TC1和TC4钛合金腐蚀加工溶解行为研究
林 翠1，2， 胡 舸2， 梁 静2， 赵 晴1，2， 杜 楠1，2， 王力强3
【摘 要】摘要:测试了TC1和TC4钛合金在氢氟酸-硝酸溶液中腐蚀加工的E-t曲线和极化曲线，分析了腐蚀加工过程的速率变化，观察了腐蚀加工形貌。在氢氟酸-硝酸腐蚀加工液中，极化曲线呈现活化-钝化特征，氢氟酸浓度较高时，硝酸浓度增大到一定值后，极化曲线呈现自钝化倾向。钝化膜的生成速率和厚度由氢氟酸和硝酸体积比决定，氢氟酸和硝酸体积比为1∶2时，腐蚀加工速率最大。腐蚀加工初期钛合金表面氧化膜被破坏，自腐蚀电位迅速变负，加工速率较大，继续加工，硝酸使钛合金表面发生钝化，导致速率降低，钝化膜的生成和破坏同时进行，当钝化膜的生成与基体溶解达到动态平衡时，自腐蚀电位和加工速率趋于稳定。TC1和TC4钛合金中的Ti和Al优先溶解，随着硝酸浓度的增加，钛合金表面微观凹坑变浅。 【期刊名称】航空材料学报 【年(卷),期】2010(030)006 【总页数】8
【关键词】关键词:TC1钛合金;TC4钛合金;腐蚀加工;电化学行为
钛合金因其比强度高、耐腐蚀、高温强度高等显著优点被广泛应用于航空航天、生物医药、石油化工等领域。航空业的钛合金应用最为广泛，世界钛材的40%～50%应用在航空工业。无论民机还是军机，钛合金所占比重都在迅速增加。在民用商业飞机中，如波音公司最新型的B787-8喷气客机，钛合金所占比重达到15%，每架飞机的钛合金使用量已高达10吨［1，2］。
然而钛合金作为新型结构材料又是一种典型的难加工材料，它的切削加工性能
不好，特别是不易或很难进行薄壁异形件的精加工，极大地限制了其在实际中的应用。腐蚀加工是解决钛合金机械加工困难的一种有效方法［3～5］。美国、欧洲、俄罗斯在20世纪60年代开始进行钛合金腐蚀加工的相关研究［6～9］，20世纪80年代后期，我国的李荻、张红、朱彦海等学者对钛合金腐蚀加工工艺及腐蚀加工后的表面粗糙度、吸氢量、机械性能进行了探讨［10～13］，解决了钛合金腐蚀加工中存在的吸氢严重、槽液衰减快等问题。研究工作更多地集中在从工艺本身着手来研究和改进溶液配方和工艺参数［14，15］，而腐蚀加工实质是一种受控的腐蚀行为［16］，只有对这些过程以及它们的影响因素进行深入了解，才能对钛合金的腐蚀加工溶液进行有效控制。
本工作利用电化学测试、腐蚀速率分析和微观形貌观察研究了钛合金腐蚀加工溶解行为，分析了腐蚀加工溶液主要成分对腐蚀溶解规律的影响。
1 实验方法
1.1 实验材料
实验采用TC1(Ti-2Al-1.5Mn)和TC4(Ti-6Al-4V)两种钛合金，均为退火状态。材料的成分见表1。试样尺寸为20mm×30mm×2mm。 1.2 腐蚀加工溶液成分
钛合金腐蚀加工溶液基本组成:氢氟酸、硝酸和添加剂CE。氢氟酸和硝酸是腐蚀加工液的主要成分(本研究中所有氢氟酸和硝酸分别指质量分数为40%的氢氟酸和65%的硝酸);添加剂CE用以提高腐蚀加工质量。配制不同浓度的氢氟酸-硝酸腐蚀加工液，测试其电化学特征和腐蚀加工速率。 1.3 电化学测试
把准备好的钛合金试样(10mm×10mm)除油、酸洗、吹干，然后用导电胶把试
样和导线连接起来，同时测量电阻，保证其导电性良好，嵌入环氧树脂中制作成电极。
采用电化学工作站CHI660C进行电化学测试。工作电极为TC1和TC4钛合金电极，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，参比电极用盐桥和鲁金毛细管与腐蚀加工溶液相连，温度为30℃，在测试过程中钛合金腐蚀加工放热量较大，需要配备加热冷却装置对温度进行控制。
将钛合金电极浸入不同浓度氢氟酸和硝酸的混合腐蚀加工液中，记录自腐蚀电位Ecorr在腐蚀加工过程中随时间的变化，扫描时间为3000s。测量极化曲线时，扫描速率为20mV/s。
1.4 腐蚀加工速率测试和腐蚀加工形貌观察
腐蚀加工速率测定时，首先将处理好的试样称重，此重量为试样原始重量。然后将试样放入腐蚀加工溶液中，一段时间后，将试样从溶液中取出，蒸馏水冲洗后，冷风吹干，然后用天平称重。采用式(1)计算腐蚀加工速率:
式中:v为腐蚀加工速率(μm/min)，ρ是钛合金的密度(4.5g/cm3)，W0为试样原始质量(g)，W1为试样腐蚀加工后的质量(g)，A是试样的表面积(mm)，t是腐蚀时间(s)。
利用QUANTA200型扫描电镜观察腐蚀加工前后钛合金试样的表面形貌，并用与扫描电镜相连的能谱仪进行元素分析。
2 结果与讨论
2.1 E-t曲线
图1为TC1和TC4钛合金在只含氢氟酸的腐蚀加工液中测得的E-t曲线。从图中可以看出，随着氢氟酸浓度增大，自腐蚀电位负移。自腐蚀电位在前几十秒
TC1和TC4钛合金腐蚀加工溶解行为研究
