铝锂合金化学铣切研究

张囡

摘要：在大量试验数据的基础上，分析影响铝锂合金化学铣切表面质量的因素，选择最佳化学铣切参数，为实际零件生产提供技术支持。

关键词：铝锂合金；化学铣切；表面粗糙度

在铝合金中加入金属元素锂（Li），可在降低合金密度的同时提高合金的弹性模量。研究表明，在铝合金中每添加1%的Li，可使合金密度降低3%，而弹性模量提高6%，并可保证合金在淬火和人工时效后硬化效果良好。因此，铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度的铝合金，在航空航天领域显示出了广阔的应用前景。

1 铝锂合金使用现状

第一代铝锂合金2020应用于美国海军RA5C军用预警飞机的机翼蒙皮和尾翼水平安定面上。获得了6%的減重效果；第二代铝锂合金是目前应用最为成熟的铝锂合金，俄罗斯在米格29，苏35等战斗机及一些中远程导弹弹头壳体上都采用了1420合金构件；第三代铝锂合金2099已应用于波音787飞机，C47A已应用于A350飞机。

国内大型客机C919机身壁板，应急门组件也采用了镁铝生产的2060T3铝锂合金。

2 铝锂合金化学铣切实验

目前铝锂合金化铣规范使用的溶液配方与铝合金化铣是一样的。但大量论文显示，需要调整铝锂合金化铣溶液中的成分，否则容易产生质量问题。

在实际生产中，前后进行了八张蒙皮零件的化学铣切，有五张蒙皮零件的尺寸公差符合图纸要求，表面粗糙度符合规范要求，但有三张蒙皮零件，化铣区域有大量麻坑。经检验员确认将这三张蒙皮零件进行报废处理，造成了很大的浪费。

3 结果分析

（1）铝锂合金化学铣切结果分析。

a.试片化学铣切实验。

经过化铣的试片，表面粗糙度值基本符合规范要求，有少部分试片表面粗糙度值不符合规范。

b.蒙皮零件化学铣切。

共进行了8张蒙皮零件化学起切，五张零件尺寸公差符合图纸要求，表面粗糙度值符合规范要求；有3张零件尺寸公差符合图纸要求，而铣切表面有大量坑蚀，无法满足规范要求。

（2）槽液成分分析。

a.新配制的槽液应添加铝屑或保留一部分原来旧的化铣溶液。如果新槽液里没有铝离子，反应也无法进行；随着生产的正常进行，铝离子不断地脱离零件进入槽液，当达到一定值后，槽液的浸蚀速率会很慢，零件表面的粗糙度会增加，这时的槽液就需要报废，重新进行调配了，按规范要求，AI含量控制在19～75克/升。

b.硫化钠在腐蚀过程中既是光亮剂也是腐蚀剂。浸蚀速率由化学腐蚀控制，而影响化铣表面粗糙度的重要原因是在化铣过程中存在合金元素与铝的电化学作用。合金元素与铝的电化学过程作用程度越大，则表面粗糙度越大，由于铝合金中存在铜、铁、镁等合金元素，在铝合金腐蚀过程中。存在合金元素与铝的电化学过程，合金元素与铝形成原电池，使腐蚀不均匀。Na2S的作用在于，S易于与合金中的Zn等元素结合，使Zn等元素与AI形成的电偶腐蚀作用降低，铝的腐蚀起主导作用，从而降低表面粗糙度，所以，如果硫化钠的浓度过低，会造成零件表面粗糙度超过规范要求；如果铝合金中的Cu含量过高，S没有完全与Cu元素结合，Cu元素就会与AI形成电偶腐蚀，造成表面粗糙度值过大；按规范要求，那Nas的含量控制在1126克/升。

c.三乙醇胺（TEA）是一种高效的螯合剂，可螯合各种重金属，在化铣过程中吸附在化铣面上，一方面螯合Cu、Zn等元素，降低S的消耗，减少合金元素的富集；另一方面TEA作为表面活性剂，可以使附着化铣表面上的沉淀迅速脱离化铣面，使S与化铣面的接触面积更大。降低电偶腐蚀作用。如果TEA浓度低于规范要求，也会造成零件表面粗糙度值变大；按规范要求TEA的含量控制在3060克每升。

（3）铝合金化学铣切温度分析。

温度是铝合金化铣加工的一个重要参数，化铣过程离子的扩散速度和化学反应速度.都是随着温度的升高增加。过低的温度不利于化学铣切。但过高的温度同样会造成零件表面粗糙度值过大。按规范要求，铝锂合金化铣温度控制在100℃～104℃。

铝锂合金在碱性化铣液中化铣时，存在着许多错综复杂的局部反应。并不是单一的化学过程，还伴随着微区的电化学反应，扩散和吸附等基本物理过程。当合金材料内高电位与低电位金属含量越接近、电位差越大，则电化学过程就越显著。反之，化学腐蚀过程越显著。铝锂合金中锂是非常活跃的金属元素，其电极电位为3.045V，比铝的电极电位低你1.339V，铝锂元素间化学活性差别大，同时铝锂合金中主要析出相中Li具有高活性。因此析出相内部和析出相间的电极电位差比通常的铝合金相大，腐蚀速度快，造成化铣过程中精确控制困难和产生麻点、小坑不均匀现象，使表面粗糙度增加，并通过影响材料的表面完整性而影响材料的耐蚀性及抗疲劳性能。

4 结论

（1）铝锂合金化学铣切加工，对槽液成份的控制要求，远远高于铝合金化学铣切。铝合金零件化学铣切合格的槽液，用于铝锂合金零件化学铣切，却经常出现铣切区域大量坑蚀。造成零件报废。用于铝合金化学铣切的氢氧化钠，硫化钠和三乙醇胺含量，一般都调配在中值，对于化学铣切铝锂合金的槽液，应将硫化钠和三乙醇胺的含量向上限调整。在实际生产过程中，调整槽液成份，在高含量硫化钠和三乙醇胺的化学铣切槽液中铣切，蒙皮零件的表面粗糙度，完全满足规范要求。

（2）过高或过低的槽液温度对化学铣切都有影响。建议槽液温度控制在100℃～104℃。

5 化学铣切技术展望

（1）化学铣切加工工艺已被许多的工业部门采用，是特种加工工艺之一。不可缺少的加工方法，特别是对成形零件的加工即可靠又有效。它通过化学溶液腐蚀零件预先确定的部位，从而获得所需的加工尺寸和精度，是一种不用工具，没有切削，不存在应力和零件之间不存在协调问题的特种加工工艺。那么在铝合金化学铣切必须注意铣切温度要求、浓度要求、添加剂的加入，有可能引起腐蚀速度的直线下降。而且大面积腐蚀加工铝合金零件，就要保证分辨率要求较高的加工表面和精确的工艺流程。

（2） 化学铣切技术改进通常是围绕生产中零件报废的原因而进行的。所以提高防腐蚀性能对改善零件化铣的质量至关重要。此外，刻线操作不当或成形方法不合适及监控腐蚀速度方法不当，均是造成报废零件的原因。

（3）化学铣切技术和其它技术相同，随着航空航天工业的发展而发展，并随着新机型在技术支持上得以提高。

参考文献：

[1]威.T.哈里斯.化学铣切[M].北京：国防工业出版社，1983.

[2]林翠，王云英.可剥性化铣保护涂料的研制.2006，35（3）.