由于鈦合金的化學活性高，在熱成型或熱處理加熱過程中容易與空氣中的氧、氮、氫等氣體發生反應形成表面污染，會導致表面一定深度范圍內的顯微硬度升高和顯微組織發生變化，并降低鈦合金的塑性、沖擊吸收能量和疲勞強度。基于最小缺陷的可檢測性及檢測靈敏度優先的原則，金相檢驗法是最常用的表面污染層檢驗方法，GB/T23603—2009《鈦及鈦合金表面污染層檢測方法》規定了金相檢驗法檢驗鈦合金表面污染層的試驗方法，但是對檢驗中如何選擇科學、合理的拋光工藝參數和浸蝕劑并沒有明確的規定。

正交試驗法是從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，是研究多因素多水平的一種高效率、快速、經濟的試驗設計方法。逼近于理想值的排序方法(TOPSIS)是有限方案多目標決策的綜合評價方法之一，通常用于對多個不同的工藝方案進行適應性評估，從而選擇出最佳方案。來自航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司的譚瑤、王大為、陳超英等研究人員使用正交試驗法和TOPSIS法，對鈦合金精密鑄件表面污染層進行檢驗，選出磨樣最優參數組合和最優金相浸蝕劑。

01、樣品準備

試驗材料為TC4鈦合金鑄件，其生產工藝為：蠟模制備→制殼(涂料、掛砂、焙燒)→真空熔煉→離心澆注→脫殼處理→精整→無損檢測→熱等靜壓處理→成品，表面污染層的檢驗流程如圖1所示。

圖1 TC4鈦合金表面污染層檢驗流程

在TC4鈦合金精密鑄件上取10mm×10mm×10mm的試樣，為了準確檢驗表面污染層的深度，取樣和試驗時應嚴格保護試樣表面，防止試樣邊緣倒圓以及表面污染層碰傷或脫落。鑲樣選用具備加熱、加壓和計時功能且溫度、壓力和時間可調的BUEHLERS implimet 3000型金相試樣鑲嵌機。通過熱鑲法制備的試樣，在打磨、拋光過程中可避免發生試樣邊緣倒圓和表面污染層脫落的問題，同時各試樣之間差異較小，因此能夠滿足表面污染層檢驗的要求。

02、磨樣工藝參數選擇

表面磨痕難以去除是鈦合金金相試樣制備的常見問題，手工磨樣需要長時間的經驗積累才能獲得滿意的制樣效果，而且存在費時費力、制樣質量不穩定的問題。采用BUEHLER Ecomet 250型全自動磨樣機，能夠實現試樣與砂紙盤的同步反向旋轉，顯著提高了磨樣效率。基于全自動磨樣機的轉速、壓力和時間可調節的特點，設計了試驗，試驗參數和水平如表1所示，試驗結果如表2所示。

表1 正交試驗因素水平表

得到正交試驗數據后，對表面劃痕數做了極差分析，從試驗結果可以看出，各制樣打磨工藝參數對制樣質量的影響程度依次為：壓力、拋光機轉速、拋光時間。理論上，若要使表面劃痕最少，把各因素的最佳水平簡單地組合起來即為最優工藝參數組合，即拋光機轉速300r·min-1、拋光時間2min、壓力30N。實際選取時，還應區分各因素的重要程度，主要影響因素應該選取最佳水平，但對于次要因素可以根據實際情況(節約資源、操作方面等)選擇合適的水平。壓力和拋光機轉速為重要因素，因此選擇最佳水平，拋光時間影響程度最小，考慮到效率和成本，選擇1min較合適。最終確定最佳拋光工藝參數為拋光機轉速300r·min-1、拋光時間1min、壓力30N。

表2 正交試驗結果

03、浸蝕劑選擇

試樣經上述最佳磨樣工藝處理后，進行浸蝕。目前常用的鈦合金金相試樣浸蝕劑有3種。基于TOPSIS綜合評價原理，選擇了浸蝕時間、浸蝕劑配制難易程度、人員安全性、觀察污染層所需最小放大倍數以及淺污染層邊界顯現度等5項評價指標，對不同的浸蝕劑進行綜合評價，從而確定合適的浸蝕劑。

TOPSIS方法對原始數據進行同趨勢和歸一化的處理后，消除了不同指標量綱的影響，借助虛擬的正負理想解對試驗方案進行優劣排序。

對3種浸蝕劑的綜合評價原始數據如表3所示，各方案的歐式距離及相對接近度如表4所示。

表3 3種浸蝕劑的綜合評價

表4 各方案的歐式距離及相對接近度

由表4的計算分析結果可得，不同浸蝕劑綜合效果的排序依次為：3>2>1。在區分試樣基體顯微組織和表面污染層邊界時，3號浸蝕劑的效果最佳，尤其是當表面污染層厚度較薄或者表面污染程度較輕時，采用1號和2號浸蝕劑有時不能有效地顯現表面污染層，而3號浸蝕劑則可以清晰地顯示表面污染層。采用各種浸蝕劑制出試樣的表面污染層微觀形貌見圖2。

圖2 不同浸蝕劑浸蝕TC4鈦合金表面污染層的微觀形貌

04、結論

(1) 拋光工藝參數對制樣質量的影響程度依次為：壓力、拋光機轉速、拋光時間。制樣打磨工藝參數的合理組合為：拋光機轉速300r·min-1、拋光時間1min、壓力30N。

(2)不同浸蝕劑綜合效果的排序為：3>2>1，在區分試樣基體顯微組織和表面污染層邊界時，3號浸蝕劑的效果最佳,即先使用體積分數為2%的HF(質量濃度：40%~42%)+體積分數為4%的HNO3(質量濃度：65%~68%)+H2O(余量)，再使用質量濃度為2%的NH4HF2 水溶液。