钛及钛合金热加工表面α层问题
2021-08-05
金属是国民经济发展中的基础原材料，通常从矿石中提取，然后进行加工，制备成为具有特定形状和尺寸的零部件。
钛是一种重要的金属材料，钛合金在航空航天和国防等领域具有广泛的应用，主要用于制造飞机零件和发动机。
高温锻造是钛合金成型的重要工艺方法，在高温塑性成型过程中，钛及钛合金表面会形成脆性层。这种脆性层严重影响钛合金零件的质量。钛及钛合金表面脆性层是如何形成的呢？当钛暴露在高温下时，由于氧扩散到钛中而形成硬脆层，称为α层。
钛是一种强度很高的金属，α层减少了表面在开裂前能够承受的应变量。钛及钛合金表面开裂会形成裂纹，最终导致零件失效。零件的失效可能导致飞机坠毁和人员伤亡。有三种不同的可能方法来处理钛上的α层形成：预防、最小化或去除。行业内目前解决该问题采用的工艺是通过化学研磨去除。化铣主要是指将锻造产品浸入装有强酸、氢氟酸或硝酸的容器中，以去除α层。目前化学研磨工艺并不是解决该问题的理想方法，因为航空业的法规非常严格，这使得化学研磨造价十分昂贵。这也使相关公司面临法律风险，因为在极端情况下，化学品泄漏可能会伤害员工以及周围环境。此外，废氢氟酸必须进行处理，从而引起更深层次的环境问题。在Gurappa的研究工作，α层的反应动力学得到了解释。在一些已经完成的工作中，研究了不同加热温度和不同工艺下的α层厚度。针对去除钛表面α层所用的化铣酸浴开展了相应的研究。此外，还研究了特定时间和温度下形成的α层的厚度，并分析了化铣去除α层的速度。旨在使表面存在α层的钛化铣的时间仅足以去除α层。如果α层深度不正确，将发生不必要的化铣，酸浴将比必要时更快耗尽。一些研究已经测试了不同涂层在钛表面上防止或尽量减少α层的形成。很多工作仍在进行当中。从目前的进展看，几方面工作仍有待深入开展。其一，α层的产生机制，旨在探讨预防和减轻α层的形成。其二，不同涂层对α层的影响，旨在探寻更好的防护涂层。其三，钛及钛合金表面α层的评估方法，精准确定α层的深度，辅助形成正确地化铣工艺。该问题的研究，有利于提升钛及钛合金锻造件的安全性，提升钛合金α层去除工艺的经济性。
