[发明专利]钛和钛合金的等离子体除锈皮

说明书

                        发明领域

本发明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，本发明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。

                        发明背景

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。

                        发明概述

本发明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。

本发明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，本发明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，本发明方法可在市场上能买到的某些等离子体发生室内完成，尤其是按本发明适当地进行修饰。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，对本发明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