CN102925950A - 用于粗化金属表面的方法及由其制造的物品 - Google Patents

用于粗化金属表面的方法及由其制造的物品 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于粗化金属表面的方法及由其制造的物品。具体而言，一种用于表面粗化金属工件的方法包括将待粗化的工件的区域布置成邻近反电极。随后，将待粗化的工件的区域和反电极一起布置在电解质中。在工件和反电极之间施加带有电流的电势以粗化金属表面至期望粗糙度。

Description

用于粗化金属表面的方法及由其制造的物品
相关申请的交叉引用
本申请是2007年4月13日递交的美国申请No.11/786,996的部分延续申请，其全部内容以引用的方式并入本申请中。
技术领域
本发明大体涉及粗化金属表面的方法和由该方法制造的物品，并且更具体地涉及用于蚀刻金属表面的电解过程。
背景技术
航空航天及其它工业经常要求在粘合联结之前对金属进行表面制备。大量的构件(例如涡轮叶片、风扇(fan)、压缩机叶片及其它复合部件)彼此粘合地联结以实现完整单元的制造。为了确保获得良好的金属对金属或金属对非金属的粘合联结，金属的表面要求尽可能干净，但是许多金属具有太过光滑或均匀以致不能在清洁之后提供最优联结的表面。在一种提供更好粘合的已知方法中，金属表面经化学处理以提供蚀刻表面从而产生更多表面区域，这有助于实现联结。在该方法中，化学处理涉及施加牺牲性多孔阻隔层(掩模)和酸性蚀刻剂以产生对金属表面的期望粗化。蚀刻剂混合物可包括硝酸和氢氟酸的组合。蚀刻过程的持续时间相当长并且蚀刻剂混合物难以处理。此外，蚀刻在可能实现的表面粗化程度方面受到限制。
已在使用的其它粗化技术包括诸如刮擦或毛刺研磨的机械手段。这些技术具有以下缺点，包括基底变形、移除过多金属、不能粗化某些表面或提高其难度，以及施加不一致。此外，利用此类技术，可能难以实现某些应用所期望的提高表面粗化的水平。
因此，需要有用于粗化金属表面的改进技术。
发明内容
根据本发明的一个示范性实施例，提供了一种用于表面粗化金属工件的方法。该方法包括将待粗化的工件的区域布置成邻近反电极。在将工件布置成邻近反电极之后，将工件和反电极一起布置在电解质(electrolyte)中。在工件和反电极之间施加带有电流的电势以粗化该工件的区域至期望粗糙度。其中，将待粗化的工件的区域布置成邻近反电极包括在工件和反电极之间提供大约在0.127到2.54厘米范围内的间隔。该方法还包括将待粗化的工件的区域和反电极布置在具有酸性溶液、碱性溶液、盐溶液或以上溶液的组合的电解质中。该方法还包括在工件和反电极之间施加范围在5至30伏特中的电势。该方法进一步包括将电势施加范围在0.5至25分钟内的持续时间。该方法还包括在工件和反电极之间施加带有电流的脉冲电势。该方法还包括将工件的表面粗化至范围在90至400微英寸内的粗糙度。该方法还包括在工件和反电极之间施加电势期间从电解质移除气泡。
在一个实例中，工件包括与铝、钒、锡、铬、钼和锆形成合金的钛。在另一个实例中，工件包括与铁、铬、铝、铌和钼形成合金的镍。可选的是，反电极包括实心结构。在另一个实例中，工件包括根据上述方法进行粗化的区域。其中，该区域具有范围在90至400微英寸内的粗糙度。
根据本发明的另一个示范性实施例，提供了一种用于制造机加工物品的方法。该方法包括将待粗化的第一工件的区域布置成邻近反电极。在将工件布置成邻近反电极之后，在此再次将工件和反电极一起布置在电解质中。在工件和反电极之间施加带有电流的电势以粗化待粗化的工件的区域至期望粗糙度。将工件从电解质移除并利用洗涤介质进行洗涤。随后，将工件联结至非金属基底(substrate)。可选的是，第一工件包括与铝、钒、锡、铬、钼和锆形成合金的钛。在一个实例中，反电极包括不锈钢网、紫铜网、金网、黄铜网、青铜网、铂网、钛网或以上网的组合。可选的是，反电极包括铜共形电极(confomalelectrode)。在一个实施例中，该方法包括将第一工件和反电极布置在具有酸性溶液、碱性溶液、盐溶液或以上溶液的组合的电解质中。在另一个实施例中，该方法还包括在第一工件和反电极之间施加范围在5至30伏特中的电势。在另一个实施例中，该方法还包括在第一工件和反电极之间施加脉冲电势。在另一个实施例中，该方法还包括将第一工件的表面粗化至范围在90至400微英寸内的粗糙度。
研读结合若干附图和所附权利要求的下列详细描述，本申请的这些及其它特征和改进对本领域技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
当参照附图阅读下面详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中同样的标记表示同样的部件，其中：
图1是多个金属工件的图解表示，该多个金属工件经粗化和连结以形成根据本发明示范性实施例的诸如复合层压构件的机加工物品；
图2是根据本发明示范性实施例的机加工物品的图解表示，该机加工物品包括配合至复合基底的金属工件；
图3是根据本发明示范性实施例的用于粗化金属工件表面的示范性装置的图解表示；
图4是根据本发明示范性实施例的用于粗化金属工件表面的示范性装置的示意截面图；
图5A和图5B是根据本发明示范性实施例的用于粗化金属工件表面的示范性装置的局部截面图；
图6是根据本发明示范性实施例的金属工件和反电极的图解表示；和
图7是示出了根据本发明示范性实施例的涉及粗化金属表面的示范性步骤的流程图。
部件列表
10  机加工物品
12  工件
13  工件
14  工件
16  复合基底
18  凹部
22  前边缘
24  内表面
26  装置
28  反电极
29  间隔件
30  电解质浴池(bath)
31  总线垫
32  电源
34  泵
35  顺应性罩(boot)
36  气泡
37  偏置阳极(bias anode)
38  抽吸管线(line)
39  电接线
40  抽吸管线
42  抽吸管线
44  排放管线
46  电解质流
48  冲洗管
49  牺牲性防护件(shield)
50  方法
具体实施方式
如在下文详细讨论的那样，本发明的实施例提供用于表面粗化金属工件的方法，其中，待粗化的工件的区域布置或固定成邻近反电极以形成固定组件。在将待粗化的工件的区域布置成邻近反电极之后，将待粗化的工件的区域和反电极布置在电解质浴池中。在待粗化的工件的区域和反电极之间施加电势以粗化工件表面至期望粗糙度。在本发明的某些其它实施例中，将工件从电解质移除且然后利用洗涤介质进行洗涤。随后，将工件联结至一个或更多个金属或非金属构件以形成机加工物品，例如复合层压构件。在某些其它的实施例中，公开了一种机加工物品。该机加工物品包括工件和一个或更多个邻近构件，其中，该工件具有期望粗糙度在90到400微英寸范围内的粗糙金属表面，该一个或更多个邻近构件利用联结材料而联接于粗糙的金属表面。本发明的实施例消除了对掩模和酸性蚀刻剂的使用，同时产生适合于随后处理例如粘合联结的粗糙表面。在下文大体上参照图1-6来阐述本发明的具体实施例。
参照图1，根据本发明的示范性实施例示出了机加工物品10。机加工物品10包括联结于复合基底或支承件16的多个金属工件12、13和14。在所示的具体实施例中，物品10为风扇叶片，但本技术可结合广泛范围的制造物品(例如，将采用表面粗化的涡轮叶片、压缩机叶片等)一起使用。工件12是物品的前边缘，而工件13是帽盖，以及工件14是紧固至复合基底16的后边缘。所有工件都经粗化以便加强联结至复合基底16。在示出的实例中，在工件中的任何一个紧固至复合基底16边缘的情况下，基底16可设置有凹部以确保期望的最终轮廓。在下文更详细地描述了粗化其中一个工件12的边缘表面的方法。
在下文参照图1的其中一个工件12描述了用于表面粗化的当前技术。工件12的金属材料广泛地设想为要求表面粗化用于任何目的的任何金属材料，这些目的包括用于随后施加涂层以及用于金属到金属或金属到非金属的粘合联结。工件的合适金属可包括金属合金和金属间固定物。在某些实施例中，金属工件12包括诸如用于飞行器发动机部件的一个或更多个板材，例如钛板材、镍板材或上述板材的组合。在某些其它的示范性实施例中，钛可与铝、钒、锡、铬、钼和锆形成合金。在某些其它的示范性实施例中，镍可与铁、铬、铝、铌和钼形成合金。钛和钛合金对诸如航空航天应用的应用而言由于它们的轻质、高强度和热稳定性而因此用作机身和发动机部件。在某些实例中，钛用作用于复合构件的保护外皮(sheath)，例如，用作复合风扇叶片的前边缘，其中，前边缘的内表面在粘合联结至复合风扇叶片构件之前被粗化。在本文中应当注意，工件12可包括本领域技术人员已知的其它金属。工件12可包括后边缘、前边缘或取决于应用的任何其它部分。在某些其它实施例中，工件12可包括尖端帽盖、风扇叶片、出口导叶、定子叶片或以上构件的组合。在本文中应当再次注意，上述列举并非穷尽的而且可包含要求表面粗化应用的其它构件。
参照图2，根据本发明的另一个示范性实施例以截面图示出了机加工物品10。在示出的实施例中，物品10包括配合到复合基底16的凹部18中的工件12。在示出的实施例中，为了确保良好的粘合联结，工件12具有前边缘22，其设置有以附图标记24表示的粗糙内表面。表面24的粗糙度可在90到400微英寸的范围内。表面24的粗化通过电解蚀刻或粗化过程完成，并且在下文利用随后的附图更详细地说明。工件12利用联结介质例如环氧粘合膜而联结至基底16。
参照图3，示出了根据本发明又一个示范性实施例的用于粗化工件12表面24的装置26。装置26包括反电极28，其布置或固定成邻近待粗化的工件12的区域。在示出的实施例中，反电极28包括“网”状结构，并且可包括不锈钢网、铜网、金网、铂网、钛网或者上述网的组合。在本文中应当注意，上述列举并非穷尽的而且可包括本领域技术人员已知的其它材料。另外，应当注意，反电极28可为实心结构。待粗化的工件12的区域和反电极28在一起布置于电解质浴池30中之前首先相对于彼此布置或固定。电解质浴池30可包括酸性溶液、碱性溶液、盐溶液或以上溶液的组合。在某些示范性实施例中，电解质浴池30可包括溴化钠溶液(用于钛或钛合金)。至少一个间隔件29设置在待粗化的工件12的区域和反电极28之间，以便使工件12与反电极28分离而防止电路短路。在优选实施例中，待粗化的工件的区域布置成邻近反电极，并且在工件和反电极之间包括大约在0.127到2.54厘米范围内的间隔。在某些其它的示范性实施例中，任何其它的定位装置都可远离机加工区用于使待粗化的工件12的区域与反电极28分离。为此目的，在适当的情况下可设置附加的间隔件或一套间隔件。
现在参照图4，示出的是一种备选实施例，在其中公开了用于保护工件的外表面免受杂散电流的器件的备选间隔件构造和包含物。应当理解，在所有实施例中同样的元件具有同样的标记。在备选实施例中，在相对于电极28布置或固定工件12期间并将组件布置在电解质浴池30中之前，将多个间隔件29定位在待粗化的工件12的区域和反电极28之间，以便使待粗化的工件12的区域与反电极28分离和防止电路短路。公开的是，在该优选实施例中电极28可构造为共形铜电极。间隔件29非常小，并且在一个具体实施例中可为大约0.635×0.3175×0.2286厘米。在该特定实施例中，间隔件29由
Figure BSA00000772780400071
构成，但备选的是可由任何非传导的化学惰性材料形成。多个电总线垫31构造成邻近待粗化的工件12的区域以在间隔件29的至少一部分上施加力，从而实现用于电流通过的高压接触。在优选实施例中，电总线垫31构造成将至少50磅的压缩力传递至间隔件29，从而实现用于电流通过的高压接触。电总线垫很关键，因为断续的电接触将使得火花得以发生并可导致工件12变得不可用。在保护工件12的外表面免受此类杂散电流的示出实施例中，可包括顺应性罩35以包封待粗化的工件12的区域外部。更具体而言，顺应性罩35围绕工件12区域的外侧壁构造，但可与该外侧壁偏移一距离。顺应性罩35消除了杂散电流对工件12外部的侵蚀(attack)。
在图5A和图5B中示出的是用于保护工件12免受杂散电流侵蚀的备选器件。更特别而言，如在图5A中以局部示意截面图最佳示出的那样，替代顺应性罩35的是可包括偏置阳极37以使杂散电流最大限度地减小而防止到达待粗化的工件12。偏置阳极37可构造为网状或实心结构，其定位成邻近工件12的外部并且顺应该外部，但与该外部偏移一距离。偏置阳极37经由电接线39提供附加电场，并且抵消将会改变工件外表面的形状或质量的不需要的表面电势。与顺应性罩35相似，偏置阳极37最大限度地减小了杂散电流在工件12外部上侵蚀的可能性。
如在图5B中以局部示意截面图最佳示出的那样，替代顺应性罩35的是可包括牺牲性防护件49以最大限度地减小杂散电流到达待粗化工件12的外部。牺牲性防护件49可由诸如锌的材料构造成网状或实心结构，其定位成邻近工件12的外部。更具体而言，牺牲性防护件49构造成顺应工件12的形状并与其接触。与顺应性罩35相似，牺牲性防护件49最大限度地减小了杂散电流在工件12外部上侵蚀的可能性。
在先前描述的实施例中，并且如在图3中最佳示出的那样，工件12和反电极28联接至电源32。电源32构造成将电势(例如，范围在5到30伏特内的电势)施加在工件12和反电极28之间以通过电解蚀刻过程来粗化工件的内表面24。电势可施加范围大约在0.5到30分钟内的持续时间。在某些实施例中，在工件12和反电极28之间施加的是脉冲电势。在一个实例中，将电力施加0.1秒，并且随后切断0.12秒。电势的脉冲施加可取决于应用而变化以引起期望的表面粗化。当然，电压、持续时间和脉冲模式(如果电源是脉冲的话)是可变化的，以获得期望的粗化程度。
当在工件12和反电极28之间施加电势时，电流经由电解质浴池30在工件12和反电极28之间流动。电解质溶液中的阳‘离子’和阴‘离子’分离并且吸附到相反极性的板上。阳离子吸附到反电极(也称为“阴极”)，而阴离子吸附到工件或阳性板(也称为“阳极”)，从而引起氧化且因此造成对工件12表面24的腐蚀。结果，工件12的表面24得以粗化。
在示出的实施例中，装置26还可包括泵34(图3)，其构造成迫使流体(电解质)流经浴池，以便在工件12和反电极28之间施加电势期间将气泡36从电解质30移除。泵34设置有抽吸管线38、40、42和排放管线44。箭头46、48示出了电解质的流动。备选的是，泵34可与在其中形成有穿孔的冲洗管48(图4)成流体连通，并且构造成迫使流体(电解质)例如以冲洗运动经由浴池流动，以便在工件12和反电极28之间施加电势期间将气泡36从电解质30移除。
参照图6，根据本发明的示范性实施例示出了工件12和反电极28的更详细视图。工件12具有设置有待粗化表面24的前边缘。如参照图1和图2所述，在粗化过程期间工件12与反电极28分离一距离“D”。间隔件(未在图5中示出)用于在粗化过程期间于工件12和反电极28之间保持距离“D”。工件12的粗糙程度可通过在对于预定电压和处理时间的粗化过程期间改变工件12和反电极28之间的距离“D”而变化。在某些示范性实施例中，距离“D”大约在0.05到1英寸的范围内。反电极28通过具有期望轮廓的固定件36而保持在期望位置。此外，在沿着表面的不同位置期望有不同粗糙程度的情况下，该距离可经控制以加强局部粗化。
参照图7，示出的是说明涉及粗化金属工件表面的方法50的示范性步骤的流程图。该方法包括在将组件布置到电解质浴池中之前首先使待粗化的工件的区域布置或固定成邻近反电极，如以步骤52表示。接下来，将待粗化的工件的区域和反电极布置在电解质浴池中，如以步骤54表示。待粗化的工件的区域和反电极作为固定组件一起布置在电解质浴池中。电解质浴池可包括酸性溶液、碱性溶液、盐溶液或以上溶液的组合。工件定位成与反电极分离一距离“D”以便防止电路短路。
该方法还包括在工件和反电极之间施加电势以通过电解蚀刻过程来粗化工件的期望表面，如以步骤56表示。在某些实施例中，脉冲电势施加在工件和反电极之间达预定的持续时间。脉冲参数例如脉)冲持续时间、脉冲间隔和脉冲幅度可取决于应用而变化以引起期望的表面粗化。
在某些示范性实施例中，该方法还可包括在工件和反电极之间施加电势期间将气泡从电解质移除，如以步骤58表示。在粗化过程之后将金属工件从电解质浴池移除，如以步骤60表示。利用洗涤介质对具有粗糙表面的金属工件进行洗涤，如以步骤62表示。利用洗涤介质对在粗化过程期间移除的材料进行清洁。然后，对金属工件涂底漆。该方法包括将工件联结至基底例如复合层压构件，如以步骤64表示。利用联结材料例如环氧粘合膜将工件联结至基底。
虽然在文中仅示出和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求意图涵盖如落在本发明的实质内的所有此类修改和变化。

Claims (10)

1.一种用于表面粗化金属工件(12)的方法(50)，包括：
将待粗化的所述工件(12)的区域布置成邻近反电极(28)(52)；
随后，将所述工件(12)的区域和所述反电极(12)一起布置在电解质(30)中(54)；和
在所述工件(12)和所述反电极(28)之间施加带有电流的电势以将所述工件(12)的区域粗化至期望的粗糙度(56)。
2.根据权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，所述反电极(28)包括不锈钢网、紫铜网、黄铜网、青铜网、金网、铂网、钛网或以上网的组合。
3.根据权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，所述反电极(28)包括共形铜电极。
4.根据权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，将待粗化的所述工件(12)的区域布置成邻近所述反电极(28)(52)包括将至少一个间隔件(29)布置在待粗化的所述工件(12)和所述反电极之间(28)。
5.根据权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，所述方法还包括将至少一个电总线垫(31)定位成邻近所述至少一个间隔件(29)中的每一个，其中，所述至少一个电总线垫(31)中的每一个均构造成在至少一个间隔件(29)上施加压缩力。
6.根据权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，所述方法包括将用于防止杂散电流损害的器件(35，37，49)定位成邻近待粗化的所述工件(12)的区域的外表面而布置。
7.根据权利要求6所述的方法(50)，其特征在于，用于防止杂散电流损害的所述器件为顺应性罩(35)、偏置阳极(37)或牺牲性防护件(49)中之一。
8.根据权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，所述方法还包括在所述工件(12)和所述反电极(28)之间施加电势期间从所述电解质(30)移除气泡(58)。
9.一种具有通过权利要求1所述方法粗化的表面的工件(12)，所述方法包括：
将待粗化的所述工件(12)的区域布置成邻近反电极(28)(52)；
然后，将所述工件(12)的区域和所述反电极(28)一起布置在电解质(30)中(54)；和
在所述工件(12)和所述反电极(28)之间施加带有电流的电势以粗化所述工件(12)的区域的表面至范围在90到400微英寸内的期望粗糙度(56)。
10.一种用于制造机加工物品(10)的方法，包括：
将待粗化的第一工件(12)的区域布置成邻近反电极(28)(52)；
然后，将所述第一工件(12)的区域和所述反电极(28)一起布置在电解质(30)中(54)；
在所述第一工件(12)和所述反电极(28)之间施加带有电流的电势以粗化所述第一工件(12)的区域至期望粗糙度(56)；
从所述电解质(30)移除所述第一工件(12)(60)；
利用洗涤介质洗涤所述第一工件(12)(62)；和
将所述第一工件(12)联结至复合基底(16)以形成复合层压构件(64)。
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