CN112538651A - 一种超声辅助电解等离子体抛光钛合金的方法 - Google Patents

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李丽
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Abstract

本发明公开了一种超声辅助电解等离子体抛光钛合金的方法。首先调配含有铝酸钠、六偏磷酸钠和氢氧化钾的混合电解液作为抛光液；将钛合金试件浸入盛有抛光液的不锈钢槽中，钛合金试件接阳极、不锈钢槽接阴极；然后阴阳极之间施加正极性电压350‑450V、负极性电压30V、脉冲频率350‑450Hz、占空比35‑45%的双脉冲电源；检测抛光过程中的电流波形，只在波形的脉间阶段，由抛光槽底部的超声装置对抛光液施加振荡频率为30‑50kHz的超声空化作用；采用循环水冷系统对抛光槽进行冷却，使抛光液温度保持在60℃左右，对钛合金试件进行不少于10min的抛光处理。本发明方法采用超声辅助电解等离子体抛光技术，利用电化学氧化钝化、放电等离子体蚀除活化、超声增强活化等作用，实现对钛合金复杂壁面和型腔的有效抛光。

Description

一种超声辅助电解等离子体抛光钛合金的方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种超声辅助电解等离子体抛光钛合金的方法。
背景技术
钛合金具有密度低、比强度大、熔点高、耐腐蚀、无磁性、超记忆、高韧性等优良特性，拥有“太空金属”、“全能金属”、“未来金属”等美誉，广泛应用于航空、航天、船舶、化工、汽车、医疗等领域。
为了获得规定的表面质量要求，通常采用光整或抛光工艺对钛合金零件作最后处理。由于本身具有粘、韧、弹以及高化学活性等特点，钛合金是一种典型的难加工材料。由于导热系数小，钛合金机械加工产生的热量很难通过工件释放；由于比热小，钛合金加工时局部温度上升快，加快刀具磨损、降低表面加工质量；由于弹性模量低，已加工钛合金表面容易回弹，特别是薄壁零件的加工回弹更为严重；由于化学活性强，高温下钛合金极易与氧、氢、氮发生作用，生成硬化层，降低塑性，增大硬度。可见，发展适应于钛合金材料特点的抛光新技术，对提高钛合金零件表面质量和使用性能具有重要意义。
电解等离子体抛光是一种基于水基电解液，工件表面在高电压作用下产生放电等离子体而达到抛光效果的金属表面处理新技术。加工时将工件浸入一定温度的电解液中，施加特定电压，因电化学作用而产生阳极钝化膜。同时，工件表面与电解液毗邻处产生稳定的蒸汽气体层，使工件表面和电解液相隔离。随着电压的升高，工件表面凸起处气体层由于较高的电场强度而被击穿形成放电等离子体，蚀除该处钝化膜。当放电等离子体活化作用与电化学阳极钝化作用达到最佳动态平衡时，工件表面将获得良好的抛光效果。
然而，单纯的电解等离子体抛光存在一定的局限性，如：为防止电解等离子体从“微放电”向“电弧放电”转化损伤钛合金基体，常常要求输入尽可能小的能量，这将导致放电等离子体抛光阳极氧化物不够彻底，因此亟需其它能量形式加以辅助去除。
发明内容
本发明的目的是，提出一种超声辅助电解等离子体抛光钛合金的方法，其抛光过程是一个将传统电解抛光的固-液两相作用转变为电极、气层、放电等离子体、抛光液的固-气-等-液四相共同作用的过程，其实质是超声辅助放电等离子体蚀除活化下的电化学氧化腐蚀过程，而钛合金表面状态是按照钝化-活化-再钝化的方式交替进行。钛合金表面所形成的氧化膜要在抛光液及其它化学、电化学、热、空化效应等作用下疏松并快速溶解或剥落，既要有利于阳极氧化的形成，又要放电等离子体尽可能多的蚀除该阳极氧化产物。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：（1）调配含有铝酸钠、六偏磷酸钠和氢氧化钾的混合电解液作为抛光液。
（2）将钛合金试件浸入盛有抛光液的不锈钢槽中，钛合金试件接阳极、不锈钢槽接阴极。
（3）阴阳极之间施加双脉冲电源，主要电参数包括：正极性电压350-450V、负极性电压30V、脉冲频率350-450Hz、占空比35-45%。
（4）检测抛光过程中的电流波形，只在波形的脉间阶段，由抛光槽底部的超声装置对抛光液施加振荡频率为30-50kHz的超声空化作用。
（5）采用循环水冷系统使抛光液温度保持在60℃左右，对钛合金试件进行不少于10min的抛光处理。
本发明的一种超声辅助电解等离子体抛光钛合金的方法具有以下优点和效果：与机械抛光相比，可以处理形状和结构比较复杂的工件；不存在宏观切削力，不会在工件表面留下微裂纹和残余应力。
与电解抛光相比，方法简单，不需要除油、除锈、脱脂和清洗等预处理过程；抛光液为低浓度盐溶液，是一种无毒“绿色”的抛光方法；是利用高压直流电源击穿气体层所产生的放电等离子体蚀除氧化膜，而不是选择活性电解液实现阳极表面的活化。
与电火花加工相比，采用电导率良好的水基电解液作为工作液，而不是煤油、乙醇等绝缘介质；主要采用阳极表面蒸汽层的击穿放电，因而所需的击穿电压值相对较小；采用工件浸入式，不需要铜、石墨等材料单独作为阴极，不存在工具电极损耗问题。
本发明通过超声辅助电解等离子体抛光钛合金的方法，成本低、操作方便，容易实现结构特殊、形状复杂钛合金零部件的内外壁高效抛光，利于产业化和商业推广。
附图说明
图1为钛合金超声辅助电解等离子体抛光前后的表面形貌和粗糙度。
具体实施方式
本发明的一种超声辅助电解等离子体抛光钛合金的方法，其较佳的具体实施方式是：采用浓度分别为0.12mol/L、0.02mol/L、0.04mol/L的NaAlO2、(NaPO3)6和KOH作为电解质，并混合在一起，经过5min的搅拌，形成的混合电解液作为抛光液；将钛合金试件浸入盛有抛光液的不锈钢槽中，钛合金试件接阳极、不锈钢槽接阴极；阴阳极之间施加双脉冲电源，对钛合金进行电解等离子体抛光，主要电参数包括：正极性电压425V、负极性电压30V、脉冲频率400Hz、占空比40%；检测抛光过程中的电流波形，只在波形的脉间阶段，由抛光槽底部的超声装置对抛光液施加振荡频率为40kHz的超声空化作用，去除电解等离子体抛光后残留的蓬松氧化物；采用循环水冷系统使抛光液温度始终保持在60℃，对钛合金试件进行15min的超声辅助电解等离子体抛光处理。
对抛光后的钛合金试件分别进行无水乙醇、去离子水清洗和常温干燥，使用白光干涉仪进行表面粗糙度的测量，如图1所示，钛合金试件经过超声辅助电解等离子体抛光后，表面粗糙度由原来的0.3μm显著降低至0.06μm。可以理解的是，此处所描绘的实例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

Claims (1)

1.一种超声辅助电解等离子体抛光钛合金的方法，该方法基于多能量场耦合原理，利用加工过程中的电、热、化学、声等能量形式共存的特点，借助阳极极化（生成氧化膜，钝化）、放电等离子体蚀除（活化）、超声振动（辅助活化）等作用，通过对电化学、热、超声空化等效应的合理控制，实现钛合金表面钝化和活化的动态平衡，最终降低表面粗糙度、提高表面质量，所述抛光方法其特征在于包含以下步骤：1）调配含有铝酸钠、六偏磷酸钠和氢氧化钾的混合电解液作为抛光液；2）将钛合金试件浸入盛有抛光液的不锈钢槽中，钛合金试件接阳极、不锈钢槽接阴极；3）阴阳极之间施加双脉冲电源，主要电参数包括：正极性电压350-450V、负极性电压30V、脉冲频率350-450Hz、占空比35-45%；4）检测抛光过程中的电流波形，只在波形的脉间阶段，由抛光槽底部的超声装置对抛光液施加振荡频率为30-50kHz的超声空化作用；5）采用循环水冷系统使抛光液温度保持在60℃左右，对钛合金试件进行不少于10min的抛光处理。
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