钛钢复合板TA2钛复层表面洁净处理工艺

钛钢复合板TA2钛复层表面洁净处理工艺

刘持云

山东翔天重工科技有限公司    山东省淄博市   255000

摘要：钛复合板是以普通碳钢为底层，纯钛或钛合金为覆层的先进层状金属复合材料。有了钛的强耐腐蚀性，又有了普通钢的塑性和强度，经济性强；价格只有纯钛的四分之一，广泛应用于石油化工、真空制盐、海洋工程等领域。轧制钛－钢复合板的工艺流程包括表面处理、组装密封、加热轧制、切割分割等。钛板和钢板在组装前需要进行表面处理，去除钢坯表面的气体、灰尘、油脂、氧化膜等污垢。表面处理作为制备钛-钢复合板的首要工序，是保证复合界面纯净度的重要前提，高纯度、洁净的复合界面是影响后续轧制结合质量的关键因素。主要分析了钛复合板TA2钛镀层的表面清洁处理技术。

关键词：TA2工业纯钛；表面处理；喷砂；酸洗；激光清洗

引言

近年来，钛钢复合板表面处理主要集中在钢基层处理上，而钛基层表面处理很少报道。受钛层特定物理化学性质的影响，钛在200c处吸入氢，在400c处吸入氧，在600C处吸入氮。如果当时没有选择表面处理方法，那么钛层表面很容易产生脆弱的表面，如尾矿过程中的氧化物目前主要采用机械加工、化学处理和激光处理去除表面油脂、氧化钛薄膜和钛合金，得到高纯度钛层表面。机械加工方法主要采用机床、研磨机、磨料喷射等，尽管它可以有效去除表面氧化物，但处理起来需要时间，而且处理钛层的表面积较大，厚度较薄也比较困难。化学处理方法包括碱洗、化学涂层等，并适用于清洗细件但留下腐蚀液体和气体的吸附层。激光处理常被用作金属钛表面改性的手段，其清洁程度受其功率参数等因素的影响，尚未引入大规模工业生产，需要进行试验因此，要回答这些关键问题，就必须深入研究钛金属复合板中钛层表面的清理过程。

1、实验材料与方法

采用喷砂、酸洗、激光清洗等工艺分别对TA2工业纯钛板进行表面处理，其中喷砂处理时砂粒采用400目石英砂；酸洗处理采用（3mlHF+37mlHNO3+60mlH2O）混酸液；激光清洗采用HST-100型激光清洗机，中心波长为1064nm，最大输出平均功率为100W，最大激光脉冲频率为200kHz。采用线切割将三种不同表面处理后的TA2纯工业钛板切割成尺寸为10mm×10mm×10mm的试样。采用金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）对不表面处理工艺后试样表面及纵截面进行形貌观察，采用EDS对表面成分进行能谱分析。采用Qness60型维氏硬度计分析TA2基体及不同表面处理后试样的表面显微硬度。

2、结果

2.1喷砂处理

喷砂处理后TA2工业纯钛板的表面形貌，为确定氧化层厚度，对垂直于试样表面的纵截面进行形貌观察，对不同位置处进行EDS能谱分析，发现喷砂处理后TA2表面凹凸不平，无明显金属光泽并呈暗灰色。经SEM形貌观察发现，喷砂后TA2表面呈沟壑状，基体中嵌入了不规则颗粒，粒径大小约在30μm以下。对表面中的1~4位置处进行EDS分析发现，喷砂处理后TA2表面存在明显的O、Si元素，O元素含量在6wt%~10wt%之间，Si元素含量在7wt%以下，其中O元素为表面氧化皮残留，Si元素表明了基体中嵌入不规则颗粒为喷砂中的石英砂所致。可以发现试样表面存在一层均匀分布且富含Ti、Si的致密氧化层，厚度约为2μm，而6位置处无明显O、Si元素，与TA2基体成分相一致。该现象表明采用喷砂处理后TA2表面洁净程度较差，存在氧化皮及石英砂残留，不利于后续钛复层与钢基层的轧制复合。

2.2激光清洗处理

为探究激光清洗对钛复层表面处理的可行性，首先采用实验得出清洗TA2工业纯钛板的优异工艺参数：采用平均输出功率100W，激光脉冲频率为100kHz，激光清洗速度为35mm/s。可以发现激光处理后试样表面相对明亮，露出新鲜金属光泽，然而四周边缘位置处由于激光能量聚集产生明显的过热现象呈黑束状。对试样表面及截面进行OM形貌观察。结果表明，激光清洗后TA2表面呈规则排列的环状，同时表面产生了一层致密分布的重熔层，厚度约为20μm。分析认为，规则环状组织的产生主要分为以下三个阶段：激光表面相变、激光表面熔化、激光表面气化。第一阶段TA2表面温度升高，当温度超过相变点但低于熔点时，致使组织单一的α相转变为α’马氏体相；第二阶段温度继续升高，当温度超过钛材熔点但低于气化点时，TA2发生熔化并形成熔池；第三阶段由于激光能量密度大，钛材表面温度达到气化点并产生TA2金属蒸汽，在激光热能的作用下，TA2金属蒸汽在反冲压力下重新熔覆在基体表面，最终形成一个个规则排列的环状组织。另一方面，由于激光处理瞬时温度较高，激光处理结束后被清洗区域产生快速凝固，最终导致TA2表面产生一层均匀分布的重熔层，重熔层厚度与激光功率及作用时间有关，且激光功率越大，作用时间越长，重熔层厚度越大。为进一步探究激光清洗程度以及对TA2基体的影响，对表面不同位置处进行EDS能谱。

结果表明，激光清洗处理可以有效去除TA2表面氧化皮，且并无其他夹杂物产生，O元素含量均在5wt%以下。然而明显发现，激光清洗处理导致TA2表面产生明显的脆裂现象。分析认为，激光处理第一阶段已导致TA2表面发生马氏体相变，致使材料硬度上升。此外，激光处理结束后，由于过冷度极大，材料表面历经快速加热及冷却，导致熔覆层金属产生成分偏析，引发局部应力集中最终产生脆裂。此外，激光清洗边缘位置处由于能量密度集中且瞬时温度过高，导致TA2表面重新产生氧化层，在电镜下呈白亮色，O元素含量由中心处的3wt%上升至10wt%以上。对此，虽然激光清洗处理可有效去除TA2表面氧化层，但金属表面由于激光热能作用易产生脆裂现象，且清洗边缘处易重新生成氧化物，故该方法尚不完全适用于钛钢复合板的钛复层表面处理，还需对激光清洗的工艺参数进行优化改进。

3、结论

1)TA2样品在0.5mol/lh2SO4+2g/ich4N2s溶液中以电流密度10mA/cm2电充电。当氢膨胀时，形成了主要由TiH1.5组成的氢钛层，氢钛的厚度随时间而增大。2）随着加载时间的增加，在未加载氢的情况下，硫酸中氢-2先导模式的自动校正电位偏差逐渐从-0.7v增加到约0V，并转变为钝化状态，从而降低腐蚀的脆弱性；同时，Rp极性电阻在未加载氢的情况下逐渐从0.2kb增大到24.1kbcm2，从而产生腐蚀性能。3)注入氢后TA2样品在熔融溶液中的腐蚀程度随着氢时间的增加而降低，腐蚀速率随氢时间的增加而降低。与4.63mm/a的无载氢腐蚀速率相比，样品腐蚀速率下降到0.03mm/a，下降到2个数量级。4)在刻蚀溶液中，TA2样品表面产生的氢钛弹受到保护，保护效果通过氢钛的强度得到加强。Ti基本体的保护由样品表面氢钛及其结构除了成分外还受到保护。完全致密的氢钛是对it基本体的极好保护，而松散的氢钛不仅能保护it基本体，而且还能促进it基本体的腐蚀。

结束语

磨料辐射后TA2的表面由块状物组成，由氧化物和化石燃料组成，即厚度约为ca的o元素。2mwt%到10WT%之间，表面粗糙约为ca。290HV.酸后，TA2的表面被完全去除，腐蚀深度的颗粒被部分覆盖，再用丙烯腈清洗，表面粗糙度接近。220HV在TA2的基础上，是处理钛复合层的更合适的方法。TA2表面在激光清洗后排列成常规环形，形成约20μm厚的重层。TA2表面虽然被有效去除，但由于直接温度导致表面断裂，硬度增加到385HV。

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