文/陆晓根、、罗恒军、张、集团德阳万航模锻有限公司
中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院
钛及钛合金因其强度高、耐腐蚀而成为一种新型轻金属材料，广泛应用于国防、军工、石油化工、医药工业、医疗器械、海水淡化装置等领域。而且由于其比强度高、耐高温、导热系数低、无毒、生物相容性好等优点，在航空空、航天、建筑、体育用品等军事和民用领域得到了应用。
Ti-6Al-4V锻件喷砂后表面硬化层较厚，给后续加工带来困难。因此，喷砂工艺完成后，应通过酸洗去除硬化层，并根据工艺要求去除壁厚，以满足所需的工艺要求。钛合金酸洗一般采用HF+HNO3，但由于HF+HNO 3在酸溶液中比例大、浓度高，容易造成严重的二次问题。针对上述问题，研究了不同酸洗条件下的腐蚀和氢脆现象，分析了影响因素和机理，制定了优化的热处理工艺，以减少氧化层和氢脆。
试验方案锻件经喷砂后，将所需试件进行线切割加工，并用0 # ~ 7 #标记。分别对试件进行研磨和抛光，以去除切割产生的氧化层。用XRD和显微硬度测试了初始试样的表面，并测定了表面相结构和硬化层深度。然后在不同配方的酸性溶液中腐蚀，恒温水浴15分钟后取出样品。按照相同的工艺对试样进行酸洗，测定了酸洗后试样的氢含量、失重率、表面相结构和硬度的变化。酸洗液的配方如表1所示。
表1锻造表面酸洗液配方
注:0#为锻造原样，不需要酸洗。
试验结果酸洗后的重量损失率
酸洗后Ti-6Al-4V锻件的表面形貌如图1所示。
图1 Ti-6Al-4V锻件酸洗后的表面形貌
从图1中可以看出，初始样品表面为深棕色，酸洗后，表面全部呈现金属光泽。7#试样表面显示渗氮后的颜色形貌。失重率测试结果见表2。
表2酸洗后样品失重率统计
表面结构变化
对Ti-6Al-4V锻件酸洗前后的表面相组成进行XRD分析，结果如图2所示。可以看出，1 # ~ 7 #样品的XRD图谱比较均匀，表面的α相已经被很好地去除。其中，4#和5#试样的α相主峰在40°左右明显下降，表面的α相被完全去除，但提高酸洗液浓度并不能定性改善α相的进一步去除。
图2酸洗后Ti-6Al-4V锻造样品表面XRD图谱
酸洗后Ti-6Al-4V合金中氢含量的变化
腐蚀液中氢含量及相应成分的测定结果见表3。
表3酸洗后H含量测试结果统计
从表中可以看出，除了样品3#和7#外，其他样品的残留H含量大体相似，样品4#和6#的H含量最低。高含量的HF显著提高了Ti-6Al-4V对氢的吸附，但HNO3含量的增加有脱附氢的作用。因此，4#和6#可作为最佳替代酸洗配方。
酸洗后表面硬度的变化
酸洗后样品的硬度变化见表4。其中，所有样品的表面都处于离散位置，选择5个地方进行硬度测试。每两点之间的距离远大于压痕对角线长度的2.5倍。
表4酸洗前后样品的表面硬度值(HV0.5)
从酸洗后的硬度测试结果可以看出，0#初样表面硬度极高，但酸洗后表面硬度明显下降。其中1号样品表面硬度较高，其酸洗液中HF含量较低，表面硬化层可能无法完全去除。其他样品的表面硬度差别不大。考虑到硬度测试本身的误差，可以认为其他样品的表面硬化层已经全部去除。
根据以上试验，最佳酸洗液配方为(1% ~ 3%) HF+(25% ~ 30%) HNO3，用此配方酸洗后的锻件表面如图3所示。
图3酸洗后表面硬化层示意图
酸洗后锻件表面硬化层0.058mm，氢含量0.002%，满足客户要求。
结束语本文通过试验验证了Ti-6Al-4V锻件表面硬化层去除的变化，并找到了最佳酸洗液为(1% ~ 3%) HF+(25% ~ 30%) HNO3(酸洗条件为室温25℃，酸洗时间15min)，为此类锻件的后续酸洗处理提供了有效的解决方案。
作者介绍陆小根
硕士，技术发展部工程师，主要从事锻造工艺研究。
——文章来源:《锻造与冲压》2021年第5期
