CN112877702A - 一种钛合金夹层窄流道构件粉末颗粒的去除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钛合金夹层窄流道构件粉末颗粒的去除方法，包括如下步骤：步骤1，向构件夹层窄流道内灌注除油剂，对构件夹层窄流道内油污进行去除处理，处理结束后排出除油剂；步骤2，水洗去除残余的除油剂；步骤3，在室温0.1～0.3MPa下向构件夹层窄流道内持续通入化学处理剂2～4min，对夹层窄流道内粉末颗粒进行溶解、剥离；步骤4，水洗去除酸液及腐蚀产物。本发明方法能彻底去除夹层流道内腔表面粘附的粉末颗粒，消除粉末颗粒脱落形成多余物的风险，同时可显著降低表面粗糙度，提高产品工艺性能；且加工后无形变，无加工应力等缺陷；操作简单、成本低，不会引进新的多余物。
Description
技术领域
本发明属于增材制造后处理领域，特别涉及一种钛合金夹层窄流道构件粉末颗粒的去除方法，该方法可彻底去除内腔表面粘附的粉末颗粒，消除粉末颗粒脱落形成多余物的风险，同时显著降低表面粗糙度，提高产品工艺性能。
背景技术
为适应液体火箭发动机小批量、轻质化、快节奏的要求，增材制造技术在航天液体动力型号研制中发挥着越来越重要的作用。但金属增材制造技术所特有的“球化效应”及“粉末粘附”问题，造成表面粗糙度过高，而表面粗糙度过高显著影响了液体动力系统构件的使用性能(影响流阻、压降)，甚至表皮部位半熔化的粘附粉末颗粒在高速燃气流冲刷及震动环境下极易脱落，形成多余物引起发动机工作失效。
针对以上情况，通常采用磨粒流对内腔颗粒进行清理，对于人工接触不到的微小孔和凹凸不平的表面清理效果较好。但针对薄壁夹层、窄流道等复杂结构(如推力室身部为夹层结构，夹层内冷却通道通过内壁/外壁/导流筋形成螺旋窄流道)，磨粒流很难彻底去除残留在夹层死角的粉末颗粒，并且磨削颗粒易在死角部位堆积，无法彻底排除，存在引进多余物风险。同时，磨粒流压力过小，磨削颗粒很难顺利通过复杂夹层中窄流道，但压力过大可能会引起薄壁夹层零件局部变形。
同时，经查阅大量资料和咨询较多企业，利用模拟件开展验证试验发现，现有常规的机械方法很难将夹层窄流道内腔粉末颗粒彻底去除。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种钛合金夹层窄流道构件粉末颗粒的去除方法，研发特定的酸性化学处理剂，利用流体力学原理在设定压力下持续注入产品夹层窄流道，依靠溶液与粉末颗粒发生化学反应，对粉末颗粒进行溶解、剥离，并随溶液流出夹层窄流道；能够实现不留死角，彻底去除夹层窄流道内腔粘附的粉末颗粒，消除粉末颗粒脱落形成多余物的风险，同时不会引起薄壁零件形变，不会引进新的多余物，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
一种钛合金夹层窄流道构件粉末颗粒的去除方法，包括如下步骤：
步骤1，向构件夹层窄流道内灌注除油剂，对构件夹层窄流道内油污进行去除处理，处理结束后排出除油剂；
步骤2，将洁净水以设定压力持续注入夹层窄流道内，使水在另一端口流出，水全程无死角浸润夹层窄流道，冲洗去除残余的除油剂；
步骤3，在室温0.1～0.3MPa下向构件夹层窄流道内持续通入化学处理剂2～4min，对夹层窄流道内粉末颗粒进行溶解、剥离；
步骤4，化学处理结束后，将洁净水以设定压力持续注入夹层窄流道内，使水在另一端口流出，水全程无死角浸润夹层窄流道内，冲洗去除酸液及腐蚀产物。
根据本发明提供的一种钛合金夹层窄流道构件粉末颗粒的去除方法，具有以下有益效果：
(1)本发明中去除方法属于化学处理方法，依靠化学反应将粉末颗粒溶解或剥离，同时利用流体力学原理，在设定压力下溶液可全程无死角浸润零件内腔，克服了产品结构限制，能够实现不留死角彻底去除夹层窄流道内腔粘附的粉末颗粒，消除粉末颗粒脱落形成多余物的风险，同时不会引进新的多余物；
(2)本发明中去除方法与常规机械方法相比，不受产品结构、尺寸、材料硬度及强度限制，能够对不同部位粉末颗粒均匀去除，且化学处理后产品无形变、无加工应力等缺陷；
(3)本发明中去除方法操作简单，易于控制，效率高、成本低，工艺稳定及重现性较好；
(4)本发明中去除方法适用性强，特别适用于薄壁夹层、多内腔、窄小流道等复杂型腔粉末颗粒的去除。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明提供了一种钛合金夹层窄流道构件粉末颗粒的去除方法，包括如下步骤：
步骤1，向构件夹层窄流道内灌注除油剂，对构件夹层窄流道内油污进行去除，处理结束后排出除油剂；
步骤2，将洁净水以设定压力持续注入夹层窄流道内，使水在另一端口流出，水全程无死角浸润夹层窄流道，冲洗去除残余的除油剂；
步骤3，在室温0.1～0.3MPa下向构件夹层窄流道内持续通入化学处理剂2～4min，对夹层窄流道内粉末颗粒进行溶解、剥离；
步骤4，化学处理结束后，将洁净水以设定压力持续注入夹层窄流道内，使水在另一端口流出，水全程无死角浸润夹层窄流道内，冲洗去除酸液及腐蚀产物。
本发明中，钛合金包括但不限于TC4、TC2、TA1、TA2、TA15等。
本发明中，步骤1中，所述除油剂中含有50～70g/L氢氧化钠(NaOH)、80～100g/L十水合碳酸钠(Na2CO3·10H2O)、40～50g/L十二水合磷酸钠(Na3PO4·12H2O)和5～8g/L硅酸钠(Na2SiO3)，溶剂为水。
步骤1中，油污去除处理在60～90℃下进行，时间为20～30min。
本发明中，步骤3中，所述化学处理剂中含有40～60g/L氢氟酸(HF)、300～350g/L硝酸(HNO3)和0.2～0.5g/L十二烷基苯磺酸钠，溶剂为水。
本发明人对化学处理剂进行的组分选择及用量配比进行了大量摸索，确定化学处理剂中采用HF、HNO3和十二烷基苯磺酸钠，HF作为主要腐蚀剂，能够快速的与金属反应，将金属腐蚀溶解；HNO3作为氧化剂能够起到光整表面的作用，同时还可抑制析氢反应的发生，降低材料氢脆风险，同时提供反应所需的氢离子；十二烷基苯磺酸钠的加入能够有效促进化学处理剂与流道壁面充分接触，全程无死角浸润夹层窄流道，进而与其中的粉末颗粒充分反应。
HF的浓度为40～60g/L，若浓度较低且低于上述范围的最小值则反应速率下降，清理效率较低，若浓度较高且高于上述范围的最大值则反应速率较快，整个清理过程不易控制，容易对基体造成过腐蚀；HNO3的浓度为300～350g/L，若浓度较低且低于上述范围的最小值则反应速率加快，表面光整效果降低，对析氢反应的抑制作用下降，若浓度较高且高于上述范围的最大值则氧化作用较强，反应速率降低，极端情况下对金属基体产生钝化作用，反应停止；十二烷基苯磺酸钠的浓度为0.2～0.5g/L，若浓度较低且低于上述范围的最小值则降低溶液对金属基体的润湿性，影响去除效果，若浓度较高且高于上述范围的最大值则会起到缓蚀作用，降低反应速率。
本发明人进一步对化学处理剂的注入压力进行了研究，确定为0.1～0.3MPa，在一定压力下注入，目的是使化学处理剂能够在夹层窄流道内快速流动交换，夹层窄流道结构液体流阻较大，注入压力较低或低于上述范围最小值，溶液在流动缓慢，反应放热不易交换，不同部位化学反应速率差异较大，流道整体反应均匀性较差；注入压力较高或高于上述范围最大值，溶液流动较快，化学处理剂消耗量大，且安全隐患相对较高。
本发明中，步骤2和4中，洁净水注入压力为0.1～0.3MPa。
实施例
实施例1
采用化学除油方式，向增材制造TC4材料3D壳体构件的夹层窄流道中灌注除油剂，在60℃下清洗30min，除油剂中NaOH含量为50g/L，Na2CO3·10H2O含量为80g/L，Na3PO4·12H2O含量为40g/L，Na2SiO3含量为5g/L。除油后采用0.1MPa自来水冲洗零件内腔。
将构件除油清洗后，进行化学处理，化学处理中HF含量为40g/L、HNO3含量为300g/L、十二烷基苯磺酸钠含量为0.2g/L，在0.1MPa压力下对内腔粉末颗粒化学处理2min，化学处理后0.1MPa自来水冲洗零件内腔。
对经除油、粉末去除后的零件夹层内腔进行内窥镜检查，流道内壁呈光亮的金属光泽，内表面无粘附的粉末颗粒存在，同时去除粉末颗粒后流道流阻大幅降低，3D壳体液流压降值显著降低。另外，化学反应无加工应力，且工作压力远低于产品的实际工况，经CT检查零件薄壁夹层无变形情况。
实施例2
采用化学除油方式，向增材制造TC4材料3D壳体构件夹层窄流道中灌注除油剂，在60℃下清洗30min，除油剂中NaOH含量为70g/L，Na2CO3·10H2O含量为100g/L，Na3PO4·12H2O含量为50g/L，Na2SiO3含量为8g/L。除油后采用0.3MPa自来水冲洗零件内腔。
将构件除油清洗后，在进行化学处理时，HF含量为40g/L、HNO3含量为350g/L、十二烷基苯磺酸钠含量为0.2g/L，在0.1MPa压力下对内腔粉末颗粒化学处理2min，化学处理后自来水冲洗零件内腔。
对经除油、粉末去除后的零件夹层内腔进行内窥镜检查，流道内壁呈光亮的金属光泽，内表面无粘附的粉末颗粒存在，同时去除粉末颗粒后流道流阻大幅降低，3D壳体液流压降值显著降低。另外，化学反应无加工应力，且工作压力远低于产品的实际工况，经CT检查零件薄壁夹层无变形情况。
实施例3
采用化学除油方式，向增材制造TC4材料3D壳体构件夹层窄流道中灌注除油剂，在60℃下清洗30min，除油剂中NaOH含量为60g/L，Na2CO3·10H2O含量为90g/L，Na3PO4·12H2O含量为50g/L，Na2SiO3含量为6g/L。除油后采用0.2MPa自来水冲洗零件内腔。
将构件除油清洗后，在进行化学处理时，HF含量为40g/L、HNO3含量为350g/L、十二烷基苯磺酸钠含量为0.2g/L，在0.1MPa压力下对内腔粉末颗粒化学处理4min，化学处理后自来水冲洗零件内腔。
对经除油、粉末去除后的零件夹层内腔进行内窥镜检查，流道内壁呈光亮的金属光泽，内表面无粘附的粉末颗粒存在，同时去除粉末颗粒后流道流阻大幅降低，3D壳体液流压降值显著降低。另外，化学反应无加工应力，且工作压力远低于产品的实际工况，经CT检查零件薄壁夹层无变形情况。
实施例4
采用化学除油方式，向增材制造TC4材料3D壳体构件夹层窄流道中灌注除油剂，在60℃下清洗30min，除油剂中NaOH含量为50g/L，Na2CO3·10H2O含量为80g/L，Na3PO4·12H2O含量为40g/L，Na2SiO3含量为5g/L。除油后采用0.1MPa自来水冲洗零件内腔。
将构件除油清洗后，在进行化学处理时，HF含量为60g/L、HNO3含量为300g/L、十二烷基苯磺酸钠含量为0.5g/L，在0.3MPa压力下对内腔粉末颗粒化学处理2min，化学处理后自来水冲洗零件内腔。
对经除油、粉末去除后的零件夹层内腔进行内窥镜检查，流道内壁呈光亮的金属光泽，内表面无粘附的粉末颗粒存在，同时去除粉末颗粒后流道流阻大幅降低，3D壳体液流压降值显著降低。另外，化学反应无加工应力，且工作压力远低于产品的实际工况，经CT检查零件薄壁夹层无变形情况。
实施例5
采用化学除油方式，向增材制造TC4材料3D壳体构件夹层窄流道中灌注除油剂，在60℃下清洗30min，除油剂中NaOH含量为70g/L，Na2CO3·10H2O含量为100g/L，Na3PO4·12H2O含量为50g/L，Na2SiO3含量为8g/L。除油后采用0.3MPa自来水冲洗零件内腔。
将构件除油清洗后，在进行化学处理时，HF含量为60g/L、HNO3含量为350g/L，十二烷基苯磺酸钠含量为0.5g/L，在0.3MPa压力下对内腔粉末颗粒化学处理2min，化学处理后自来水冲洗零件内腔。
对经除油、粉末去除后的零件夹层内腔进行内窥镜检查，流道内壁呈光亮的金属光泽，内表面无粘附的粉末颗粒存在，同时去除粉末颗粒后流道流阻大幅降低，3D壳体液流压降值显著降低。另外，化学反应无加工应力，且工作压力远低于产品的实际工况，经CT检查零件薄壁夹层无变形情况。
实施例6
采用化学除油方式，向增材制造TC4材料3D壳体构件夹层窄流道中灌注除油剂，在60℃下清洗30min，除油剂中NaOH含量为60g/L，Na2CO3·10H2O含量为90g/L，Na3PO4·12H2O含量为50g/L，Na2SiO3含量为6g/L。除油后采用0.2MPa自来水冲洗零件内腔。
将构件除油清洗后，在进行化学处理时，HF含量为60g/L、HNO3含量为350g/L，十二烷基苯磺酸钠含量为0.5g/L，在0.3MPa压力下对内腔粉末颗粒化学处理4min，化学处理后自来水冲洗零件内腔。
对经除油、粉末去除后的零件夹层内腔进行内窥镜检查，流道内壁呈光亮的金属光泽，内表面无粘附的粉末颗粒存在，同时去除粉末颗粒后流道流阻大幅降低，3D壳体液流压降值显著降低。另外，化学反应无加工应力，且工作压力远低于产品的实际工况，经CT检查零件薄壁夹层无变形情况。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种钛合金夹层窄流道构件粉末颗粒的去除方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，向构件夹层窄流道内灌注除油剂，对构件夹层窄流道内油污进行去除处理，处理结束后排出除油剂；
步骤2，将洁净水以设定压力持续注入夹层窄流道内，使水在另一端口流出，水全程无死角浸润夹层窄流道，冲洗去除残余的除油剂；
步骤3，在室温0.1～0.3MPa下向构件夹层窄流道内持续通入化学处理剂2～4min，对夹层窄流道内粉末颗粒进行溶解、剥离；
步骤4，化学处理结束后，将洁净水以设定压力持续注入夹层窄流道内，使水在另一端口流出，水全程无死角浸润夹层窄流道内，冲洗去除酸液及腐蚀产物。
2.根据权利要求1所述的去除方法，其特征在于，步骤1中，所述除油剂中含有50～70g/L氢氧化钠(NaOH)、80～100g/L十水合碳酸钠(Na2CO3·10H2O)、40～50g/L十二水合磷酸钠(Na3PO4·12H2O)和5～8g/L硅酸钠(Na2SiO3)，溶剂为水。
3.根据权利要求1所述的去除方法，其特征在于，步骤1中，油污去除处理在60～90℃下进行，时间为20～30min。
4.根据权利要求1所述的去除方法，其特征在于，步骤3中，所述化学处理剂中含有40～60g/L氢氟酸(HF)、300～350g/L硝酸(HNO3)和0.2～0.5g/L十二烷基苯磺酸钠，溶剂为水。
5.根据权利要求1所述的去除方法，其特征在于，步骤2和4中，洁净水注入压力为0.1～0.3MPa。
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