一、鈦和鈦合金的概述：
Ti在地殼中的豐度為0.56%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),在所有按元素中居第9位,而在可作為結(jié)構(gòu)材料的金屬中居第4位,僅次于Al、Fe、Mg,其儲(chǔ)量比常見金屬Cu,Pb,Zn儲(chǔ)量的總和還多。我國(guó)鈦資源豐富,儲(chǔ)量為世界第一。鈦合金的密度小,比強(qiáng)度、比剛度高,抗腐蝕性能、高溫力學(xué)性能、抗疲勞和蠕變性能都很好,具有優(yōu)良的綜合能,是一種新型的、很有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料。近年來(lái),世界鈦工業(yè)和鈦材加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展,海綿鈦、變形鈦合金和鈦合金加工材的生產(chǎn)和消費(fèi)都達(dá)到了很高的水平,在航空航天領(lǐng)域、艦艇及兵器等軍品制造中的應(yīng)用日益廣泛,在汽車、化學(xué)和能源等行業(yè)也有著巨大的應(yīng)用潛力。
2001年以來(lái)鈦得到了更加廣泛的應(yīng)用，在一些新興市場(chǎng)上應(yīng)用的跡象得到了增長(zhǎng)，如汽車、石油和天然氣。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，汽車上的用鈦量將不斷增加，成為鈦應(yīng)用的一個(gè)更有保障的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。在高端消費(fèi)品領(lǐng)域鈦合金的應(yīng)用也已經(jīng)基本成熟，如鈦合金在高爾夫球桿和網(wǎng)球拍上的應(yīng)用。當(dāng)今社會(huì)老齡化問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，醫(yī)藥市場(chǎng)對(duì)鈦需求量不斷增加，每年正以5%～7%的速度增長(zhǎng)，在生物醫(yī)藥部門鈦已成為另一個(gè)熱門且具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。以上新興市場(chǎng)鈦的消費(fèi)量每年都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2001年鈦消費(fèi)量為6000噸，2006年增加到10000噸。2007年以后隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)防事業(yè)的需要，國(guó)際市場(chǎng)對(duì)鈦合金產(chǎn)品的需求大幅增加，特別是航空航天領(lǐng)域?qū)⒊蔀槲磥?lái)幾年國(guó)際市場(chǎng)的主要消費(fèi)和應(yīng)用領(lǐng)域。
鈦及鈦合金具有許多優(yōu)良特性,主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:
(1)比強(qiáng)度高。鈦合金具有很高的強(qiáng)度,其抗拉強(qiáng)度為686~1 176 MPa,而密度僅為鋼的60%左右,所以比強(qiáng)度很高。
(2)硬度較高。鈦合金(退火態(tài))的硬度HRC為32~38。
(3)彈性模量低。鈦合金(退火態(tài))的彈性模量為1.078@105~1.176@105MPa,約為鋼和不銹鋼的一半。
(4)高溫和低溫性能優(yōu)良。在高溫下,鈦合金仍能保持良好的機(jī)械性能,其耐熱性遠(yuǎn)高于鋁合金,且工作溫度范圍較寬,目前新型耐熱鈦合金的工作溫度可達(dá)550~600e;在低溫下,鈦合金的強(qiáng)度反而比在常溫時(shí)增加,且具有良好的韌性,低溫鈦合金在-253e時(shí)還能保持良好的韌性。
(5)鈦的抗腐蝕性強(qiáng)。鈦在550e以下的空氣中,表面會(huì)迅速形成薄而致密的氧化鈦膜,故在大氣、海水、硝酸和硫酸等氧化性介質(zhì)及強(qiáng)堿中,其耐蝕性優(yōu)于大多數(shù)不銹鋼。
二、鈦合金蝕刻機(jī)加工的研究進(jìn)展：
蝕刻機(jī)加工作為一種化學(xué)切削加工技術(shù)，其歷史可以追溯到很久遠(yuǎn)的年代。在歐洲，化學(xué)蝕刻機(jī)加工到15世紀(jì)變得流行起來(lái)，當(dāng)時(shí)主要是用于鎧甲的加工及藝術(shù)品的蝕刻機(jī)加工。最早的歐洲文字記載所有的蝕刻液配方是用鹽、活性炭和醋配制而成。記載最早的防蝕材料是用亞麻油涂料做保護(hù)層，稍晚一些的記載也有用石蠟作為防蝕劑。
17 世紀(jì)是一個(gè)醫(yī)藥化學(xué)和試驗(yàn)酸、堿對(duì)各種不同材料影響的時(shí)代。約翰·格萊伯在這方面取得了不少的進(jìn)展，其中包括對(duì)鹽酸制造方法的改進(jìn)。在這一時(shí)期化學(xué)腐蝕技術(shù)在未來(lái)航空工業(yè)上的應(yīng)用也顯露出來(lái)。當(dāng)時(shí)人們采用酸和鐵屑反應(yīng)的方法來(lái)制取氫氣球進(jìn)行升空。這就是說(shuō)，在人們企圖飛行的最初階段，已開始利用酸的腐蝕能力來(lái)幫助航空事業(yè)的發(fā)展。到 20 世紀(jì) 60 年代中期，由于蝕刻機(jī)加工及防蝕技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)使蝕刻機(jī)加工成為一種非常有實(shí)用價(jià)值的生產(chǎn)加工方法，在航空航天工業(yè)中得到廣泛應(yīng)有。
蝕刻機(jī)加工技術(shù)和其它技術(shù)相比，它能使許多零件更簡(jiǎn)單、更容易、更便宜地生產(chǎn)出來(lái)，為一些零件的加工提供了機(jī)械加工方法難于實(shí)現(xiàn)的一種方法。同時(shí)，蝕刻機(jī)加工作為一種精密而科學(xué)的化學(xué)加工技術(shù)，在多種金屬材料上被大量用于腐蝕各種不同的圖文及外形加工。近幾十年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)防事業(yè)的需要，蝕刻機(jī)加工技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越被人們重視。例如：旅游紀(jì)念品的開發(fā)，銘牌、獎(jiǎng)牌、編碼盤和顯示屏電極的制作、印花輥筒和模版、精細(xì)零件等，都離不開蝕刻機(jī)加工技術(shù)。
三、鈦合金化學(xué)蝕刻機(jī)加工液配方：
鈦合金蝕刻機(jī)加工液中主要含有蝕刻液、氧化劑和添加劑： (1)蝕刻液
鈦合金蝕刻機(jī)加工液中 HF是超過(guò)其它任何酸的強(qiáng)蝕刻液。在室溫的 HF 溶液中，鈦就能被腐蝕，隨著酸濃度的增加，腐蝕速度明顯增大。
(2)氧化劑
H2CrO4和 HNO3為蝕刻機(jī)加工液中常用的氧化劑，早期鈦的蝕刻機(jī)加工，在美國(guó)廣泛采用的蝕刻液是以 HF 和 H2CrO4為基礎(chǔ)的混酸型蝕刻機(jī)加工液，隨后英國(guó)人采用 HF 和 HNO3為基礎(chǔ)的混酸型蝕刻機(jī)加工液。但 H2CrO4成本高、對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重、反應(yīng)后試樣易氫脆;而 HNO3作為強(qiáng)氧化劑，有強(qiáng)烈的氧化性，使氫氣隨即被氧化成水，抑制了吸氫反應(yīng)，使鈦表面吸附的氫減少。
(3)添加劑
添加劑具有改善試樣表面質(zhì)量的作用，鈦合金蝕刻機(jī)加工時(shí)要防止試樣表面產(chǎn)生氣溝、蝕溝、波紋、壟狀物、麻點(diǎn)等缺陷，同時(shí)還要注意減少吸氫量，防止材料發(fā)生氫脆，優(yōu)良的表面活性劑要具有降低表面張力、潤(rùn)濕等多種作用，一種添加劑很難同時(shí)具備這些作用，所以需要同時(shí)加入幾種添加劑通過(guò)協(xié)同作用在不影響材料機(jī)械性能的前提下達(dá)到蝕刻機(jī)加工精度要求。鈦合金蝕刻機(jī)加工選擇加入添加劑種類時(shí)要考慮以下幾個(gè)方面：
?、?反應(yīng)過(guò)程中是否可以減少試樣表面的吸氫量，防止氫脆; ② 對(duì)試樣加工前后各項(xiàng)力學(xué)性能無(wú)任何影響; ③ 試樣腐蝕溶解速度均勻，提高試樣表面質(zhì)量;
?、?不影響蝕刻機(jī)加工液各成分發(fā)揮效用，使蝕刻機(jī)加工液壽命延長(zhǎng)。 四、蝕刻機(jī)加工的優(yōu)點(diǎn)和局限性： 蝕刻機(jī)加工具有諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于某些用機(jī)械方法難于加工的零件確實(shí)有其獨(dú)到之處：
① 能加工高硬度高韌性的金屬材料;
?、?能加工復(fù)雜形狀的工件，如單雙曲度薄壁工件等;
③ 加工過(guò)程中無(wú)機(jī)械力，無(wú)加工應(yīng)力，對(duì)工件幾乎無(wú)剛度要求; ④ 蝕刻機(jī)加工時(shí)工裝設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)廉;
?、?能加工沿著整個(gè)長(zhǎng)度方向上截面均勻變化的，長(zhǎng)而薄的錐形工件; ⑥ 蝕刻機(jī)加工能不間斷的進(jìn)行工件加工且能很快加工出想要的各種形狀。 但蝕刻機(jī)加工也不是一種萬(wàn)能的加工方法，它也會(huì)受到很多因素的限制。其中最主要的限制為：
a. 蝕刻機(jī)加工只能以零件原有的表面狀態(tài)為基準(zhǔn)，累進(jìn)式進(jìn)行切削。因此經(jīng)蝕刻機(jī)加工后的零件形狀及表面質(zhì)量，與零件原始的形狀及表面質(zhì)量有直接關(guān)系。更多的情況是經(jīng)蝕刻機(jī)加工后的加工表面完全與原來(lái)的初始基準(zhǔn)表面狀態(tài)保持平行。從這些限制可以看出，蝕刻機(jī)加工不能用表面粗糙的板材、棒材等來(lái)加工形狀復(fù)雜的零件;
b. 蝕刻機(jī)加工不可用于加工窄而深的凹槽，這是因?yàn)樵?a href="/wjsksb/biaoshibiaopaishikeji/176.html">蝕刻機(jī)加工反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡會(huì)集聚在防蝕層邊緣的下面，這些堵在防蝕層下面的氣泡把金屬表面與蝕刻液隔開，造成一種非常不規(guī)則的腐蝕，形成很不整齊的邊緣，這對(duì)于深度大的零件加工非常不利;
c. 不能用蝕刻機(jī)加工方法進(jìn)行鉆孔，蝕刻機(jī)加工鉆孔和機(jī)械方法及電解方法鉆孔都不相同，它不能加工出后面兩者所能加工出來(lái)的孔形。選擇合適的工藝方法可以鉆出孔壁平直的孔來(lái)，而蝕刻機(jī)加工鉆孔只能鉆出不規(guī)則的錐形孔。對(duì)于深度蝕刻機(jī)加工鉆孔由于腐蝕時(shí)間長(zhǎng)，而使公差增大，所以蝕刻機(jī)加工鉆孔一般不采用;
d. 蝕刻機(jī)加工過(guò)程中各種酸液揮發(fā)，易造成環(huán)境污染，影響人身健康。 五、鈦合金精密蝕刻機(jī)加工：
蝕刻機(jī)加工的尺寸精度受兩個(gè)方面的影響：a、蝕刻機(jī)加工本身在加工過(guò)程中所產(chǎn)生的偏差，這是由各個(gè)被加工表面上不同腐蝕速度造成的，這就使得腐蝕去掉的金屬厚度或腐蝕深度有了差異。b、被腐蝕材料的精度，這是指零件在進(jìn)行化學(xué)腐蝕之前，原材料本身即已存在的偏差，也稱為毛胚偏差。蝕刻機(jī)加工中的公差是這兩個(gè)精度偏差的總和，所以在進(jìn)行蝕刻機(jī)加工時(shí)必須要把這兩個(gè)偏差都計(jì)算在內(nèi)，否則經(jīng)蝕刻機(jī)加工的零件會(huì)有很大程度的尺寸偏差。蝕刻機(jī)加工的加工公差主要受以下幾個(gè)因素的影響：
?、?零件材料成分的影響：
同一蝕刻機(jī)加工液對(duì)不同材料的蝕刻機(jī)加工速度和側(cè)蝕率不同，從而使不同材料腐蝕后得到不同的表面精度。然而，即使同一種材料也可能因?yàn)椴牧闲吞?hào)和批次的不同而產(chǎn)生不同的腐蝕速度及效果，在同一腐蝕液中也會(huì)產(chǎn)生不同的腐蝕公差。
② 零件尺寸大小的影響： 不同于小型零件的蝕刻機(jī)加工，對(duì)于一個(gè)大型的板材零件如果是垂直放于腐蝕槽中，經(jīng)腐蝕后由于蝕刻機(jī)加工速度的不同會(huì)出現(xiàn)下薄上厚的錐形，所以在計(jì)算公差時(shí)也應(yīng)把這種由于蝕刻機(jī)加工本身造成的公差計(jì)入總公差。對(duì)于小型零件這種現(xiàn)象可以忽略不計(jì)。
?、?蝕刻機(jī)加工深度的影響：
蝕刻機(jī)加工深度的大小與零件在腐蝕液中浸泡時(shí)間的長(zhǎng)短有直接關(guān)系，蝕刻機(jī)加工深度越深，零件在腐蝕液中浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，蝕刻機(jī)加工液中發(fā)生腐蝕溶解反應(yīng)，其中各種化學(xué)成分的組分和濃度變化也越來(lái)越大，進(jìn)而使蝕刻機(jī)加工速度及腐蝕效果變化增大。同時(shí)過(guò)深的蝕刻機(jī)加工，當(dāng)深度達(dá)到一定值后，由于濃差極化及腐蝕殘?jiān)某练e，其腐蝕溶解行為及機(jī)理行為也會(huì)發(fā)生變化。
?、?蝕刻液的影響：
因蝕刻機(jī)加工溶液主體成分和濃度的不同，對(duì)零件的蝕刻機(jī)加工速度和表面質(zhì)量有一定的影響。隨著溶液中蝕刻液和氧化劑濃度的改變，蝕刻機(jī)加工速度也會(huì)隨之改變，這時(shí)對(duì)零件表面質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響零件總公差的改變。
六、蝕刻機(jī)加工對(duì)材料力學(xué)性能的影響:
金屬經(jīng)蝕刻機(jī)加工后，原有力學(xué)性能會(huì)受到一定的影響，這種影響隨著腐蝕程度的增加而加大
