鈮鎢合金表面酸洗工藝研究

梁 斌，王立斐， 周小軍，趙 剛

（1.寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753002；2.稀有金屬特種材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山 753000；3.國(guó)家鉭鈮特種金屬材料工程技術(shù)研究中心，寧夏 石嘴山 753000）

鈮鎢合金是航天飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件使用的重要材料，這些部件對(duì)尺寸的精度要求很高。由于部件使用于高溫部位，因而合金部件表面需制備高溫抗氧化涂層。在制備涂層前，需對(duì)合金加工部件表面進(jìn)行活化處理，活化處理方法采用酸洗，在研究鈮鎢合金酸洗工藝時(shí)，一方面要保證去除部件表面油污和氧化皮，增加部件表面活性的目的，另一方面又要盡量減少鈮鎢合金試件尺寸的變化[1]。通過(guò)研究，控制鈮鎢合金部件酸洗前后尺寸變化在10μm以下能夠滿足鈮鎢合金部件酸洗的表面狀態(tài)要求[1]。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

1.1 酸洗用酸的選擇

根據(jù)不同的產(chǎn)品要求，一般鈮鎢合金的酸洗工藝可分為：普通酸洗、光亮酸洗和光亮腐蝕等不同的酸洗工藝[2]。不同的酸洗工藝選用的酸不同，而且不同的酸對(duì)鈮鎢合金的腐蝕狀況不同。通過(guò)分析不同酸洗工藝，本試驗(yàn)選用氫氟酸、硫酸和硝酸來(lái)配制酸洗液，通過(guò)在鈮鎢合金試片上進(jìn)行酸洗試驗(yàn)來(lái)研究最佳的鈮鎢合金試件酸洗工藝[3]。

1.2 酸洗試片的測(cè)量方法

通過(guò)酸洗前后試片的厚度變化，驗(yàn)證酸洗工藝對(duì)鈮鎢合金試件的尺寸影響，試驗(yàn)采用鈮鎢合金標(biāo)準(zhǔn)隨爐試片（簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)試片）和寬片兩種試驗(yàn)片進(jìn)行酸洗前后試片尺寸變化情況的研究。將標(biāo)準(zhǔn)試片在長(zhǎng)度方向每隔10mm取一點(diǎn)進(jìn)行厚度測(cè)量，用千分尺在試片寬度的中間部位測(cè)量6個(gè)點(diǎn)，求其平均值并做好記錄。在寬片需要測(cè)量區(qū)域用圓規(guī)畫上圓圈來(lái)標(biāo)定測(cè)量位置，確保測(cè)量前后位置的一致性，具體如圖1和圖2所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)試片測(cè)量定位方式

圖2 寬片測(cè)量定位方式

2 酸洗工藝的研究

酸洗工藝的控制點(diǎn)主要是酸洗液的濃度和酸洗的時(shí)間，因此在研究最佳酸洗工藝時(shí)必須將酸洗液的濃度和酸洗時(shí)間綜合考慮，既要保證酸洗的質(zhì)量，又要確保酸洗時(shí)間的可操作性[4]。第一輪酸洗試驗(yàn)以配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=2～2.5:3～3.5:9～10:6～6.5的酸洗液對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試片進(jìn)行不同時(shí)間的酸洗試驗(yàn)，酸洗后試片表面干凈、光亮，滿足酸洗后試件的表面狀態(tài)要求，具體尺寸變化數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 第一輪試片酸洗過(guò)程具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，用配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=2～2.5:3～3.5:9～10:6～6.5的酸洗液對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試片進(jìn)行酸洗，酸洗時(shí)間越長(zhǎng)，試片被腐蝕的越厲害，酸洗前后試片的尺寸變化越大[5]。用配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=2～2.5:3～3.5:9～10:6～6.5的酸洗液對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試片進(jìn)行酸洗，控制酸洗時(shí)間在4s以內(nèi)可以保證試片酸洗前后單面尺寸的變化在5μm以內(nèi)。

通過(guò)第一輪酸洗試驗(yàn)可以看出，配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=2～2.5:3～3.5:9～10:6～6.5的酸洗液可以滿足酸洗后對(duì)試片的表面狀態(tài)要求，但4s的酸洗時(shí)間在實(shí)際部件酸洗過(guò)程中很難控制，可操作性不強(qiáng)。因此需要進(jìn)一步的工藝改進(jìn)研究，以增加酸洗的控制時(shí)間，方便實(shí)際操作。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，一般在實(shí)際酸洗操作過(guò)程中酸洗時(shí)間大于30秒可以很好的完成酸洗過(guò)程。

因此在保證酸洗效果的前提下，必須對(duì)酸洗液的配比和濃度進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)HF、H3NO3和H2SO4對(duì)鈮鎢合金的腐蝕性，將酸洗液的配比調(diào)整為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2。

用新的酸洗液進(jìn)行第二輪酸洗試驗(yàn)，將標(biāo)準(zhǔn)試片酸洗40s后觀察試片表面狀態(tài)并進(jìn)行尺寸測(cè)量，之后再酸洗20s觀察表面狀態(tài)并進(jìn)行尺寸測(cè)量。酸洗40s和60s后試片表面均干凈、光亮，滿足酸洗后表面狀態(tài)要求，具體試片尺寸的變化情況見(jiàn)表2。

表2 第二輪試片酸洗過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表2可以看出，用配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2的酸洗液對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試片酸洗40s后試片單面尺寸變化在2μm以下，酸洗60s后試片單面尺寸變化在4μm以下，滿足酸洗工藝的試件尺寸變化要求，并且40s～60s的酸洗時(shí)間便于操作。

為進(jìn)一步驗(yàn)證40s～60s的酸洗時(shí)間對(duì)試片尺寸變化的影響，進(jìn)行了第三輪酸洗試驗(yàn)。第三輪試驗(yàn)將11片標(biāo)準(zhǔn)試片分成兩組，用配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2的酸洗液對(duì)其中一組酸洗40s后觀察表面狀態(tài)并進(jìn)行尺寸測(cè)量，另一組酸洗60s后觀察表面狀態(tài)并進(jìn)行尺寸測(cè)量。酸洗后兩組試片表面均干凈、光亮，滿足酸洗后試件表面狀態(tài)要求，具體試片尺寸變化情況見(jiàn)表3。

表3 第三輪試片酸洗過(guò)程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從表3可以看出，用配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2的酸洗液對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試片分別酸洗40s和60s，試片的尺寸變化量與第二輪試驗(yàn)中先酸洗40s后再接著酸洗20s試片的尺寸變化量基本一致。因此酸洗時(shí)間控制在40s～60s試件尺寸的變化量滿足酸洗工藝的部件尺寸變化要求，并且變化幅度很小。

為驗(yàn)證同一酸洗工藝對(duì)不同尺寸試片的影響，進(jìn)行了第四輪酸洗試驗(yàn)。第四輪試驗(yàn)用配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2的酸洗液對(duì)70x50mm和70x30mm的兩種寬片進(jìn)行了酸洗，先將試片酸洗40s觀察試片表面狀態(tài)并進(jìn)行尺寸測(cè)量，之后再酸洗20s觀察表面狀態(tài)并進(jìn)行尺寸測(cè)量。酸洗后兩種寬片表面均干凈、光亮，滿足酸洗后試件表面狀態(tài)要求，具體試片尺寸變化情況見(jiàn)表4。

表4 第四輪寬片酸洗過(guò)程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表4可以看出，用配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2的酸洗液對(duì)70x50mm和70x30mm的兩種寬片進(jìn)行酸洗，酸洗40s和60s后試片的尺寸變化量均在3μm以下，滿足酸洗工藝的部件尺寸變化要求。

經(jīng)過(guò)四輪的酸洗試驗(yàn)，可以初步確定酸洗工 藝， 其 酸 洗 液 配 比 為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2，酸洗時(shí)間為40s～60s。

鈮鎢合金部件酸洗的一個(gè)目的就是去除試件表面的油污，為驗(yàn)證酸洗工藝對(duì)油污的去除效果，進(jìn)行了第五輪酸洗試驗(yàn)。第五輪試驗(yàn)將70x30mm的寬片表面涂上油污后在配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2的酸洗液中先酸洗40s觀察試片表面狀態(tài)并進(jìn)行尺寸測(cè)量，之后再酸洗20s觀察試片表面狀態(tài)并測(cè)量尺寸。酸洗40s和60s后試片表面均干凈、光亮，滿足酸洗后試件表面狀態(tài)要求，具體試片尺寸變化情況見(jiàn)表5。

表5 第五輪涂油后寬片酸洗過(guò)程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表5可以看出，用配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2的酸洗液對(duì)沾油的寬片酸洗40s和60s后試片尺寸變化量均在2μm以下，滿足酸洗工藝的部件尺寸變化要求。

通過(guò)五輪的酸洗試驗(yàn)，酸洗液配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2，酸洗時(shí)間為40s～60s的酸洗工藝滿足鈮鎢合金部件的酸洗要求。

為進(jìn)一步驗(yàn)證酸洗工藝的穩(wěn)定性，進(jìn)行了第六輪酸洗試驗(yàn)。本輪試驗(yàn)用配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2的酸洗液對(duì)70x50mm和70x30mm的兩種寬片和標(biāo)準(zhǔn)試片進(jìn)行了酸洗試驗(yàn)，將寬片先酸洗40s觀察試片表面狀態(tài)并進(jìn)行尺寸測(cè)量，之后再酸洗20s觀察表面狀態(tài)并進(jìn)行尺寸測(cè)量；將標(biāo)準(zhǔn)試片酸洗50s觀察試片表面狀態(tài)并進(jìn)行尺寸測(cè)量，具體試片尺寸變化情況見(jiàn)表6和表7。

表6 第六輪寬片酸洗過(guò)程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表7 第六輪試片酸洗過(guò)程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表6可以看出，用配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2的酸洗液對(duì)70x50mm和70x30mm的兩種寬片酸洗40s和60s后試片尺寸變化量均在3μm以下，滿足酸洗工藝對(duì)部件尺寸變化要求。從表7可以看出，用配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2的酸洗液對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試片酸洗50s后試片尺寸變化量在3μm以下，滿足酸洗工藝的部件尺寸變化要求。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)酸洗試驗(yàn)研究得出，用配比為：H2O：HF:H3NO3:H2SO4=5～6:1～1.2:2～2.5:1～1.2的酸洗液對(duì)鈮鎢合金部件酸洗40s～60s，可以實(shí)現(xiàn)鈮鎢合金部件表面去除油污和氧化皮，增加鈮鎢部件表面活性的目的，并且可以嚴(yán)格控制酸洗前后部件尺寸的變化量在10μm以內(nèi)。