钛和钛合金的等离子体除锈皮制造技术

本发明专利技术提供一种由钛或钛合金基质上的表面去除锈皮方法。该方法包括的步骤有加热基质到约１００℃到约６００℃的温度范围，之后使加热过的表面进行由选自ＣＦ↓［４］和ＳＦ↓［６］的气体所形成的等离子体的处理。等离子体与表面锈皮反应，除去锈皮，而不侵蚀下层结晶钛或钛合金。经过适当控制，当等离子体穿透锈皮后与下层结晶金属相遇时等离子体反应终止。结果，本发明专利技术的方法能均匀去除含结晶钛基质的整个表面锈皮，而没有基质的晶间腐蚀。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属和金属合金的表面处理，以便除去自然地或因热处理工艺产生的表面锈皮。更准确地说，本专利技术涉及使钛和钛合金的飞机构件表面经过反应等离子体的处理而除去这些表面锈皮的方法。
技术介绍
钛及其合金用于飞机制造业中。使用这些金属不仅制备飞机的外表皮，而且还制作内部支撑结构，因为它们重量轻而强度高。为了达到所要求的物理性能，钛合金首先要进行热处理。然而，热处理会导致在金属外表面上形成致密，紧紧粘附的氧化物。这种氧化物的厚度为约0.001到约0.010英寸内，在随后的机加工、成型或连接操作前必须除去。覆盖有锈皮的部件不能由焊接连结。α-硬壳(alpha case)是难以机加工的，能引起工具过度磨损和破裂。另外，α-硬壳的锈皮还能引起可导致严重损坏的钛破裂。通常，目前所采用的方法是将氧化物锈皮通过金属在一系列的化学制剂浴中处理而除去的。某些这些化学制剂槽含有浓碱溶液，而另外一些含有剧毒和腐蚀性酸，包括硝酸和氢氟酸。结果，与这些腐蚀性化学品接触的浴和辅助装置必须用耐侵蚀的昂贵的进口材料制造。为了除去表面氧化物锈皮，把热处理过的钛合金在各化学品浴内浸渍一段时间。浸渍时间要考虑使锈皮有足够的时间以溶解在酸中，而在下层钛合金基体上没有显著的晶间腐蚀。这种估计得最好也是不准确的，有时导致伴随有最后的晶间腐蚀而浸渍过度，或浸渍不足，而在另一些场合中会导致残留的薄锈皮层的滞留。在某些情况下，同一飞机构件的一些表面，在其表面的某些部分可能暴露过度(因而被浸蚀)，而其表面的另外一些部分则暴露不足(因而还保留薄锈皮层)。为把这些影响降至最低限度，有时对部件会过蚀的区域设计用过量的材料，或者在部件循环过程中用掩蔽组合物覆盖该区域。另外，在侵蚀循环过程中，由于部件的上部较下面浸渍部分浸蚀得更快，所以部件至少要颠倒一次。在酸洗过程中产生的一些氢也有可能迁移进入能引起“氢脆”的合金结构中，这是显著降低疲劳强度的严重问题。为了将此问题减至最小程度，处理过的部件将必须进行烘焙以便除去氢。除了所有这些问题外，化学品浴的处理系统还会产生含重金属离子的有害废水，这些废水必须以环境上可接受的方式进行处置。这种的处理正日益变得昂贵。目前存在着一种对用于飞机工业中的钛和钛合金构件上所形成的致密氧化物锈皮去除方法的需求。该方法应当不产生，或产生非常少的需处置的有害废物。此外，该方法应当是成本有效的，可以迅速清洗大量构件。为了避免下层金属的显著晶间腐蚀，工艺应当是可控的，而同时还能完全除去表面的锈皮。专利技术概述本专利技术提供一种去除因热处理结晶钛和钛合金所产生的氧化物锈皮的方法。该方法特别适合由大量钛或钛合金基体如飞机构件上去除这种锈皮。此外，与化学品浴浸渍技术相较，这种方法产生非常少的有害废物。方法是成本有效并去除锈皮的速度至少每小时约0.0001英寸，优选至少约0.0005-约0.002英寸。本专利技术方法包括加热覆盖有表面锈皮的钛或钛合金基体到足够高的温度，以促进锈皮的化学成分以工业上有效速度与能产生氟离子的气体，如CF4和SF6等的气体所产生的等离子体，进行反应。通常，加热基体达到约100℃到约600℃温度范围。等离子体与锈皮反应，除去了氧化物锈皮和任何α-硬壳。重要的是，在下层结晶钛或钛合金基体上没有晶间腐蚀条件下完成的。当等离子体与锈皮反应后，等离子体遇到下层金属基体时，等离子体反应自动终止。因此，本专利技术提供的方法不仅能去除表面锈皮，而且在基体的全部表面上还能同样均匀地进行去除。有利的是，本专利技术方法可在市场上能买到的某些等离子体发生室内完成，尤其是按本专利技术适当地进行修饰。优选方案是，但非必要的，等离子体室装有辐照、感应、动力或导热加热设备，以便使放置在所述室内的钛或钛合金基体可被加热到如上所述要求的温度范围。之后，使加热过的构件用与之反应的等离子体处理并去除表面的锈皮。附图的简要说明通过与附图一起参照下列详细说明进行理解时，对本专利技术的上述各方面和许多附带的优点能更好地理解，附图是表示钛合金基质的示意截面图，它具有遭受侵蚀的上表面的一个侧面，和覆盖有粘合的硅掩蔽层的上表面另一侧面。优选实施方案的详细描述为去除热处理工艺过程中所形成的氧化物和α-硬壳的厚锈皮，本专利技术提出了在热处理过的钛和钛合金表面处理中的重大问题。按照本专利技术，氧化物锈皮和α-硬壳(即使有的话)很容易除去而不会明显产生有害的废物副产物。有利的是，本专利技术方法可使用经适当改装过的常规装置实施。例如，等离子体除锈步骤就可在适于由能产生氟离子的气体所产生的等离子体的任何适当室内进行。该室可任选地通过安装对流的、感应的或辐射加热设备进行改装，以便能首先预热待处理的基体到从约100℃到约600℃范围的温度，优选约150℃-约550℃，最好约220℃-约520℃。另外，钛或钛合金基体也可在炉内预热然后转移到等离子体室。任选地，根据本专利技术，待除锈皮的热处理过的钛或钛合金基体的表面，首先使用常规技术进行清洗以便去除表面上的灰尘和污物。由于钛或钛合金，已进行过热处理，金属呈晶体状并且表面锈皮紧密地粘附在下层晶体金属上。通常，氧化物锈皮厚度在约0.001-0.010英寸。此外，在某些情况下，在热处理过的金属表面上也形成薄锈皮或α-硬壳层。这种α-硬壳层通常的厚度为0.001-约0.007英寸范围。如上所述，为了制备随后机加工、成型或连接操作的金属部件，表面锈皮，不管是否是氧化物，α-硬壳，或者两者都有，都必须除去。根据本专利技术，清洗过的金属基体首先被加热到这样的温度范围，在该温度范围内，由产生氟化物离子的气体，如CF4或SF6气体，所形成的等离子体与锈皮反应然后除去锈皮而在下层结晶金属基体上没有晶间腐蚀。优选的是，基体被加热到约100℃-约600℃的温度范围，更好的是约150℃-约550℃的范围温度，和最好的是约220℃-约520℃。优选地在室外预热基体然后再放入室内，或者在室内通过辐射、传导、感应或动力方法进行加热。然后作为通用的，将等离子体室抽真空至约2-约10帕斯卡，优选低于8帕斯卡的压力。形成等离子体的无水气体，要以足够产生氟离子有效浓度的流速引入室内。这样，例如，就6.3升体积的室来说，除了每分钟从约1-约5标准立方厘米流速的较少量的无水氧和/或氩以外，产生氟离子气体的流速为每分钟约20-约80标准立方厘米。形成等离子体的气体可选自在进行射频放电处理时能产生氟离子的任何气体。这样，例如，产生氟离子的气体实例可以是碳氟化物、硫的氟化物、磷的氟化物等。优选的是，对于SF6来说，功率浓度(Power concentration)至少约1.0瓦/厘米，而对CF4来说至少约0.5瓦/厘米。通过控制基体的温度，可在无下层结晶金属的晶间腐蚀下完成去除锈皮。任选地，基体温度要小心地提高到使基体表面能轻微侵蚀。然而，有利的是，根据本专利技术，当等离子体已与全部锈皮反应，不管锈皮是氧化物还是α-硬壳，并且等离子体遇到下层晶体金属基体时，等离子体反应自动终止。由于α-硬壳不能均匀地在金属基质的表面上形成，按微电子标准，α-硬壳的去除会导致具有某些粗糙的表面。然而，按航天和航空标准，表面的光洁度是极好的。重要的是，要焊接的航天航空钛部件通常具有约30到约60范围的Ra表面光洁度。这种表面光洁度范围只有采用本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由飞机构件下层结晶钛或钛合金体表面去除因热处理诱发的锈皮的方法，该方法包括：（ａ）加热飞机构件表面至少达到约１００℃－约６００℃的温度范围；（ｂ）通过飞机构件加热过的表面与由选自ＣＦ↓［４］和ＳＦ↓［６］的气体所产生的等离子体反 应以除去锈皮，而在锈皮下方的下层结晶钛合金没有晶间腐蚀而除去表面上的锈皮；和（ｃ）当等离子体已与整个锈皮反应并与下层结晶钛或钛合金相遇时自动终止反应。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：小赫伯特S古德，琼A尼尔森，拉里E尼奇，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]