钛合金腐蚀加工溶解行为和加工后疲劳性能研究

论文摘要

本文通过E-t曲线、动电位极化曲线和交流阻抗等电化学方法研究溶液主体成分浓度、添加剂种类及浓度、温度及搅拌速度对钛合金腐蚀加工溶解行为的影响，并结合环境扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等近现代物理方法探索钛合金腐蚀加工表面微观形貌与腐蚀溶解之间的关系，通过阳极反应与阴极反应动力学测试揭示钛合金在腐蚀加工溶液中的腐蚀动力学规律。最后对比了腐蚀加工和机械加工后试样的疲劳性能。溶液中氢氟酸浓度较低时，钛合金浸入溶液前几十秒钟自腐蚀电位迅速变正，然后缓慢变负，而在高浓度氢氟酸溶液中，开始阶段自腐蚀电位迅速变负，随后缓慢变正，可能是由于钛合金本身在空气中形成的氧化膜更容易被高浓度氢氟酸破坏，在加工过程中硝酸钝化作用与氢氟酸溶解作用同时存在，当两者速度相等时，不同浓度氢氟酸溶液中钛合金自腐蚀电位都处于相对稳定的状态。极化曲线有明显的活化-钝化区，随着溶液酸浓度增加，自腐蚀电位朝负向移动，腐蚀电流密度、维钝电流密度不断增加。阻抗谱高频区呈容抗特征，阻抗谱实部收缩程度随着溶液浓度增加而加剧，中低频区出现感抗现象，随着溶液浓度增加钝化膜保护作用不断减弱，感抗值呈下降趋势。扫描电镜和原子力显微镜测试结果表明随着硝酸浓度增大，钛合金表面凹坑明显变浅，凸起处平滑，表面更平整。氢氟酸与硝酸体积比为1:3时，钛合金有较小粗糙度值。复配添加剂SN和SR及单组分添加剂SN、SR、SF吸附等温线形状为Langmuir单分子层吸附等温线。溶液中含添加剂SR2mL/L、SN0.16g/L时，极化曲线测试结果表明钛合金自腐蚀电位有最负值，腐蚀电流密度达到最大，表面张力有最小值28.23×10-4N·m-1，其吸附量为15.10×10-6mol·m-2，添加剂SR和SN具有良好的复配效果。钛合金腐蚀倾向随着腐蚀加工溶液温度升高而增加，维钝电流密度呈线性增加规律。氢氟酸浓度分别为20、40、80mL/L时TC1钛合金表面活化能分别为2.526、1.748、0.232KJ/mol；TC4钛合金腐蚀加工活化能分别为1.368、1.111、0.205KJ/mol。Arrhenius曲线说明在相同环境条件下，TC4钛合金比TC1具有更强的腐蚀倾向。极限扩散电流密度随着溶液转速的增加不断增大，钛合金腐蚀程度逐渐加剧，在高速搅拌速度下进入钝化区变得更加困难。对腐蚀加工过程的阴阳极动力学进行测试发现阴极反应产生气体速度与阳极溶解速度基本一致。腐蚀加工阴极反应生成气体速度变化曲线开始阶段上升相对缓慢，随后曲线缓慢下降，最终随着反应的进行曲线逐渐趋于平稳；阳极溶解速率在腐蚀加工反应前几十秒迅速上升，随后小幅下降并逐渐趋于平稳，阳极溶解速率在最后阶段有下降的趋势。溶液中添加剂的加入能够提高阳极溶解速率。CO2、N2，H2为钛合金腐蚀加工最终生成的气体。溶液氢氟酸浓度为100mL/L，氢氟酸与硝酸体积比为1:2，溶液温度为30℃时抑雾能力达到73.1%76.1%，腐蚀加工选用的复配添加剂SN和SR有良好的抑制酸雾效果。腐蚀加工钛合金试样的疲劳性能优于机械加工钛合金试样的疲劳性能。在同一加载应力水平下，腐蚀加工试样的疲劳次数大于机械加工试样的疲劳次数。TC1腐蚀加工和机械加工试样的疲劳极限分别为350MPa和300MPa，TC4腐蚀加工和机械加工试样的疲劳极限分别为450MPa和400MPa。疲劳裂纹起源于表面R圆区根部附近区域。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 加工方法
• 1.2.1 机械加工
• 1.2.2 电化学加工
• 1.2.3 腐蚀加工
• 1.3 钛合金腐蚀加工工艺
• 1.3.1 腐蚀加工液配方的研究
• 1.3.2 腐蚀加工速度和表面质量影响因素
• 1.4 钛合金腐蚀加工溶解机理研究
• 1.5 本课题研究内容、意义
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究意义
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验材料、仪器、药品
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验试剂与仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 钛合金在腐蚀加工溶液中的电化学测试
• 2.2.2 添加剂吸附行为研究
• 2.2.3 腐蚀溶解表面微观形貌观察与分析
• 2.2.4 腐蚀动力学研究
• 2.2.5 钛合金腐蚀加工疲劳性能测试
• 2.3 技术路线
• 第三章 溶液成分对钛合金腐蚀溶解行为的影响
• 3.1 溶液成分对钛合金腐蚀溶解行为的影响
• 3.1.1 E-t曲线分析
• 3.1.2 极化曲线分析
• 3.1.3 交流阻抗分析
• 3.2 添加剂对钛合金腐蚀溶解行为的影响
• 3.2.1 钛合金腐蚀溶解过程中添加剂吸附行为的研究
• 3.2.2 电化学测试添加剂对腐蚀溶解行为影响
• 3.2.2.1 单组分添加剂极化曲线分析
• 3.2.2.2 复配添加剂极化曲线分析
• 3.3 腐蚀形貌观察
• 3.3.1 环境扫描电镜
• 3.3.2 原子力显微镜
• 3.4 本章小结
• 第四章 工艺参数对钛合金腐蚀溶解行为的影响
• 4.1 温度对钛合金腐蚀溶解行为的影响
• 4.1.1 E-t曲线分析
• 4.1.2 极化曲线分析
• 4.1.3 交流阻抗分析
• 4.1.4 活化能
• 4.2 搅拌对腐蚀溶解行为的影响
• 4.3 结论
• 第五章 腐蚀加工动力学研究
• 5.1 腐蚀动力学测试装置
• 5.2 腐蚀加工阳极反应动力学研究
• 5.3 腐蚀加工阴极反应动力学研究
• 5.3.1 腐蚀加工生成气体验证
• 5.3.2 阴极反应动力学研究
• 5.4 酸雾测试及酸雾抑制效果
• 5.5 本章小结
• 第六章 腐蚀加工钛合金的疲劳性能研究
• 6.1 疲劳试样
• 6.1.1 腐蚀加工疲劳试样
• 6.1.2 机械加工疲劳试样
• 6.1.3 疲劳实验方法
• 6.2 疲劳实验数据分析
• 6.3 疲劳断口形貌
• 6.3.1 宏观断口形貌
• 6.3.2 微观断口形貌
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢