CN111621840A - 一种钛合金表面铁污染的双极电化学清除方法 - Google Patents

Abstract

一种钛合金表面铁污染的双极电化学清除方法，属于金属加工技术领域。包括如下步骤：首先，对钛合金进行清洗除油处理，并放置在双极电解池中。其次，电解池两端的双电极进行通电，控制极板电压和通电时间。最后，将清除铁污染后的钛合金取出清洗干燥。本发明采用基于硫酸钠的电解质，利用双极电化学具有无导线接触、无对电极的特点，通过双极电化学对铁污染的电化学溶解实现钛合金的洁整化制备。本发明所使用的清洗溶液及双极电化学方法避免了大量酸性试剂的使用，具有简便、易操作、铁污染清除彻底的特点，能够满足不同尺寸和复杂形状钛合金零部件的铁污染清除要求。

Description

一种钛合金表面铁污染的双极电化学清除方法

技术领域

本发明属于金属加工技术领域，主要涉及一种钛合金表面铁污染的双极电化学清除方法。

背景技术

钛合金因具有高的比强度和优秀耐蚀性，是先进航空发动机风扇、压气机等重要零件的关键材料之一。在这些关键零部件中，采用钢丸进行表面喷丸强化，是目前钛合金风扇、叶片等零部件提高疲劳强度的主流加工技术。由于表面强化过程中钢丸的铁会转移到钛合金表面，形成铁污染并降低钛合金耐蚀性和力学性能，使得钛合金零部件在加工制造过程中就发生锈蚀，因此铁污染的清除及其表面洁整化是目前钛合金零部件制造中的重要环节。

目前报道的铁污染清除主要采用化学法和机械法。在ASTM钛合金零件的清洗中推荐采用硝酸或高温草酸进行浸泡清洗，然而强酸过程中易于产生氢吸附在钛合金中，同时两种酸不符合目前绿色环保发展的要求。CN105862043A公开了一种高温合金零件喷丸后表面铁污染物的去除剂，该去除剂以质量百分比计，包括：柠檬酸25％-30％，水70％-75％。上述高温合金零件喷丸后表面铁污染物的去除剂，铁污染物的铁与去除剂中的柠檬酸与反应，生成溶于水的Fe₃(C₆H₅O₇)₂，可通过水冲洗除去铁污染物。但去除铁污染物的效果不显著，柠檬酸对零件表面存在腐蚀作用。CN107866743A公开了一种钛合金叶片及其加工方法，采用玻璃喷丸动能打击零件表面，去除钛合金零件表层的铁污染层，属于典型的机械方法。然而由于玻璃喷丸在多次使用后损伤破裂，导致铁污染清除不净。因此，研发一种能够有效去除钛合金表面铁污染的方法，成为钛合金零部件高质量制造的关键环节，具有广阔应用前景和市场价值。

除了化学浸泡和机械清除法之外，电化学方法作为零部件电抛光、钝化等常用方法，有望成为清除铁污染的潜在途径。然而常规电化学方法需将钛合金直接作为电连接的电极，因零部件复杂的几何形状，易于产生电屏蔽或电流分布不均，引发金属欠腐蚀或过腐蚀等问题；为此，常规电化学方法需针对不同型号零部件开发特定的辅助对电极，以避免电屏蔽或电流分布不均，难以适用于钛合金零部件表面铁污染的清除，因此常规电化学清除铁污染方法目前尚未在钛合金零部件制造领域得到应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服常规化学处理中效率低和强酸环境影响、机械动能处理难以彻底清除的问题，通过无导线接触的双极电化学方法清除铁污染，避免了常规电化学抛光清洗对辅助电极的苛刻要求，同时还具有避免使用强酸试剂、零部件适用性广的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种钛合金表面铁污染的双极电化学清除方法，包括如下步骤：

第一步，将钛合金除油清洗后，放置于电解池的中心或者靠近负极一侧区域中：当钛合金放在电解池中心区域时，需在清洗过程中对钛合金进行旋转或左右翻转；当钛合金放在电解池中靠近负极一侧区域时，需使用辅助部件，辅助部件放置在电解池中靠近正极一侧的区域，并将钛合金和辅助部件通过导线联通。所述电解池中的电解液为2～5mol/L的硫酸钠溶液，pH为4～9。

第二步，对电解池两端的电极接连接直流电源或者脉冲电源，并输出电压；

当电源为直流电源时，电压控制范围为5V～100V,通电时间为1～30min；

当电源为脉冲电源时，脉冲电源的电压控制范围10V～100V之间，通电时间为1～60min，此时钛合金不需要旋转或左右翻转。

第三步，将上述清除污染后的钛合金取出，用清洁水冲洗、干燥后保存，避免被划伤和污染。

进一步的，所述辅助部件的材料为钛合金、铂、锆等贵金属及其合金，导电石墨或导电碳纤维等的一种或多种组合。

进一步的，所述电解池两端连接电源的电极可以为钛合金、铂、锆等贵金属及其合金，导电石墨或导电碳纤维等的一种或多种组合。

本发明的有益效果为：本发明首先采用双极板电化学方法，避免了传统电化学处理中导线接触和多种复杂辅助阴极的制备；而后根据在NaSO₄溶液中的电化学处理，避免了强酸的作用。本发明所使用的处理方法简便、易操作，可满足各种复杂形状的钛合金零部件高洁整化制造的苛刻要求。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明中以TC4钛合金为例，经铸钢丸喷丸处理后，采用不同的双极电化学处理方法及具体实施步骤由以下实施例详细给出。

选取TC4钛合金棒为实验材料，合金棒经线切割成直径80mm厚4mm的试片，经砂纸打磨至1500#，试样用去离子水，酒精超声清洗吹干后采用铸钢丸进行表面喷丸强化。清洗前采用发明专利CN201010148203.7和CN201710237881.2中邻菲啰啉试剂及其检测方法评价铁污染程度，检测结果发现表面全部显红色，即存在严重铁污染。

实施例1

本实施例中所用的电解质溶液为：pH 4.5浓度为2M的硫酸钠溶液。使用上述铁污染双极电化学清除的处理步骤如下：

第一步，将钛合金除油清洗后，放置于盛有上述硫酸钠溶液的电解池中部，并旋转钛合金；

第二步，采用直流电源对电解池两端的电极连接电源，并输出电压，其电压控制范围为5V；控制通电时间为30min；

第三步，将上述清除污染的钛合金取出，用清洁水冲洗、干燥后保存，避免被划伤和污染。

上述处理后的样品采用邻菲啰啉试剂及其检测方法评价铁污染程度，检测结果发现表面不显色，结果表明铁污染被彻底清除。

实施例2

本实施例中所用的电解质溶液为：pH 7浓度为3M的硫酸钠溶液。使用上述铁污染的双极电化学清除的处理步骤如下：

第一步，将钛合金除油清洗后，放置于电解池的中部，并每10min左右翻转一次钛合金；

第二步，采用直流电源对电解池两端的电极连接电源，并输出电压，其电压控制范围为60V；控制通电时间为20min；

第三步，将上述清除污染后的钛合金取出，用清洁水冲洗、干燥后保存，避免被划伤和污染。

上述处理后的样品采用邻菲啰啉试剂及其检测方法评价铁污染程度，检测结果发现表面不显色，结果表明铁污染被彻底清除。

实施例3

本实施例中所用的电解质溶液为：pH 9浓度为5M的硫酸钠溶液。使用上述铁污染的双极电化学清除的处理步骤如下：

第一步，将钛合金除油清洗后，放置于电解池中靠近电源负极一侧区域的1/4处，采用洁净的钛合金TC4作为辅助部件，，将辅助部件放置于电解池中靠近电源正极一侧区域，并用导电将辅助部件和被清洗的钛合金联接；

第二步，采用直流电源对电解池两端的电极连接电源，并输出电压，其电压控制范围为100V；控制通电时间为2min；

第三步，将上述清除污染后的钛合金取出，用清洁水冲洗、干燥后保存，避免被划伤和污染。

上述处理后的样品采用邻菲啰啉试剂及其检测方法评价铁污染程度，检测结果发现表面不显色，结果表明铁污染被彻底清除。

实施例4

本实施例中所用的电解质溶液为：pH 4.3浓度为3M的硫酸钠溶液。使用上述铁污染的双极电化学清除的处理步骤如下：

第一步，将钛合金除油清洗后，放置于电解池中靠近电源负极一侧区域的1/4处，采用洁净的钛合金TC4作为辅助部件，将辅助部件放置于电解池中靠近电源正极一侧区域，并用导线将辅助部件和被清洗的钛合金联接；

第二步，采用脉冲电源对电解池两端的电极连接电源，并输出电压，其脉冲电压为10V，频率为200Hz，控制通电时间为60min；

第三步，将上述清除污染后的钛合金取出，用清洁水冲洗、干燥后保存，避免被划伤和污染。

上述处理后的样品采用邻菲啰啉试剂及其检测方法评价铁污染程度，检测结果发现表面不显色，结果表明铁污染被彻底清除。

实施例5

本实施例中所用的电解质溶液为：pH 7浓度为4M的硫酸钠溶液。使用上述铁污染的双极电化学清除的处理步骤如下：

第一步，将钛合金除油清洗后，放置于电解池中靠近电源负极一侧区域的1/4处，采用洁净的导电石墨作为辅助部件，将辅助部件放置于电解池中靠近电源正极一侧区域，并用导线将辅助部件和被清洗的钛合金联接；

第二步，采用脉冲电源对电解池两端的电极连接电源，并输出电压，其脉冲电压为40V，频率为100Hz，控制通电时间为45min；

第三步，将上述清除污染后的钛合金取出，用清洁水冲洗、干燥后保存，避免被划伤和污染。

上述处理后的样品采用邻菲啰啉试剂及其检测方法评价铁污染程度，检测结果发现表面不显色，结果表明铁污染被彻底清除。

实施例6

本实施例中所用的电解质溶液为：pH 8浓度为5M的硫酸钠溶液。使用上述铁污染的双极电化学清除的处理步骤如下：

第一步，将钛合金除油清洗后，放置于电解池中靠近电源负极一侧区域的1/4处，采用铂网作为辅助部件，将辅助部件放置于电解池中靠近电源正极一侧区域，并用导线将辅助部件和被清洗的钛合金联接；

第二步，采用脉冲电源对电解池两端的电极连接电源，并输出电压，其脉冲电压为60V，频率为100Hz，控制通电时间为30min；

第三步，将上述清除污染后的钛合金取出，用清洁水冲洗、干燥后保存，避免被划伤和污染。

上述处理后的样品采用邻菲啰啉试剂及其检测方法评价铁污染程度，检测结果发现表面不显色，结果表明铁污染被彻底清除。

实施例7

本实施例中所用的电解质溶液为：pH 7浓度为5M的硫酸钠溶液。使用上述铁污染的双极电化学清除的处理步骤如下：

第一步，将钛合金除油清洗后，放置于盛有上述硫酸钠溶液的电解池中部，并旋转钛合金；

第二步，采用脉冲电源对电解池两端的电极连接电源，并输出电压，其脉冲电压为100V，频率为200Hz，控制通电时间为8min；

第三步，将上述清除污染后的钛合金取出，用清洁水冲洗、干燥后保存，避免被划伤和污染。

上述处理后的样品采用邻菲啰啉试剂及其检测方法评价铁污染程度，检测结果发现表面不显色，结果表明铁污染被彻底清除。

实施例8

本实施例中所用的电解质溶液为：pH 4.3浓度为5M的硫酸钠溶液。使用上述铁污染的双极电化学清除的处理步骤如下：

第一步，将钛合金除油清洗后，放置于盛有上述硫酸钠溶液的电解池中部，并旋转钛合金；

第二步，采用脉冲电源对电解池两端的电极连接电源，并输出电压，其脉冲电压为100V，频率为200Hz，控制通电时间为2min；

第三步，将上述清除污染后的钛合金取出，用清洁水冲洗、干燥后保存，避免被划伤和污染。

上述处理后的样品采用邻菲啰啉试剂及其检测方法评价铁污染程度，检测结果发现表面不显色，结果表明铁污染被彻底清除。

实施例9

本实施例中所用的电解质溶液为：pH 7浓度为3M的硫酸钠溶液。使用上述铁污染的双极电化学清除的处理步骤如下：

第一步，将钛合金除油清洗后，放置于盛有上述硫酸钠溶液的电解池中部，每10min左右翻转一次钛合金；

第二步，采用脉冲电源对电解池两端的电极连接电源，并输出电压，其脉冲电压为80V，频率为200Hz，控制通电时间为30min；

第三步，将上述清除污染后的钛合金取出，用清洁水冲洗、干燥后保存，避免被划伤和污染。

上述处理后的样品采用邻菲啰啉试剂及其检测方法评价铁污染程度，检测结果发现表面不显色，结果表明铁污染被彻底清除。

Claims (3)

1.一种钛合金表面铁污染的双极电化学清除方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，将钛合金除油清洗后，放置于电解池的中心或者靠近负极一侧区域中：当放置于中心区域时，需在清洗过程中对钛合金进行旋转或左右翻转；当放放置于靠近负极一侧区域时，需使用辅助部件，辅助部件放置在电解池中靠近正极一侧的区域，并将钛合金和辅助部件通过导线联通；所述电解池中的电解液为2～5mol/L的硫酸钠溶液，pH为4～9；

第二步，对电解池两端的电极接连接直流电源或者脉冲电源，并输出电压；

当电源为直流电源时，电压控制范围为5V～100V,通电时间为1～30min；

当电源为脉冲电源时，脉冲电源的电压控制范围10V～100V之间，通电时间为1～60min，此时钛合金不需要旋转或左右翻转；

第三步，将上述清除污染后的钛合金取出，用清洁水冲洗、干燥后保存。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金表面铁污染的双极电化学清除方法，其特征在于，所述辅助部件的材料为钛合金、铂、锆贵金属及其合金，导电石墨或导电碳纤维中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金表面铁污染的双极电化学清除方法，其特征在于，所述电解池两端连接电源的电极可以为钛合金、铂、锆贵金属及其合金，导电石墨或导电碳纤维的一种或多种组合。