CN110948398B - 钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法，包括：对固液两相混合流体进行搅动形成高速湍流涡旋；抽取固液两相混合流体并混合微纳米气泡形成高速高压气液固三相磨粒流；向罐体内工件喷射高速高压气液固三相磨粒流进行分阶段的表面处理；同时通过配置在工件下方的超声波装置发出超声波，形成超声波空化效应，并且在罐体内的高速流体中形成正、负压迅速交替的能量波动环境，引起高速流体中微纳米气泡的膨胀和压缩。本发明结合湍流、射流、空化及超声波的综合作用，采用空化磨粒射流、湍流一体化包围式加工与超声波增强相结合的方式，可实现氧化皮的不同原位缺陷同步剥离及新缺陷点衍生和连锁剥离，去除效率高，加工均匀性好。

Description

钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法

技术领域

本发明涉及表面处理技术领域，尤其是磨粒流精整技术，具体而言涉及一种钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法。

背景技术

钛合金具有极高的比强度、耐腐蚀性及耐高温性能，是航空航天领域重要的结构材料，。但钛合金热导率低、切削性能差，加工过程中往往需要多次退火热处理以消除其加工应力。由于结构件的特殊性能要求，还需要对其进行强化热处理以获得强度高和塑性好的综合性能。这些热处理大多是在无保护气体条件下进行的，处理温度500℃-800℃，处理时长0.5H-20H，导致工件表面形成厚度达到0.05mm-1.8mm的致密氧化层，严重影响工件美观度和后续工序的进行，需要对其表面氧化层进行清理。

钛合金表面氧化层常用机械法和化学法清理，机械法包括打磨法、抛丸法、喷砂法等，方法简单，但作用力大，均匀性差，易残留应力损伤基材，只适用于简单结构工件，且加工过程伴随粉尘污染。化学法通常采用先熔融碱洗后酸洗的方式，碱液常为NaOH-NaNO2系,加热温度120℃-450℃，时间2H-6H；酸液常为HF-HNO3系，时间5s-30s。化学法虽然能够实现复杂工件的表面氧化层清理，但其碱洗温度高、时间长、安全隐患大、能耗高；酸洗溶液具有强腐蚀性、易挥发，清洗过程中会产生NO、N2O、NO2等大量有毒气体，且反应速度过快，易引起过腐蚀，废液处理困难。

超声波能量高、方向性好，超声波空化效应可明显提高反应效率，缩短加工时间，被广泛应用于表面处理行业。中国专利CN201811071574.2公布了一种超声波辅助HF-HNO3酸洗钛合金氧化皮的方法，避免了高温熔融碱的使用，使整个加工过程温度低于60℃，解决了高温危险和能耗高的问题，但仍然存在毒气废液污染及腐蚀速度不易控制的问题。中国专利CN201710020634.7公布了一种利用超声波酸洗去除表面氧化皮的方法，溶液改为稳定性较好的硫酸，加热温度为45℃—50℃，加工时间低于20min,减少了有毒气体产生，实现了氧化皮较快去除，但仍大量使用了危化药品，加工过程需不断调整硫酸浓度，环保性安全性不足，加工进程控制性差，过腐蚀概率仍然高。目前还没有一种安全环保、均匀高效无损伤的钛合金表面氧化层处理方法，解决这个问题对推进钛合金的实际应用具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法，以克服现有技术中钛合金表面氧化层处理的缺陷，解决钛合金表面氧化皮去除过程中毒气废液污染、加工进程控制难、容易过腐蚀的问题。

为达成上述目的，本发明提出的钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法，包括以下步骤：

步骤1、在配置有固液两相混合流体的罐体内，通过湍流发生器进行搅动，形成高速湍流涡旋，其中固液两相混合流体以环保水基载体并混合硬质固体磨粒组成；

步骤2、通过微气泡泵抽取固液两相混合流体，并混合微气泡泵生成的微纳米气泡，与固液两相混合流体进行融合、增压，形成高速高压气液固三相磨粒流；

步骤3、通过罐体侧壁上的射流出口向罐体内待加工的工件喷射高速高压气液固三相磨粒流，对工件进行表面处理；

其中，在表面处理过程中，还包括：通过配置在工件下方的超声波装置发出超声波，在罐体内实现超声波空化效应，并且在罐体内的高速流体中形成正、负压迅速交替的能量波动环境，引起高速流体中微纳米气泡的膨胀和压缩

进一步地，所述步骤3中，进一步包括以下步骤：

调节微气泡泵的压力和流量以调节射流流量和压力；

进一步地，所述步骤3中，进一步包括以下步骤：

调节微气泡泵的进气量以调节高速高压气液固三相磨粒流中微纳米气泡的含量和尺寸。

进一步地，所述超声波发生装置为低频高功率型，频率20KHZ～60KHZ，功率2KW～10KW。

进一步地，在所述步骤3中，对工件进行的表面处理包括：

快速冲蚀处理：采用短时高压小流量大角度的射流对表面氧化层进行冲蚀，以破坏氧化层致密度；

表面精整：在快速冲蚀处理后采用中低压大流量小角度喷射，并辅以超声波增强，实现疏松氧化层的可控高效剥离与基材表面一体化精整处理的无缝对接。

进一步地，在快速冲蚀处理阶段：射流冲蚀的空化射流压力为3MPa～10MPa，流量为0.5m³/h～3m³/h，射流角度为75°～90°，加工时间不超过15min；

表面精整阶段的空化射流压力0.5MPa～5MPa,流量0.5m³/h～15m³/h,射流角度30°～75°。

进一步地，在同一工件的处理过程中，快速冲蚀处理阶段的空化射流压力大于表面精整阶段的压力值，并且喷射角度大于表面精整阶段的喷射角度。

如此，本发明结合湍流、射流、空化及超声波的综合效应，加工进程可控、氧化层去除效率高，均匀性好。加工过程中，工件浸没在流体中。湍流涡旋实现磨粒和微气泡的分散、传递，实现工件一体化包围式加工，同时将脱落的氧化皮迅速带走，避免脱落氧化皮再次粘附影响去除效果。

加工第一阶段(快速冲蚀阶段)，钛合金工件表面的致密氧化层在高速高压磨粒射流的大角度冲击下迅速产生裂纹、凹坑等大量微细缺陷，并受到固体磨粒和微纳米气泡的冲刷。与固体磨粒相比，尺寸仅微米纳米量级的微气泡更有机会进入到原始微细缺陷中，并在其中爆破，产生速度110m/s、冲击力几十兆帕至上百兆帕的微射流冲击，即空化作用，引起空化位置附近氧化皮松动、脱落，并使较远位置氧化层因受到传递冲击力的挤压而变形、拱起，衍生出新缺陷点，为氧化皮连锁剥离准备了条件；当缺陷尺寸足够大时，高速高能磨粒进入其中，通过强力碰撞和摩擦实现不同原位缺陷的同步剥离及新缺陷点衍生和连锁剥离，进一步增强和补充了微气泡空化作用，提高氧化层去除速率和均匀性；

在第二阶段(表面精整阶段)，启动超声波作用后，在流体中形成数以万计的微小气泡，产生超声波空化效应，从而增强氧化层剥离效果。更重要的是，本发明通过超声波还在高速流体中形成了正、负压迅速交替的能量波动环境，通过这样的正负交替的波动造成流体中气泡不断经历膨胀和压缩的快速切换，大大提高微气泡的溃灭空化几率，从而大大提高了工件表面的微气泡在氧化层中的近距离溃灭空化的比例，实现对氧化层的有效轰击。同时，能量波动环境也促进了流体中其他位置微气泡的溃灭，推动磨粒杂乱运动，延长磨粒悬浮时间，明显提高氧化皮受轰击的力度和随机性，进一步提高原位缺陷的同步剥离及新缺陷点衍生和连锁剥离效果，显著提高加工效率和均匀性。

结合以上本发明的实施方案，本发明提出的钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法显著优点在于：

1、本发明流体由环保水基载体和固体磨粒组成，无危化药品添加；加工过程中工件浸没在流体中，无金属粉尘污染，无毒害气体产生，无化学废液处理麻烦；常温下加工，无需外加热源；绿色环保，安全性高；

2、本发明结合湍流、射流、空化及超声波的综合作用，采用空化磨粒射流、湍流一体化包围式加工与超声波增强相结合的方式，可实现氧化皮的不同原位缺陷同步剥离及新缺陷点衍生和连锁剥离，去除效率高，加工均匀性好；

3、本发明氧化皮去除速率通过工艺调整简单可控，可实现加工进程精准控制。钛合金精加工表面的氧化层去除后，通常还应清除一定深度的基体金属以清除氧化裂纹层的影响，退火M态的零件基体去除量≥0.076mm，固溶+时效STA态的零件基体去除量≥0.152mm。可根据需要选择无缝对接基材表面精整处理，实现氧化层去除与基材表面精整处理“一站式”加工，流程简单，操作方便，磨粒流循环利用，加工成本低；

4、本发明湍流涡旋一体化包围式加工方式，比传统机械去除方式的柔性高仿形性好，加工后工件应力和机械损伤小，不仅适用于简单结构，也可以实现复杂结构件的一体化和批量化加工；

5、本发明的抛光精整采用物理作用机理，适用材料范围广，也适用于钛合金以外的黑色金属、有色金属去氧化层处理。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整装置的结构示意图。

图2是本发明的钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整过程的示意图。

图中，1.控制系统，2.工作罐体，3.工件，4.超声波换能器，5.湍流发生器，6.工件杆，7.微气泡泵，8.夹具，9.射流出口工具，10.上盖

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1、2所示，根据本发明示例性实施例的钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法，旨在结合湍流、射流、空化及超声波的综合作用，采用空化磨粒射流、湍流一体化包围式加工与超声波增强相结合的方式，实现合金表面氧化皮的不同原位缺陷同步剥离及新缺陷点衍生和连锁剥离，同时在加工过程中创新地提出两段式处理，即初期的高压冲蚀和后期的超声低压精整，如此，加工前期，采用短时高压小流量大角度冲蚀，以使致密氧化层迅速产生裂纹、凹坑等缺陷，破坏其致密性；而在加工中后期，采用中低压大流量中等角度喷射，并辅以超声波增强，实现疏松氧化层的可控高效剥离及基材的可控一体化表面精整处理。

如图1、2，具体地，本发明提出的钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法，包括以下步骤：

步骤1、在配置有固液两相混合流体的罐体内，通过湍流发生器进行搅动，形成高速湍流涡旋，其中固液两相混合流体以环保水基载体并混合硬质固体磨粒组成；

步骤2、通过微气泡泵抽取固液两相混合流体，并混合微气泡泵生成的微纳米气泡，与固液两相混合流体进行融合、增压，形成高速高压气液固三相磨粒流；

步骤3、通过罐体侧壁上的射流出口向罐体内待加工的工件喷射高速高压气液固三相磨粒流，对工件进行表面处理；

其中，在表面处理过程中，还包括：通过配置在工件下方的超声波装置发出超声波，在罐体内实现超声波空化效应，并且在罐体内的高速流体中形成正、负压迅速交替的能量波动环境，引起高速流体中微纳米气泡的膨胀和压缩。

应当理解，射流后的流体经过微气泡泵抽取并重新喷射到工件表面，从而实现磨粒流循环利用。

进一步地，前述加工工艺可控，例如步骤3中，进一步包括以下步骤：

调节微气泡泵的压力和流量以调节射流流量和压力；

进一步地，所述步骤3中，进一步包括以下步骤：

调节微气泡泵的进气量以调节高速高压气液固三相磨粒流中微纳米气泡的含量和尺寸。

尤其优选地，结合图1，射流角度的调节通过射流出口工具固定法兰板上的调节杆实现多向可调。

超声波发生装置优选为低频高功率型，频率20KHZ～60KHZ，功率2KW～10KW，如此有助于空化发生，超声强度通过超声波发生器可调。

进一步地，在所述步骤3中，对工件进行的表面处理包括：

快速冲蚀处理：采用短时高压小流量大角度的射流对表面氧化层进行冲蚀，以破坏氧化层致密度；

表面精整：在快速冲蚀处理后采用中低压大流量小角度喷射，并辅以超声波增强，实现疏松氧化层的可控高效剥离与基材表面一体化精整处理的无缝对接。

本发明超声波辅助空化磨粒射流加工过程通过分阶段进行，并且每阶段均可调节工件位置和工艺参数。例如，在快速冲蚀处理阶段：射流冲蚀的空化射流压力为3MPa～10MPa，流量为0.5m³/h～3m³/h，射流角度为75°～90°，加工时间不超过15min；表面精整阶段的空化射流压力0.5MPa～5MPa，流量0.5m³/h～15m³/h，射流角度30°～75°。

在同一工件的处理过程中，快速冲蚀处理阶段的空化射流压力大于表面精整阶段的压力值，并且喷射角度大于表面精整阶段的喷射角度。

下面结合具体的示例进行进一步的说明。

【实施例一】

加工工件为长80mm、直径50mmTC4钛合金棒材，表面覆盖60～70μm厚低温氧化层。

步骤1：形成高速湍流涡旋，包括：在工作罐体(2)中配置由纯水、20％体积含量的60#碳化硅磨粒组成的软性磨粒流，液位浸没工件。启动工作罐体(2)底部中心的湍流发生器(5)，使固液两相流体混合均匀，并形成高速湍流涡旋；

步骤2：形成高速高压气液固三相流体，包括：启动微气泡泵(7)，利用微气泡泵抽取混合均匀的固液两相流，实现微纳米气泡生成及其与固液流体的融合、增压，形成高速高压气液固三相磨粒流；

步骤3：开启超声波增强，包括：启动工件下方的超声波换能器(4)，超声波频率40KHZ、功率4KW，通过超声波发生器控制超声波强度；

步骤4：超声波辅助空化磨粒射流加工，包括：工件(3)通过夹具(8)固定在工件杆上，并由控制系统(1)控制其以5rpm速度自转。从微气泡泵(7)出来的高速高压三相磨粒流通过工作罐侧壁上的射流出口工具(9)喷射到工件表面，射流后流体经过微气泡泵(7)抽取并重新喷射到工件(3)表面，从而实现磨粒流循环利用；

加工前期，采用短时高压小流量大角度冲蚀，以使金属表面氧化层产生裂纹和高密度凹坑，迅速破坏其致密性。空化射流压力4MPa、流量1.5m³/h,距离20mm，角度80°～90°，加工时间5min。然后采用中低压大流量中等角度喷射，空化射流压力2MPa、流量3m³/h,距离30mm，射流角度50°～60°，同时启动40KHZ超声波，调节其功率为3KW。30min后，调整微气泡泵流量为1m³/h、压力为1.5MPa，调整射超声波功率为2KW。15min后结束加工取出工件。

观察其表面形态，并量测表面粗糙度，结果如下：

【实施例二】

加工工件为长80mm、直径50mm TC4钛合金棒材，表面覆盖600～700μm厚高温氧化层。

步骤1：形成高速湍流涡旋，包括：在工作罐体(2)中配置由纯水、15％体积含量的24#碳化硅磨粒、15％体积含量的150#碳化硅磨粒组成的软性磨粒流，液位浸没工件。启动工作罐体(2)底部中心的湍流发生器(5)，使固液两相流体混合均匀，并形成高速湍流涡旋。

步骤2：形成高速高压气液固三相流体，包括：启动微气泡泵(7)，利用微气泡泵抽取混合均匀的固液两相流，实现微纳米气泡生成及其与固液流体的融合、增压，形成高速高压气液固三相磨粒流。

步骤3：开启超声波增强，包括：启动工件下方的超声波换能器(4)，超声波频率28KHZ、功率6KW，通过超声波发生器控制超声波强度。

步骤4：超声波辅助空化磨粒射流加工，包括：工件(3)通过夹具(8)固定在工件杆上，并由控制系统(1)控制其以100rpm速度自转。从微气泡泵(7)出来的高速高压三相磨粒流通过工作罐侧壁上的射流出口工具(9)喷射到工件表面，射流后流体经过微气泡泵(7)抽取并重新喷射到工件(3)表面，从而实现磨粒流循环利用。

加工前期，采用短时高压小流量大角度冲蚀，以使金属表面氧化层产生裂纹和高密度凹坑，迅速破坏其致密性。空化射流压力6MPa、流量2.5m³/h,距离20mm，角度80°～90°，加工时间15min。然后采用中压大流量中等角度喷射，空化射流压力3MPa、流量4m³/h,射流角度70°～80°，同时启动28KHZ超声波，调节其功率为4KW。20min后，调整微气泡泵流量为2m³/h、压力为1.5MPa，调整射超声波功率为2.5KW。20min后结束加工取出工件。观察其表面形态，并量测表面粗糙度，结果如下：

【实施例三】

加工工件为长*宽*厚＝120*120*3mm的TC21钛合金板材，覆盖100μm～150μm厚致密氧化层。

步骤1：形成高速湍流涡旋，包括：在工作罐体(2)中配置由纯水、8％体积含量的150#碳化硅磨粒、8％体积含量的240#碳化硅磨粒组成的软性磨粒流，液位浸没工件。启动工作罐体(2)底部中心的湍流发生器(5)，使固液两相流体混合均匀，并形成高速湍流涡旋。

步骤2：形成高速高压气液固三相流体，包括：启动微气泡泵(7)，利用微气泡泵抽取混合均匀的固液两相流，实现微纳米气泡生成及其与固液流体的融合、增压，形成高速高压气液固三相磨粒流。

步骤3：开启超声波增强，包括：启动工件下方的超声波换能器(4)，超声波频率28KHZ、功率6KW，通过超声波发生器控制超声波强度。

步骤4：超声波辅助空化磨粒射流加工，包括：工件(3)通过夹具(8)固定在工件杆上，并由控制系统(1)控制其平行流道方向以10mm/s速度移动，移动结束则垂直流道方向移动6mm，并重复上述运动直至加工结束。从微气泡泵(7)出来的高速高压三相磨粒流通过工作罐侧壁上的射流出口工具(9)喷射到工件表面，射流后流体经过微气泡泵(7)抽取并重新喷射到工件(3)表面，从而实现磨粒流循环利用。

加工前期，采用短时高压小流量大角度冲蚀，以使金属表面氧化层产生裂纹和高密度凹坑，迅速破坏其致密性。空化射流压力6MPa、流量2m³/h,距离10mm，角度80°～90°，加工时间10min。然后采用中低压大流量中等角度喷射，空化射流压力2.5MPa、流量4m³/h,距离20mm，射流角度60°～70°，同时启动28KHZ超声波，调节其功率为5KW。30min后，调整微气泡泵流量为2m³/h、压力为2MPa，调整射超声波功率为2KW。15min后结束加工取出工件。观察其表面形态，并量测表面粗糙度，结果如下：

由以上具体实施例和测试结果可见，本发明增加超声波辅助空化磨粒射流，不仅引入了超声波空化作用，还在流体中形成了正、负压迅速交替的能量波动环境，明显提高微纳米气泡在钛合金氧化层中近距离有效溃灭空化的比例，推动磨粒杂乱运动、延长磨粒悬浮时间，明显提高了钛合金氧化层剥离效率和加工均匀性，并实现与基体一体化精整的无缝对接，钛合金表面粗糙度可降低25％-50％。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法，其特征在于，包括：

步骤1、在配置有固液两相混合流体的罐体内，通过湍流发生器进行搅动，形成高速湍流涡旋，其中固液两相混合流体以环保水基载体并混合硬质固体磨粒组成；

步骤2、通过微气泡泵抽取固液两相混合流体，并混合微气泡泵生成的微纳米气泡，与固液两相混合流体进行融合、增压，形成高速高压气液固三相磨粒流；

步骤3、通过罐体侧壁上的射流出口向罐体内待加工的工件喷射高速高压气液固三相磨粒流，对工件进行表面处理；

其中，在表面处理过程中，还包括：通过配置在工件下方的超声波装置发出超声波，在罐体内实现超声波空化效应，并且在罐体内的高速流体中形成正、负压迅速交替的能量波动环境，引起高速流体中微纳米气泡的膨胀和压缩；

所述对工件进行表面处理具体包括：

快速冲蚀处理：采用短时高压小流量大角度的射流对表面氧化层进行冲蚀，以破坏氧化层致密度；

表面精整：在快速冲蚀处理后采用中低压大流量小角度喷射，并辅以超声波增强，实现疏松氧化层的可控剥离与基材表面一体化精整处理的无缝对接。

2.根据权利要求1所述的钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法，其特征在于，所述步骤3中，进一步包括以下步骤：

调节微气泡泵的压力和流量以调节射流流量和压力。

3.根据权利要求1所述的钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法，其特征在于，所述步骤3中，进一步包括以下步骤：

调节微气泡泵的进气量以调节高速高压气液固三相磨粒流中微纳米气泡的含量和尺寸。

4.根据权利要求1所述的钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法，其特征在于，在快速冲蚀处理阶段：射流冲蚀的空化射流压力为3MPa～10MPa，流量为0.5m3/h～3m3/h，射流角度为75°～90°，加工时间不超过15min；

表面精整阶段的空化射流压力为0.5MPa～5MPa，流量为0.5m3/h～15m3/h，射流角度为30°～75°。

5.根据权利要求1所述的钛合金表面氧化层的超声波辅助空化磨粒流精整方法，其特征在于，在同一工件的处理过程中，快速冲蚀处理的空化射流压力大于表面精整的压力值，并且喷射角度大于表面精整的喷射角度。

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