加工速度的不同会出现下薄上厚的锥形,所以在计算公差时也应把这种由于蚀刻机加工本身造成的公差计入总公差。对于小型零件这种现象可以忽略不计。

  ③ 蚀刻机加工深度的影响:

  蚀刻机加工深度的大小与零件在腐蚀液中浸泡时间的长短有直接关系,蚀刻机加工深度越深,零件在腐蚀液中浸泡时间越长,蚀刻机加工液中发生腐蚀溶解反应,其中各种化学成分的组分和浓度变化也越来越大,进而使蚀刻机加工速度及腐蚀效果变化增大。同时过深的蚀刻机加工,当深度达到一定值后,由于浓差极化及腐蚀残渣的沉积,其腐蚀溶解行为及机理行为也会发生变化。

  ④ 蚀刻液的影响:

  因蚀刻机加工溶液主体成分和浓度的不同,对零件的蚀刻机加工速度和表面质量有一定的影响。随着溶液中蚀刻液和氧化剂浓度的改变,蚀刻机加工速度也会随之改变,这时对零件表面质量也会产生一定的影响,进而影响零件总公差的改变。

  六、蚀刻机加工对材料力学性能的影响:

  金属经蚀刻机加工后,原有力学性能会受到一定的影响,这种影响随着腐蚀程度的增加而加大
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