分享：工業(yè)純鈦TA2的電解拋光/腐蝕工藝

鈦及其合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性和力學(xué)性能優(yōu)異等特性[1]，但鈦的力學(xué)性能卻與鋼相似，鈦及鈦合金很難進(jìn)行金相制樣和金相檢驗(yàn)。尤其是純鈦，使用機(jī)械拋光[2]，很難去除表面的劃痕，也很容易殘留污染物。故探索有效方法獲得清晰的鈦及鈦合金的金相組織非常必要。 

目前，電解拋光[3-4]技術(shù)已廣泛應(yīng)用于金屬加工領(lǐng)域，技術(shù)人員在電解拋光原理、工藝參數(shù)、配方等方面進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究[5-6]，相比于機(jī)械拋光，電解拋光技術(shù)優(yōu)越得多。近來(lái)，電解拋光應(yīng)用于制備鈦合金試樣的報(bào)道越來(lái)越多[7-10]，夏雯等[11-12]給出了一些電解液配方和工藝數(shù)據(jù)。但是有些數(shù)據(jù)并不完整，加上設(shè)備不同、材料差異，實(shí)際拋光效果不穩(wěn)定且不理想。因此，電解液配制方案以及工藝參數(shù)的確定，需要根據(jù)實(shí)際操作來(lái)驗(yàn)證。筆者采用自主配制的電解液配方，選用氫氟酸+緩蝕劑作為電解液，對(duì)工業(yè)純鈦TA2試樣進(jìn)行電解拋光/腐蝕，探究了電解液成分、拋光電壓、拋光時(shí)間對(duì)金相組織的影響，以獲得最佳的電解液配方及匹配的參數(shù)。 

1.   試驗(yàn)

1.1   試樣

選用西部超導(dǎo)公司生產(chǎn)的退火態(tài)工業(yè)純鈦TA2，化學(xué)成分見(jiàn)表1。試樣線切割截為10 mm的等長(zhǎng)小段，為保證制樣質(zhì)量，用牙托粉對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌，為了保證鑲嵌后試樣的導(dǎo)電性，試樣的頂部區(qū)域未用牙托粉鑲嵌。完全固化后，采用金相砂紙（120~1000號(hào)）逐級(jí)打磨試樣表面，待其光亮待用。 

1.2   電解液配方與工藝參數(shù)

在酸性溶液中：，。 

鈦是還原性很強(qiáng)的金屬，但鈦的表面容易生成致密、鈍性的氧化物薄膜，因此具有優(yōu)良的耐蝕性。在氫氟酸中或含有氟離子的酸（將氟化物加入酸中），氟離子可與鈦生成配合物促進(jìn)鈦的溶解，見(jiàn)式（1）。 

因此筆者選擇HF作為電解液的主要成分之一，添加適量特種緩蝕劑和其他輔助藥劑進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)每次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)電解液配方予以改善。此外，優(yōu)化電解工藝參數(shù)，探究該電解液配方下的最優(yōu)電解工藝參數(shù)。按電解液配方種類，試驗(yàn)分為三組，詳見(jiàn)表2。 

1.3   試驗(yàn)方法

使用Struers公司的Lectropol-5電解拋光/腐蝕儀，陰極材料為不銹鋼，磨削后的試樣作為陽(yáng)極，在不同電解液和不同電解工藝參數(shù)下進(jìn)行電解拋光腐蝕，然后使用MEF4A型光學(xué)顯微鏡觀察采用不同電解液和電極工藝參數(shù)所得試樣的金相組織，找到最優(yōu)的電解液配方及電解工藝參數(shù)。 

2.   結(jié)果與討論

1   號(hào)電解液

由圖1可見(jiàn)：采用1號(hào)電解液，在拋光電壓40 V，電解液流量20 mL/s，拋光時(shí)間8 s（電解參數(shù)1）下所得試樣表面還有一些劃痕未去除，且存在腐蝕坑。調(diào)整電解工藝參數(shù)為拋光電壓40 V，電解液流量15 mL/s，拋光時(shí)間8 s（電解參數(shù)2），所得試樣表面仍有劃痕，且存在腐蝕坑，但劃痕數(shù)量減少。調(diào)整電解工藝參數(shù)為拋光電壓40 V，電解液流量15 mL/s，拋光時(shí)間10 s（電解參數(shù)3）可以得到無(wú)劃痕、無(wú)腐蝕坑的表面，但是腐蝕較重，以致產(chǎn)生了浮凸，得到的結(jié)果較之前有改進(jìn)。 

圖  1  采用1號(hào)電解液，不同電解工藝參數(shù)下所得試樣的顯微組織

Figure  1.  Microstructure of samples obtained under different electrolysis process parameter conditions using No. 1 electrolyte: (a) electrolyte parameter 1; (b) electrolyte parameter 2; (c) electrolyte parameter 3

在一定的電壓下，氟離子與鈦的反應(yīng)很快，容易出現(xiàn)試樣還未拋光好就已經(jīng)被腐蝕的現(xiàn)象，致使拋光完成就產(chǎn)生了過(guò)腐蝕現(xiàn)象，即在試樣表面產(chǎn)生浮凸和腐蝕坑。 

2   號(hào)電解液

為解決腐蝕過(guò)重和產(chǎn)生浮凸的問(wèn)題，通過(guò)加入緩蝕劑以減緩氟離子與鈦的反應(yīng)速率改進(jìn)電解液配方。由圖2可見(jiàn)：將電解液中HF、CH2CH3OH、H2O體積比改為1∶2∶4（2號(hào)電解液），在拋光電壓45 V，電解液流量15 mL/s，拋光時(shí)間16 s（電解參數(shù)4）下所得試樣表面有許多規(guī)則黑點(diǎn)，且這些黑點(diǎn)都朝一個(gè)方向?？梢耘卸ㄟ@些黑點(diǎn)是拋光不完全所留下的拋痕，這表明所選電解參數(shù)的拋光效果不好。調(diào)整電解工藝參數(shù)為拋光電壓45 V，電解液流量19 mL/s，拋光時(shí)間30 s（電解參數(shù)5），且試樣用1000號(hào)砂紙打磨，所得試樣表面仍殘留拋痕，但拋痕數(shù)量大大減少，且組織更為清晰。繼續(xù)調(diào)整電解工藝參數(shù)為45 V，電解液流量19 mL/s，拋光時(shí)間50 s（電解參數(shù)6），所得試樣截面的拋痕較少，但仍顯浮凸。這表明增加拋光時(shí)間，仍不能得到較好的結(jié)果，而且浮凸現(xiàn)象加重，故該配方需進(jìn)一步完善。 

圖  2  采用2號(hào)電解液，不同電解工藝參數(shù)下所得試樣的顯微組織

Figure  2.  Microstructure of samples obtained under different electrolysis process parameter conditions using No.2 electrolyte: (a) electrolyte parameter 4; (b) electrolyte parameter 5; (c) electrolyte parameter 6

采用1000號(hào)砂紙打磨試樣可降低其表面粗糙度，有利于更好進(jìn)行電解拋光。采用酒精替代硝酸，可以減少電解液中F-含量，從而降低腐蝕作用，減輕浮凸的副作用，此外，加入酒精還可以在電解拋光過(guò)程中溶解磨面上薄膜，促進(jìn)拋光。相比于1號(hào)電解液，雖減輕了浮凸的副作用，但效果還不理想。 

3   號(hào)電解液

為進(jìn)一步減緩腐蝕，將電解液配方改進(jìn)為90 mL HF，10 g（NH4）2S2O8，200 mLCH3CH2OH，360 mL H2O（3號(hào)電解液）。拋光電壓50 V，電解液流量20 mL/s，拋光時(shí)間50 s（電解參數(shù)7），且試樣用1000號(hào)砂紙打磨，所得試樣組織為α單相組織，晶界清晰，表面無(wú)浮凸，但是表面仍有局部腐蝕過(guò)重的區(qū)域，且存在腐蝕坑，見(jiàn)圖3（a）。 

圖  3  含不同量（NH4）2S2O8電解液中，電解參數(shù)7條件下所得試樣的顯微組織

Figure  3.  Microstructure of samples obtained under electrolysis parameter 7 in electrolytes containing different amounts of (NH4)2S2O8

將電解液配方調(diào)整為90 mL HF，20 g（NH4）2S2O8，200 mL CH3CH2OH，360 mL H2O，在電解參數(shù)7下所得試樣組織為清晰的α單相組織，晶界清晰，無(wú)浮凸，且無(wú)明顯的腐蝕坑，見(jiàn)圖3（b）。 

由圖3可見(jiàn)，適量過(guò)硫酸銨對(duì)腐蝕具有很好的緩解作用。反應(yīng)見(jiàn)式（2）~（4）。 

加入銨鹽，NH4+會(huì)和溶劑中的OH-結(jié)合形成氨水，OH-減少將會(huì)促使H2O的電解，H+含量增加，因此HF的電解被抑制，F(xiàn)-含量降低，在電壓-電流作用下，該過(guò)程更為明顯，最終減緩了F-對(duì)鈦的腐蝕。因此，電解液中加入適量的過(guò)硫酸銨，并采用電解參數(shù)7的拋光效果較好。

采用3號(hào)電解液[10 g（NH4）2S2O8]對(duì)Ti5553高強(qiáng)鈦合金進(jìn)行電解拋光，調(diào)整電解參數(shù)為拋光電壓20 V，電解液流量18 mL/s，拋光時(shí)間15 s（電解參數(shù)8），且試樣用1000號(hào)砂紙打磨，所得試樣組織見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，此條件下得到了清晰的α+β相組織，無(wú)浮凸，且無(wú)明顯的腐蝕坑，但腐蝕過(guò)重，因此銨鹽加入量和拋光參數(shù)（特別是拋光時(shí)間）需進(jìn)一步優(yōu)化。 

圖  4  采用3號(hào)電解液，電解參數(shù)8條件下所得試樣的顯微組織

Figure  4.  Microstructure of the sample obtained under the conditions of electrolytic parameter 8 using No.3 electrolyte

本工作制備的電解拋光/腐蝕電解液不局限用于工業(yè)純鈦TA2的電解拋光，電解液配方中的HF可以腐蝕任意鈦及其合金，過(guò)硫酸銨作為緩蝕劑可以解決過(guò)腐蝕問(wèn)題，采用相應(yīng)的電解參數(shù)，此電解液可以用于其他鈦合金。 

3.   結(jié)論

（1）電解拋光工業(yè)純鈦TA2的最佳電解液配方為90 mL HF，20 g（NH4）2S2O8，200 mL CH3CH2OH，360 mL H2O，與之相匹配的電解工藝參數(shù)為拋光電壓50 V，電解液流量20 mL/s，拋光時(shí)間50 s。加入銨鹽可以減緩HF的腐蝕作用，使整個(gè)電解拋光過(guò)程更加可控，且其拋光效果、效率和可重復(fù)性都遠(yuǎn)好于機(jī)械拋光/腐蝕。 

（2）進(jìn)行電解拋光時(shí)，試樣表面粗糙度應(yīng)較低，建議采用1000號(hào)砂紙打磨試樣。這是因?yàn)楦玫某跏急砻尜|(zhì)量能夠提高電解拋光效率，不易產(chǎn)生過(guò)腐蝕現(xiàn)象，得到更好的電解拋光表面質(zhì)量。 

（3）本工作所得電解液配方不局限于工業(yè)純鈦TA2的電解拋光，通過(guò)調(diào)整相應(yīng)電解拋光參數(shù)，理論上可以電拋所有的鈦合金材料。 

（4）電解拋光因金屬材料材質(zhì)和狀態(tài)的不同，相適應(yīng)的電解拋光液和電解參數(shù)也不相同。因此，需進(jìn)行大量的試驗(yàn)工作獲得原始數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和篩選，確定相適應(yīng)的電解拋光/腐蝕規(guī)范。

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