铝合金化学铣切工艺研究现状

2022-11-28鲍经洋王天星刘世博李佳淳裴柳滨张洪亮

全面腐蚀控制 2022年2期

鲍经洋王天星刘世博李佳淳裴柳滨张洪亮

（沈阳航空航天大学，辽宁沈阳 110136）

0 引言

化学铣切又称为腐蚀加工，已经成为一种金属材料加工成形的重要方法[1]，尤其是在航空零件的加工制备过程中应用更为广泛。化学铣切的工作原理是将金属全部或部分置于可溶解或反应的酸、碱、盐等溶液体系中，通过不断的溶解或反应去除部分金属基体的成形方法。铝合金密度低，有较高的强度，比强度接近高合金钢，比刚度超过钢，有良好的铸造性能和塑性加工性能，良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性，可作结构材料使用，在航天、航空、交通运输、建筑、机电、轻化和日用品中有着广泛的应用[2]。

由于铝合金切削性能不佳，机械加工尺寸精度难以控制，所以很多学者对铝合金的化学铣切进行了大量的研究。目前，铝合金的化学铣切已经成为航空与航天工业零件成形的可靠加工方法，尤其是在加工飞机蒙皮时要比用传统的机械加工方法优越得多[3]。

本文从化铣溶液优化、化学液对化铣速率的影响、化铣后合金性能的变化等角度归纳了不同铝合金化学铣切工艺的研究现状。

1 化学铣切溶液的研究

尹茂生等[4]研究了2219铝合金板材化学铣切溶液的配方。对NaOH、Na2S、三乙醇胺（TEA）、溶解Al3+四种溶质进行了4因素3水平正交实验，并根据正交试验的极差分析，溶液中除了NaOH作为主要腐蚀剂外，Na2S对试样的表面粗糙度影响最大。以此得到了溶液最佳配方为NaOH（75～150g/L）、Na2S（6～15g/L）、TEA（38.5～42.0g/L）、溶解Al（32.5～120.0g/L），以及温度为85±2℃。按该配方对2219铝合金筒段进行化学铣切，可达到最佳应用效果。

尚佳阳等[5]研究了2024铝合金化学铣切溶液中的复合添加剂。碱蚀添加剂可以对铝合金表面起到整平、缓蚀和抑垢作用，实验中可选用的表面活性剂主要有乙醇、乳化硅油、十二烷基硫酸钠等。实验对添加剂进行筛选和比较，分析添加剂在提高表面质量和加工精度等方面的影响，最后通过对比化铣速度、粗糙度以及加工精度等效果发现，硫脲和LN为铝合金化铣中适宜作为配置复合型添加剂HR901，其浓度控制范围为0.2～0.6g/L；而且复合添加剂HR901对化铣化铣性能影响很大，能降低化铣表面粗糙度，可以使试样基体与化铣区域的圆弧过渡区域光滑、细腻。

2 化学铣切速率的研究

毛大恒等[6]研究了2197铝锂合金的热轧厚板的化铣速率，发现NaOH浓度、化铣液的温度对化铣速度影响最大。随着NaOH浓度增加，化铣速度明显增大，当 NaOH质量浓度由150g·L-1增加到250g·L-1时，化铣速度27μm·min-1增加到65μm·min-1；但是NaOH浓度过高，则会影响化铣加工质量。此外，化铣速度也随着化铣液温度的升高而增大，两者成近似线性的关系。由于铝在NaOH溶液中溶解时为放热反应，产生大量的热量，反而进一步加快了腐蚀，因此在化铣过程中必须严格控制化铣液的温度。但研究也发现随着化铣液中铝离子含量增加,化铣速度呈线性降低趋势。

付明等[7]研究了2A12铝合金飞机翼面的化铣速率，发现化铣过程包括铝的复杂的化学溶解过程和铝的电化学过程。化铣液中NaOH是主要的腐蚀剂，发生放热反应，生成NaAlO2。同样，化铣液中NaOH浓度达到一定值后，再继续增加会使化铣液的密度升高，不利于腐蚀产物在化铣液中扩散，反而会导致化铣速率下降。此外，随着化铣的进行，化铣液中铝离子浓度增加，再增加NaAlO2浓度会阻止铝合金的腐蚀溶解反应，随着化铣时间的延长，化铣速率呈缓慢减小的趋势。

3 化学铣切对合金性能的影响研究

巢昺轩等[8]对1035（L4）-M、8A06（L6）-M两种退火态纯铝合金材料进行化学铣切，化铣液为NaOH、Na2S、TEA、缓蚀剂等，腐蚀速率为0.03～0.05mm/min，温度为99～104℃。实验测得两种铝板的铝含量达到90%以上，材料抗拉强度低、伸长率高。对化学铣切前后的铝板进行抗拉强度和伸长率测试，从结果可以看出，化学铣切前后纯铝板力学性能(抗拉强度、伸长率)相近，无明显差异，因此化学铣切对材料力学性能没有影响。

王帅东等[9]研究了2195铝锂合金试片化学铣切后粗造度的变化。在试片上均匀选取了10个测量点，用MarSurfm400型表面结构测量仪测量了这10个点化铣前后的粗糙度，并计算了前后的平均值，即化铣前后粗糙度由为2.1um增加至2.3um，均远小于粗造度要求值6.3um。说明化铣溶液中的 NaOH和Al3+比例较好，且加入了配合添加剂，缓解了化铣过程中局部原电池效应的影响，未出现明显粗糙现象。所以，化铣工艺参数的制定符合产品化铣粗糙度的控制要求。铝合金化铣的粗糙度，不但与材料本身的化学成分有关，也与成形变形量、热处理状态有关。

谢春英等[3]对2024-T3与7075-T6两种铝合金进行化铣，化铣液为NaOH、Na2S、TEA、溶解Al3+等。使用疲劳试验机进行疲劳拉伸试验，实际测得的2024-T3与7075-T6疲劳曲线均落在相应参考曲线的上方，说明采用本化铣工艺加工的零件能够满足材料的疲劳寿命要求。从疲劳试验的试片断裂结果可以看出，对于化铣试片，一般都是在化铣面凹槽处断裂，断裂绝大部分发生在圆角R根部。目前的化铣工艺完全能满足民用飞机对铝合金材料疲劳寿命的设计要求。2024-T3铝合金材料化铣后具有稳定而良好的表面粗糙度。化铣试洋一般在镌切圆角触根部发生疲劳断裂，其断口微观形貌呈现出典型的疲劳断裂特征。