一种TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法

摘要

本发明涉及钛合金大型筒体类零件深度化学铣切领域，具体为一种TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法。该方法的工艺路线为：除油→水洗→酸洗→水洗→涂保护胶→刻型→待铣表面保护胶膜去除→化学铣切→水洗→振动光饰，在钛合金筒形件上采用深度化学铣切技术加工成薄壁网格肋，且经过一次刻型和化学铣成型，得到带有全部安装座的化学铣机匣壳体。本发明采用钛合金深度化学铣切技术完成钛合金整体、薄壁、网格状大型筒体类结构件的制造，满足大型筒体类零件网格状化学铣切结构；从根本上避免机械加工带来的变形，解决焊接带来强度降低问题，提高了构件整体刚性，同时缩短生产周期，减轻结构重量。

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金大型筒体类零件深度化学铣切领域，具体为一种TA12、 TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法。

背景技术

国外三代机发动机阶段开始应用复合材料结构外涵机匣，到了以F119为典型 代表的四代机发动机，又相对较多应用了钛合金化学铣外涵机匣。主要原因为随 着发动机性能的提高，外涵道气流温度随之提高，研制耐受更高温度的高性能树 脂基复合材料存在瓶颈，同时钛合金化学铣外涵机匣有成熟的应用经验，耐温能 力高，并且经过不断改进，能够满足四代机发动机的使用要求。

随着对新一代发动机综合认识水平的提高，发现复合材料外涵机匣对外部附 件全部下置，零件数量和维护性等方面存在不利影响。国内也决定进行钛合金化 学铣外涵机匣的设计和工艺摸索，开展技术研究工作，是十分必要、十分迫切的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方 法，采用钛合金深度化学铣切技术完成钛合金整体、薄壁、网格状大型筒体类结 构件的制造，满足大型筒体类零件网格状化学铣切结构；从根本上避免机械加工 带来的变形，解决焊接带来强度降低问题，提高了构件整体刚性，同时缩短生产 周期，减轻结构重量。

本发明的技术方案是：

一种TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法，该方法的工艺路线 为：除油→水洗→酸洗→水洗→涂保护胶→刻型→待铣表面保护胶膜去除→化学 铣切→水洗→振动光饰，在钛合金筒形件上采用深度化学铣切技术加工成薄壁网 格肋，且经过一次刻型和化学铣成型，得到带有全部安装座的化学铣机匣壳体。

所述的TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法，化学铣切液配方 及工艺参数如下：

其余为水；

温度15～40℃。

所述的TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法，化学铣切液配制 过程如下：准确测量槽子体积，根据化学铣切液成分计算出各种化学药品用量； 配制时，将计算量的四分之一的水加入化铣槽中，打开抽风系统和风搅拌系统， 加入计算量的十分之一的硝酸和全部计算量的氢氟酸，边加边搅拌，直至充分混 合均匀，加入余量的水和硝酸及其他添加剂：尿素、乙二醇丁醚和十二烷基硫酸 钠，搅拌均匀即可；溶液配制后，放置24h后使用。

所述的TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法，根据需要在加入 计算量的十分之一的硝酸和全部计算量的氢氟酸之后，加入钛粉，钛粉的加入量 为1.5～2g/l；待钛粉完全溶解后，再加入余量的水和硝酸及其他添加剂。

所述的TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法，涂保护胶时，采 用喷枪喷涂第一层胶膜2～3遍，涂胶区域应被完全覆盖，后续采用滚涂且保证胶 膜无流淌后产生的气泡，当达到胶膜厚度30～40mm时，利用电火花检测仪检测 胶膜是否存在漏点，并对存在漏点区域进行补胶后再进行整体滚涂。

所述的TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法，刻型时采用激光 刻型，起点应从化学铣切揭胶表面开始，平滑过渡到边界线，以保证加强筋处胶 膜完整，且刻型线应宽窄均匀一致，光滑无毛刺。

所述的TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法，化学铣切时，将 装挂好的TA12钛合金或TA15钛合金零件浸入化铣槽中，零件在化学铣切液中 作定时正反向转动，电机转速为120～130转/分，每15～30min更换一次电机的 旋转方向。

所述的TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法，优选的，化学铣 切液温度控制在26±2℃。

所述的TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法，零件经过化学铣 切后存在锐边，化学铣切锐边的处理方法是：采用振动光整加工方法对锐边进行 处理倒圆，工艺参数为：振动频率40～50Hz，振动时间5h，3×4三角刚玉磨料， 粒度120目。

所述的TA12、TA15钛合金大型结构件深度化学铣切方法，化学铣切后，零 件壁厚为1±0.1mm，化学铣切后零件的含氢量不大于120ppm。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明钛合金化学铣切工艺及工艺流程、零件整体加工方法，采用化学铣 切结构代替钣金焊接组合零件，以满足发动机设计要求。它不仅填补国内钛合金 大型整体、薄壁、网格状结构零件深度化学铣切技术空白，而且已经广泛应用于 国内发动机的研制生产，与机械加工相比效率提高了80％以上。零件质量可靠， 性能稳定，工艺可行，未发现异常，使用情况良好，技术成熟。

2、钛合金化学铣切成型时，通常要将金属零件全部浸入特定的化学溶液中， 在特定条件下，对同一种材料的不同部位，有选择地进行腐蚀，从而获得零件理 想的形状和尺寸。目前的钛合金化学铣切技术普遍应用于平板零件上，深度不大 于3mm。本发明化学铣切在大型筒体类(非平板)零件上进行，使化学铣切深度 可达到9mm，化学铣切结构为网格状，不但化学铣切深度深，零件化学铣切后尺 寸均匀性、结构型面保证、长时间化学铣切胶膜结合力和非加工表面过腐蚀等控 制难度大，尺寸精度要求高。

3、本发明提出钛合金化学铣切方法后，满足了设计要求的技术指标，从根本 上避免了机械加工带来的变形，解决了焊接带来安装座连接强度降低问题，实现 了发动机表面处理技术由辅助到制造的跨越，且本发明可被推广至其它各型号发 动机使用。

4、本发明与常规的化学铣切技术相比，具有更深的铣切深度，复杂的铣切型 面，化学铣切均匀性更好，精度高，粗糙度值、渗氢量及变形量小，特别适于发 动机薄壁复杂易变形零件的加工。

5、本发明确定合理高效的去除化学铣切尖边的方法，即要保证尖边去除，同 时还要保证零件的尺寸精度及光度，降低生产成本。采用高效率将振动光饰技术 应用于化学铣切尖边的倒角，提高工作效率10倍以上。

6、本发明属于国内首次采用化学铣切技术对大型筒体类钛合金材料零件加 工，极大地提高了我国发动机的制造技术水平，推动了钛合金深度化学铣切技术 的进步，达到了国际先进发动机使用的化学铣切处理制造技术水平。同时，本发 明的社会效益还在于，其所承载的技术还可推广应用于航天工业、燃机等其它民 用产品。

附图说明

图1为化学铣切前零件筒体示意图。

图2为零件化学铣切结构模型图片。

图3为局部放大化学铣切表面结构。

图4为目视检查示意图。

具体实施方式

本发明主要是针对TA12或TA15钛合金结构件深度化学铣切技术与应用进 行研究。通常发动机的一些重要热力部件都是钣金焊接组合件，以往钛合金加力 筒体等零件传统制造工艺涉及板材成型、热定型、焊接、机械加工等，对于薄壁 零件这种加工工艺无法保证壁厚(1±0.1)mm及变形量。另外，存在焊接带来安 装座连接强度降低问题，使构件整体刚性下降，而且生产周期长。另一方面，为 了保证零件强度，只有通过增加零件的壁厚解决，从而使结构重量增加。为此， 提出采用化学铣切结构代替钣金焊接组合零件，以满足发动机使用要求。

国内之前的钛合金化学铣切只是对平板零件进行简单结构的化学铣切，铣切 深度为3mm。本发明需要化学铣切的零件为发动机的一些重要热力部件，零件总 长1086mm，内径Φ1050mm，筒体壁厚10mm，化学铣切后壁厚1±0.1mm。如图 1所示，本发明化学铣切前零件筒体。如图2所示，零件化学铣切结构模型。如 图3所示，局部放大化学铣切表面结构。在钛合金中厚板(10mm)筒形件上采 用深度化学铣切技术加工成薄壁网格肋，且经过一次刻线和化学铣成型即可得到 带有全部安装座的化学铣机匣壳体，相当于取消了若干安装座零件，零件数相对 减少60％，整个外涵机匣共仅有5条焊缝，结构和工艺大量简化。

在具体实施过程中，本发明TA12或TA15钛合金大型结构件深度化学铣切 方法，其工艺路线为：除油→水洗→酸洗→水洗→涂保护胶(非化学铣切面)→ 刻型→待铣表面保护胶膜去除→化学铣切→水洗→振动光饰。

1、确定化学铣切液配方及工艺参数

其余为水；

温度(15～40)℃；

其中，尿素作为稳定剂，乙二醇丁醚作为润湿剂，十二烷基硫酸钠作为表面 活性剂。另外，根据需要可以加入钛粉1.5～2g/l。

2、操作方法

2.1零件吹砂前用丙酮擦拭表面，去除零件因周转造成的二次污染。

2.2检查零件吹砂后表面质量，零件外表面应100％吹砂。吹砂压力0.1～ 0.2MPa，喷嘴距零件表面距离200～300mm，金刚砂粒度150～200目。

2.3采用喷枪喷涂第一层胶膜2～3遍，涂胶区域应被完全覆盖。后续采用滚 涂且保证胶膜无流淌后产生的气泡。

2.4当达到胶膜厚度30～40mm时，利用电火花检测仪检测胶膜是否存在漏 点，并对存在漏点区域进行补胶后再进行整体滚涂。

2.5涂胶过程需要连续生产，每两遍之间时间间隔不允许超过24h。

2.6激光刻型起点应从化学铣切揭胶表面开始，平滑过渡到边界线，以保证加 强筋处胶膜完整，且刻型线应宽窄均匀一致，光滑无毛刺。与手工刻型相比，激 光刻型效率高、精度高。

2.7化学铣切液配制：准确测量槽子体积(应扣除液面以上部分)，根据化学 铣切液成分计算出各种化学药品用量。配制时，将计算量的四分之一的水加入化 铣槽中，打开抽风系统和风搅拌系统，加入计算量的十分之一的硝酸和全部计算 量的氢氟酸，边加边搅拌，直至充分混合均匀，然后根据需要可以加入钛粉(加 入钛粉的作用是：稳定槽液，提高腐蚀均匀性，钛粉的加入量为1.5～2g/l)。待钛 粉完全溶解后，再加入余量的水和硝酸及其他添加剂，搅拌均匀即可。溶液配制 后需放置24h后，方可使用。

2.8将装挂好的零件浸入化铣槽中，化学铣切过程保证零件在化学铣切液中作 定时正反向转动，电机转速为120～130转/分，每15～30min更换一次电机的旋 转方向。

2.9化学铣切零件每30min出槽检查胶膜完整性，检查结构复杂表面胶膜与基 体的结合性，发现异常，停止化学铣切，做补胶处理。检查方法见图4，分别从 化学铣切零件外侧和内侧通过目视检查。

2.10零件揭胶和修补胶后，再次入槽化学铣切时，需先化学铣切10～15min 后，出槽检查化学铣切表面，并清理残余胶层。

2.11两次化学铣切间隔超过3个小时以上的，需用pH试纸检查存留液体， 保证pH≥7，最后用脱脂棉将零件表面的水吸干，确保无化学铣切液残留。

2.12新配化学铣切液需要化验硝酸及氢氟酸的含量。在操作前用随零件带来 的试片测试化学铣切液的腐蚀速度。

2.13化学铣切液最佳温度控制在26±2℃。

3、化学铣切锐边的处理方法

零件经过化学铣切后存在锐边，本发明采用振动光整加工方法代替通常采用 的机械磨加工对锐边进行处理倒圆。工艺参数为：振动频率40～50Hz，振动时间 5h，3×4三角刚玉磨料，粒度120目。

4、化学铣切后零件表面应光滑、不应有不规则浸蚀痕迹，点蚀和凹坑深度不 能超过0.02mm。加工好的零件应无任何污物、残留物、表面膜和其他污染物。 化学铣切线应轮廓分明，型面、尺寸是否符合图纸要求。化学铣切后零件壁厚为 1±0.1mm。化学铣切后的含氢量不大于120ppm。

以下，通过实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1

本实施例中，化学铣切液的配方如下：

其余为水；

温度15℃。

电机转速为120转/分，每15min更换一次电机的旋转方向，零件壁厚从10mm 化学铣切到1.1mm，氢含量检测结果为65ppm，化学铣切后TA12钛合金零件表 面光滑、无不规则浸蚀痕迹、点蚀和凹坑。加工好的零件表面无任何污物、残留 物、表面膜和其他多余物。化学铣切线应轮廓分明，型面、尺寸是否符合图纸要 求。

实施例2

本实施例中，化学铣切液的配方如下：

其余为水；

温度28℃。

电机转速为125转/分，每15min更换一次电机的旋转方向，零件壁厚从10mm 化学铣切到0.9mm，氢含量检测结果为55ppm，化学铣切后TA12钛合金零件表 面光滑、无不规则浸蚀痕迹、点蚀和凹坑。加工好的零件表面无任何污物、残留 物、表面膜和其他多余物。化学铣切线应轮廓分明，型面、尺寸是否符合图纸要 求。

实施例3

本实施例中，化学铣切液的配方如下：

其余为水；

温度40℃。

电机转速为130转/分，每15min更换一次电机的旋转方向，零件壁厚从10mm 化学铣切到0.9mm，氢含量检测结果为45ppm，化学铣切后TA15钛合金零件表 面光滑、无不规则浸蚀痕迹、点蚀和凹坑。加工好的零件表面无任何污物、残留 物、表面膜和其他多余物。化学铣切线应轮廓分明，型面、尺寸是否符合图纸要 求。

实施例结果表明，本发明在航空发动机零件制造中得到应用，有效的保证产 品质量，满足设计图纸要求。同时，大幅度提高零件的加工周期，与机械加工相 比效率提高80％以上，减低制造成本，单件节省制造成本约13万元以上。该成 果经两年多的应用，零件质量可靠，性能稳定，工艺可行，未发现异常，使用情 况良好，技术成熟。