水喷砂去除钛合金表面氧化层效果的研究

(北京航天动力研究所，北京 100076)

钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好及焊接性能好等优点，广泛应用于航空航天领域。钛合金在热处理过程中，若处理不当，材料与高温空气接触，会导致金属表面氧化，失去光泽，出现不同的颜色。钛合金高温氧化会在材料表面形成较厚的脆性氧化层，在应力作用下，形成大量的微裂纹，从而较早引起疲劳断裂[1]。表面氧化在一定程度上会降低材料的力学性能，特别是在循环载荷作用下影响更大[2]。

某航天推进系统的零件在进行去焊接应力退火过程中，由于真空设备故障，导致零件在热处理过程中与空气中的氧气接触，在零件表面形成了氧化层。为防止氧化层影响材料的疲劳性能，需去除零件表面的氧化层。通过酸洗方法去除氧化层，去除量大[3]，且容易造成去除量不均匀，零件尺寸已加工到位，酸洗后难以保证尺寸仍能满足设计要求；由于零件外形复杂，零件整体通过研磨的方法去除氧化层实施难度大，且成本高。水喷砂以高压水为动力，利用高压水射流通过专用水喷砂枪头喷射形成的负压吸入混合磨料，把水砂混合物合流高速喷射到工件表面，利用高压水的冲击力，磨料的冲击力和切削力以及摩擦力可去除工件表层的污垢、油脂、锈层和氧化层等。综合考虑现有的去除金属表面氧化层的方法，确定使用水喷砂法去除零件表面氧化层。

笔者通过能谱分析，对水喷砂去除氧化层的效果以及对基体材料的影响进行研究。

1 氧化层分析

零件材料为TC4，氧化后零件外观见图1，外表面呈蓝黑色，且颜色不均匀。

图1 氧化后零件宏观形貌

对其表面进行能谱分析，主要含有Ti(76.24%)、Al(4.18%)、V(3.15%)、O(16.42%)等元素(见图2)，由于材料热处理过程中高温氧化导致其中氧元素明显偏高。

图2 零件表面能谱

为确定氧化层厚度，对沿垂直于表面的方向进行能谱线扫描，结果表明，截面范围O元素明显偏高的区域深度约为2 μm(见图3)，可知氧化层厚度约为2 μm。

图3 能谱线扫描结果

2 水喷砂去除氧化层效果分析

对零件整体进行水喷砂处理，砂粒选用400目石英砂，水喷砂要求以目视零件表面没有蓝黑色氧化层为合格，水喷砂后通过超声波清洗，以确保零件表面清洁、无多余物。

水喷砂后，零件表面呈暗灰色，无金属光泽(见图4)。通过扫描电镜进行观察，发现水喷砂处理后零件表面凹凸不平，有较多的不规则形状颗粒完全嵌入基体当中(见图5)，大部分颗粒尺寸为10～20 μm，观察到的较大颗粒尺寸约为14 μm×24 μm，嵌入颗粒的大小与所用石英砂目数相关，400目石英砂砂粒长度尺寸小于38 μm，与嵌入基体颗粒尺寸吻合。

对嵌入颗粒进行能谱成分分析，主要含有Si、O等元素，证明嵌入的颗粒为水喷砂所用的石英砂；对基体进行能谱成分分析，主要含有Ti(87.94%)、Al(7.79%)、V(3.73)、Si(0.54%)元素，未检出O元素，证明基体表面不存在明显的氧化层。零件表面基体和嵌入颗粒能谱见图6。

图4 水喷砂后零件宏观形貌

图5 水喷砂后零件表面微观形貌及嵌入颗粒

图6 零件表面基体和嵌入颗粒能谱

分析结果表明，通过水喷砂处理可以去除零件表层的氧化层，但水喷砂后零件表面凹凸不平，有较多不规则形状的砂粒嵌入基体中。

3 结语

通过水喷砂方法去除钛合金表面氧化层，对水喷砂后的零件进行外观观察和能谱成分分析，结果表明，水喷砂可以有效去除钛合金表面氧化层，但水喷砂后零件表面凹凸不平，有较多不规则形状的水喷砂砂粒嵌入基体当中，此项问题将在今后工作中进一步研究解决。