CN108611643B - 一种激光增材制造异形钛合金的化学抛光液及抛光方法 - Google Patents

一种激光增材制造异形钛合金的化学抛光液及抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种激光增材制造异形钛合金的化学抛光液及抛光方法,属于金属表面处理技术领域。该化学抛光液主要由抛光液和光整液两个溶液体系构成,抛光液由氟化氢铵、过氧化氢、六亚甲基四胺、硝酸、添加剂和磁性添加材料混合而成;光整液由氢氧化钠、硝酸钠、硫脲、硅酸钠和十二烷基硫酸钠混合而成。化学抛光方法包括预处理、配置电解液,两段式化学抛光、后期处理。本发明的化学抛光液通过加入磁性磨料在抛光过程中既去除了激光增材制造钛合金表面残留的浮粉,又可有效抑制化学反应速度,防止试样出现过度腐蚀或失重过多的现象。使用此抛光液进行抛光,钛合金表面不产生纹路,能有效降低钛合金表面粗糙度,提高光泽度,得到高质量的表面。

Description

一种激光增材制造异形钛合金的化学抛光液及抛光方法
技术领域
本发明属于金属处理领域中的表面处理技术领域,具体涉及一种难以通过机械抛光来进行表面处理的激光增材制造异形钛合金工件的化学抛光液及抛光方法。
背景技术
激光增材制造技术已被广泛用于制造难以通过传统方法或其他高成本金属制造的复杂组件。钛合金因其质量轻、强度高、韧性好、耐腐蚀、耐热性高等优点,在航空航天、航海、石油化工、人体植入物、生物医学工程和冶金等领域获得了愈来愈广泛的应用,日渐成为近年来的研究热点。然而在这些领域中,对钛合金零部件表面质量的要求也在不断提高,提升钛合金表面处理技术则显得尤为重要。
由于钛合金的切削性能差,基体表面容易生成氧化膜,因此,一般采用机械抛光法、电解抛光法和化学抛光法等方法对其进行表面光整处理,以满足日常需要。通常,对于形状规则的钛合金工件,选取以上三种处理方法均可,而对于含有弯曲管道、深孔或不同直径内流道的异形钛合金工件,采用化学抛光进行表面处理则更为简便高效。
化学抛光是借助化学试剂的流动和浸蚀作用通过对样品表面凹凸不平区域的选择性溶解来消除磨痕、侵蚀、整平样品的一种方法。化学抛光操作简单,生产效率高,加工精细,不但能够处理规则的零部件对含有管道、内孔或内流道的形状复杂的异形工件也有良好的抛光效果,是改善钛合金表面质量、提高加工效率的一种简单有效的途径。
现有技术中公开的几种钛合金抛光液,主要采用氢氟酸、盐酸、高氯酸等强酸与其他成分直接配置。由于氢氟酸、盐酸、高氯酸的酸性均较强,抛光过程中溶液反应十分剧烈,对钛合金基体的腐蚀作用明显,反应速率不易控制,常会导致钛合金工件表面过腐蚀或产生抛光纹路、出现表面易吸氢等不良结果。因此,急需开发一种抛光效果好的可以满足化学加工需要的钛合金化学抛光液。
发明内容
本发明的目的是针对现有激光增材制造钛合金化学抛光液和抛光工艺的不足,提供一种配置成本低、稳定性强、反应速度易控制,有效保护钛合金基体,表面平整光滑效果理想的一种适用于带有管道、内孔或不同直径内流道等处理死角的激光增材制造异形钛合金工件的化学抛光液及抛光方法。
本发明的技术方案:
一种激光增材制造异形钛合金的化学抛光液,该化学抛光液包括抛光液和光整液;抛光液由氟化氢铵、过氧化氢、六亚甲基四胺、硝酸、添加剂和磁性添加材料混合而成;光整液由氢氧化钠、硝酸钠、硫脲、硅酸钠和十二烷基硫酸钠混合而成;抛光液中各物质的浓度分别为:氟化氢铵0.50-0.60mol/L、过氧化氢11.45-12.43mol/L、六亚甲基四胺0.068-0.188mol/L、硝酸7.78-8.44mol/L、添加剂25-40ml/L、磁性添加材料1-15g/L;光整液中各物质的浓度分别为:氢氧化钠280-320g/L、硝酸钠230-270g/L、硫脲15-25g/L、硅酸钠8.5-11.5g/L、十二烷基硫酸钠1.0-2.5g/L。
进一步地,所述抛光液中各物质的浓度分别为:氟化氢铵0.52-0.58mol/L、过氧化氢11.61-12.27mol/L、六亚甲基四胺0.0748-0.102mol/L、硝酸7.89-8.33mol/L、添加剂28-37ml/L、磁性添加材料3-12g/L;光整液中各物质的浓度分别为:氢氧化钠285-315g/L、硝酸钠235-265g/L、硫脲17-24g/L、硅酸钠9-11g/L、十二烷基硫酸钠1.2-2.0g/L。
进一步地,所述抛光液中各物质的浓度分别为:氟化氢铵0.53-0.57mol/L、过氧化氢11.78-12.10mol/L、六亚甲基四胺0.0816-0.0952mol/L、硝酸8.00-8.22mol/L、添加剂30-35ml/L、磁性添加材料5-10g/L;光整液中各物质的浓度分别为:氢氧化钠290-310g/L、硝酸钠240-260g/L、硫脲18-22g/L、硅酸钠9.5-10.5g/L、十二烷基硫酸钠1.5-1.8g/L。
所述磁性添加材料为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料或复合永磁材料。
所述抛光液中的添加剂包括甘油、冰醋酸和吡啶,体积比为甘油:冰醋酸:吡啶=2.3~2.7:1.4~1.6:1。
一种激光增材制造异形钛合金的化学抛光液的抛光方法,步骤如下:
(1)预处理:将异形钛合金工件放入丙酮溶液中进行超声波清洗除油,之后用去离子水对异形钛合金工件进行清洗并烘干。
(2)配置化学抛光液:将氟化氢铵、过氧化氢、六亚甲基四胺、硝酸、添加剂和磁性添加材料按比例混合均匀,制得抛光液;将氢氧化钠、硝酸钠、硫脲、硅酸钠和十二烷基硫酸钠按比例混合均匀,制得光整液。
(3)两段式化学抛光:第一阶段,将异形钛合金工件浸渍于步骤(2)制得的抛光液中进行初步抛光,抛光过程中辅以磁力搅拌;第二阶段,将异形钛合金工件浸渍于步骤(2)制得的光整液中进行二次抛光,确保异形钛合金工件平整光滑。
(4)将取出的钛合金试样清洗、烘干,得到抛光样品。
进一步地,所述步骤(3)中第一阶段的抛光参数为:温度为25-35℃,抛光时间为8-12min,磁力搅拌速度为50-70rpm;第二阶段的抛光参数为:温度为60-70℃,抛光时间为80-90s。
本发明的有益效果:
1、本发明所述的钛合金化学抛光液成本低廉,性质稳定,导电性好。所述化学抛光过程经历两步,在抛光的基础上又进一步使试样平滑光亮,取得了激光增材制造异形钛合金工件化学法处理的理想效果。
2、本发明所述化学抛光液通过加入磁性磨料进行搅拌,在抛光过程中既去除了激光增材制造钛合金表面的浮粉,又可有效控制化学反应速度,减少了不同相之间或晶粒与晶间的腐蚀速率差异,避免试样出现过度腐蚀或过多失重的现象,有效地保护了钛合金的金属基体。
3、本发明所述的钛合金化学抛光液在补充母液的前提下可以多次循环使用,效率高。使用此化学抛光液对激光增材制造异形钛合金工件进行抛光,试样失重率较小,可以有效降低钛合金表面粗糙度,提高整体光泽度,得到高质量的钛合金工件表面。
附图说明
图1为不同形状的激光增材制造异形钛合金工件。
(a)为条形激光增材制造异形钛合金管状工件
(b)为S形激光增材制造异形钛合金管工件
(c)为V形激光增材制造异形钛合金管状工件
图2为激光增材制造异形钛合金工件经过简单预处理后表面形貌的SEM图。
图3为激光增材制造异形钛合金工件经本发明所述化学抛光液和抛光方法处理后表面形貌的SEM图。
图4为抛光时间与钛合金工件表面粗糙度、减薄率的关系。
图5为抛光温度与钛合金工件表面粗糙度、减薄率的关系。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1对长度为80mm,内外直径分别为15mm和5mm的激光增材制造钛合金管状工件(图1(a)条形)进行抛光处理。
(1)预处理:将钛合金工件放入丙酮溶液中进行超声清洗除油,之后由去离子水清洗、烘干。
(2)配置化学抛光液:根据本发明提供的抛光液,在优选情况下将160ml氟化氢铵(16%),360ml过氧化氢(30%),60ml六亚甲基四胺(16%),360ml硝酸(65%-80%),30ml添加剂和5g磁性添加材料按比例混合,在室温下(20℃)进行磁力搅拌,配置成1L的抛光液。将290g氢氧化钠,240g硝酸钠,18g硫脲,9.5g硅酸钠和1.5g十二烷基硫酸钠按比例混合进行磁力搅拌,制备成1L的光整液。
(3)化学抛光:先将钛合金样品浸渍于本发明所述化学抛光液中,在25℃的温度下经过8min的初步抛光后取出。此阶段的抛光过程中伴随着磁力搅拌,搅拌速度为50-70rpm。再将样品浸渍于本发明所述化学光整液中,在60℃的温度下经过80s的平整光滑后取出。
(4)后期处理:将经电化学抛光处理后的异形钛合金零件用无水乙醇超声清洗5min后取出,吹干,观察试样表面。
化学抛光处理前后测得激光增材制造异形钛合金工件的表面粗糙度明显减小,失重较少。粗糙度从11.172μm降至6.418μm,试样失重率为6.339%。
实施例2对长度为60m,外直径为5mm,内流道直径为2mm的激光增材制造钛合金弯曲细管状工件(图1(b)S形)进行抛光处理。
(1)预处理:将钛合金工件放入丙酮溶液中进行超声清洗除油,之后由去离子水清洗、烘干。
(2)配置化学抛光液:根据本发明提供的抛光液,在优选情况下将165ml氟化氢铵(16%),365ml过氧化氢(30%),65ml六亚甲基四胺(16%),360-370ml硝酸(65%-80%),32ml添加剂和7.5g磁性添加材料按比例混合,在室温下进行磁力搅拌,配置成1L的抛光液。将300g氢氧化钠,250g硝酸钠,20g硫脲,10g硅酸钠和1.7g十二烷基硫酸钠按比例混合进行磁力搅拌,制备成1L的光整液。
(3)化学抛光:先将钛合金样品浸渍于本发明所述化学抛光液中,在30℃的温度下经过10min的初步抛光后取出。此阶段的抛光过程中伴随着磁力搅拌,搅拌速度为50-70rpm。再将样品浸渍于本发明所述化学光整中,在65℃的温度下经过85s的平整光滑后取出。
(4)后期处理:将经电化学抛光处理后的异形钛合金零件用无水乙醇超声清洗5min后取出,吹干,观察试样表面。
化学抛光处理前后测得激光增材制造异形钛合金工件的表面粗糙度明显减小,失重较少。粗糙度从12.113μm降至5.387μm,试样失重率为5.946%。
实施例3对总长度为90mm,内外直径分别为6mm和3mm的含转角的激光增材制造钛合金管状工件(图1(c)V形)进行抛光处理。
(1)预处理:将钛合金工件放入丙酮溶液中进行超声清洗除油,之后由去离子水清洗、烘干。
(2)配置化学抛光液:根据本发明提供的抛光液,在优选情况下将170ml氟化氢铵(16%),370ml过氧化氢(30%),70ml六亚甲基四胺(16%),370ml硝酸(65%-80%),35ml添加剂和10g磁性添加材料按比例混合,在室温下进行磁力搅拌,配置成1L的抛光液。将310g氢氧化钠,260g硝酸钠,22g硫脲,10.5g硅酸钠和1.8g十二烷基硫酸钠按比例混合,进行磁力搅拌,制备成1L的光整液。
(3)化学抛光:先将钛合金样品浸渍于本发明所述化学抛光液中,在35℃的温度下经过12min的初步抛光后取出。此阶段的抛光过程中伴随着磁力搅拌,搅拌速度为50-70rpm。再将样品浸渍于本发明所述化学光整液中,在70℃的温度下经过90s的平整光滑后取出。
(4)后期处理:将经电化学抛光处理后的异形钛合金零件用无水乙醇超声清洗5min后取出,吹干,观察试样表面。
化学抛光处理前后测得激光增材制造异形钛合金工件的表面粗糙度明显减小,失重较少。粗糙度从12.745μm降至4.933μm,试样失重率为6.273%。
将经过本发明所述化学抛光液及抛光方法处理过的激光增材制造异形钛合金工件表面进行粗糙度测量,并进行扫描电镜形貌分析,发现经本发明所述化学抛光液及抛光处理后得到的异形钛合金表面粗糙度明显下降,光泽度提升,样品失重率较小,没有抛光纹路。

Claims (5)

1.一种激光增材制造异形钛合金的化学抛光液,其特征在于,该化学抛光液包括抛光液和光整液;抛光液由氟化氢铵、过氧化氢、六亚甲基四胺、硝酸、添加剂和磁性添加材料混合而成;光整液由氢氧化钠、硝酸钠、硫脲、硅酸钠和十二烷基硫酸钠混合而成;抛光液中各物质的浓度分别为:氟化氢铵0.50-0.60mol/L、过氧化氢11.45-12.43mol/L、六亚甲基四胺0.068-0.188mol/L、硝酸7.78-8.44mol/L、添加剂25-40ml/L、磁性添加材料1-15g/L;光整液中各物质的浓度分别为:氢氧化钠280-320g/L、硝酸钠230-270g/L、硫脲15-25g/L、硅酸钠8.5-11.5g/L、十二烷基硫酸钠1.0-2.5g/L;所述抛光液中的添加剂包括甘油、冰醋酸和吡啶,体积比为甘油:冰醋酸:吡啶=2.3~2.7:1.4~1.6:1。
2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造异形钛合金的化学抛光液,其特征在于,所述抛光液中各物质的浓度分别为:氟化氢铵0.52-0.58mol/L、过氧化氢11.61-12.27mol/L、六亚甲基四胺0.0748-0.102mol/L、硝酸7.89-8.33mol/L、添加剂28-37ml/L、磁性添加材料3-12g/L;光整液中各物质的浓度分别为:氢氧化钠285-315g/L、硝酸钠235-265g/L、硫脲17-24g/L、硅酸钠9-11g/L、十二烷基硫酸钠1.2-2.0g/L。
3.根据权利要求1所述的一种激光增材制造异形钛合金的化学抛光液,其特征在于,所述抛光液中各物质的浓度分别为:氟化氢铵0.53-0.57mol/L、过氧化氢11.78-12.10mol/L、六亚甲基四胺0.0816-0.0952mol/L、硝酸8.00-8.22mol/L、添加剂30-35ml/L、磁性添加材料5-10g/L;光整液中各物质的浓度分别为:氢氧化钠290-310g/L、硝酸钠240-260g/L、硫脲18-22g/L、硅酸钠9.5-10.5g/L、十二烷基硫酸钠1.5-1.8g/L。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种激光增材制造异形钛合金的化学抛光液,其特征在于,所述磁性添加材料为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料或复合永磁材料。
5.采用权利要求1-4所述的任一一种激光增材制造异形钛合金的化学抛光液的抛光方法,其特征在于,包括步骤如下:
(1)预处理:将异形钛合金工件放入丙酮溶液中进行超声波清洗除油,之后用去离子水对异形钛合金工件进行清洗并烘干;
(2)配置化学抛光液:将氟化氢铵、过氧化氢,六亚甲基四胺、硝酸、添加剂和磁性添加材料按比例混合均匀,制得抛光液;将氢氧化钠、硝酸钠、硫脲、硅酸钠和十二烷基硫酸钠按比例混合均匀,制得光整液;
(3)两段式化学抛光:第一阶段,将异形钛合金工件浸渍于步骤(2)制得的抛光液中进行初步抛光,抛光过程中辅以磁力搅拌;第二阶段,将异形钛合金工件浸渍于步骤(2)制得的光整液中进行二次抛光,确保异形钛合金工件光整平亮;第一阶段的抛光参数为:温度为25-35℃,抛光时间为8-12min,磁力搅拌速度为50-70rpm;第二阶段的抛光参数为:温度为60-70℃,抛光时间为80-90s;
(4)后期处理:将处理好的钛合金试样取出并清洗、烘干。
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