絕緣涂層構(gòu)件電化學(xué)放電穿孔技術(shù)

張 有,劉志東,邱明波,陳益飛

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院,江蘇 南京 210016)

隨著航空渦輪發(fā)動機渦輪前溫度的不斷提高,采用高溫合金制造的發(fā)動機熱端部件廣泛采用了氣膜冷卻技術(shù)。其中,氣膜冷卻孔的孔徑一般在0.25～1.25mm之間,每片葉片有數(shù)十至數(shù)百個,燃燒室有數(shù)萬個之多[1]。先進燃?xì)鉁u輪機的受熱部件處于高溫氧化和高溫氣流沖蝕等惡劣環(huán)境中,承受溫度接近2000℃,超出了多數(shù)高溫合金的工作范圍[2]。將金屬的高強度、高韌性與陶瓷的耐高溫等優(yōu)點結(jié)合起來所制備出的熱障涂層,為解決上述問題提供了一種途徑,它能起到隔熱、抗氧化、防腐蝕的作用,提高了熱端部件的使用壽命[3-5]。

陶瓷材料具有熔點高、硬度高、化學(xué)性能穩(wěn)定等特性,是熱障涂層的理想材料。但熱端部件上增加熱障涂層后,就會將原來金屬小孔的位置遮擋住。由于涂層材料是絕緣體,基體是金屬,這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的工件材料具有復(fù)雜的電導(dǎo)率、硬脆特性和熱導(dǎo)特性,故要在熱端部件上進行小孔加工具有一定的難度。

金屬材料的小孔加工主要有鉆削、電火花、激光及電解等加工方法,氣膜冷卻孔的穿孔工藝中,以電火花加工技術(shù)最成熟,應(yīng)用時間也最長[1]。絕緣陶瓷材料的小孔加工主要有電化學(xué)放電、鉆削、超聲波及激光等加工方法。鉆削加工中鉆頭磨損嚴(yán)重,加工孔的入口和出口處崩刃現(xiàn)象嚴(yán)重;超聲波加工中工具更換麻煩,加工效率也很低;激光加工后會產(chǎn)生一定的應(yīng)力變形和不同程度的微裂紋,加工出的孔具有一定的斜度[6]。

電化學(xué)放電加工是依靠電解液電解產(chǎn)生的氣體引起電極與電解液之間的放電,從而將工件材料去除掉。日本學(xué)者對電化學(xué)放電進行了深入的研究,認(rèn)為該方法能克服以上幾種方法的缺點,具有加工成本低且質(zhì)量高、電極損耗小等優(yōu)點,是加工絕緣陶瓷材料的一種重要方法。由于絕緣陶瓷電化學(xué)放電加工在能量分配方式、材料蝕除機理等方面都比傳統(tǒng)電火花加工技術(shù)復(fù)雜,因此其加工機理的研究難度較大,很大程度上限制了絕緣陶瓷電化學(xué)放電加工技術(shù)的進一步提升與推廣。本文將基于電化學(xué)放電原理,進行絕緣涂層構(gòu)件穿孔技術(shù)的研究。

1 絕緣涂層構(gòu)件電化學(xué)放電

1.1 加工原理及試驗裝置

電化學(xué)放電加工是借助于電解液和輔助電極間的火花放電作用來蝕除非導(dǎo)電工件的一種電加工方法。電化學(xué)放電加工中,工件采用浸沒式加工,保證能持續(xù)穩(wěn)定地放電;但當(dāng)電極浸入溶液一定深度后,電極的側(cè)壁會發(fā)生放電,引起分配到電極端部的能量減少,從而影響加工效率。在工件和電極之間必須有很薄的一層電解液才能具備電化學(xué)放電的條件,但放電通道形成后,此液膜阻礙了加工能量向工件表面的傳遞,影響了加工效率。為減少加工能量在工作液膜處的損失,從而將更多的能量傳遞到工件表面是本文研究的一個重點。由于擊穿放電首先是在極間電場最強處發(fā)生,尖端電極會使電場畸變,使放電能量大部分集中在電極尖端部位,保證放電擊穿后有大量能量穿過工作液膜到達(dá)工件表面,產(chǎn)生局部高溫加熱工件并蝕除材料,以提高加工效率。本文采用的尖端電極見圖1,由于采用了窄脈寬加工,所以采用正極性加工,基體金屬接電源正極,電極接負(fù)極。

圖1 電化學(xué)放電加工原理圖

試驗裝置見圖2。采用三維工作臺作為試驗平臺,電極能在豎直方向上運動。為了排屑和均勻放電,電極上部的旋轉(zhuǎn)電機帶動電極保持一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由紅寶石構(gòu)成的專用導(dǎo)向塊能使電極準(zhǔn)確定位,紅寶石周圍的有機玻璃塊能擋住在放電過程中四濺的電解液。

圖2 試驗裝置圖

1.2 電化學(xué)放電過程

根據(jù)采集的放電波形,可將電化學(xué)放電分為快速電解、慢速電解、氣中空載、氣中放電和電化學(xué)放電5個過程。當(dāng)極間加上脈沖電壓后,電極周圍的電解液快速電解產(chǎn)生氣體。電極周圍的氣體達(dá)到一定數(shù)量后,電解作用減弱,快速電解變成慢速電解。隨著慢速電解的進行,電極周圍產(chǎn)生足夠多的氣體,電極和電解液之間由于致密氣體層的隔離,形成氣中空載。電極和電解液之間的電場強度不斷增加,氣體在電場最強處被擊穿,產(chǎn)生放電通道,形成氣中放電,對工件進行蝕除,同時也消耗電極周圍一部分氣體。當(dāng)電極周圍氣體不足以使其產(chǎn)生放電時,電解液又開始慢速電解產(chǎn)生氣體。隨著氣體的產(chǎn)生和消耗逐漸達(dá)到平衡,最終會形成在一個脈沖內(nèi)既有電解又有放電的狀態(tài),即電化學(xué)放電。電化學(xué)放電是慢速電解和氣中放電的組合,是最穩(wěn)定的放電過程,最有利于加工。因此,在進行電化學(xué)放電加工絕緣體時,需達(dá)到電化學(xué)放電的狀態(tài)。

圖3a～圖3e是根據(jù)實際加工過程采集的5種單脈沖電壓電流波形,圖3f是在放電過程中采集的多脈沖電壓電流波形。

圖3a中,電壓維持在155 V左右,電流基本保持在10 A左右,說明快速電解過程很平穩(wěn)。圖3b中,電壓維持在160 V左右,比圖3a有所增加,這是因為電流變小了,只有3A左右。從圖3c可看出,空載時電流為0,電壓維持在175 V左右,與脈沖電源輸出電壓一致。圖3d中,電壓基本維持在150 V左右,電流呈直線上升且達(dá)到最大值20 A,這也是氣中放電的特征。圖3e中,電壓和電流在4μs時有一個轉(zhuǎn)折,電壓從160 V降低到150 V,電流從4 A直線上升到最大值18 A,證實了電化學(xué)放電是慢速電解和氣中放電的組合。圖3f驗證了上述5個過程的順序:氣中放電之前是氣中空載,之后由于氣體的消耗,慢速電解開始產(chǎn)生氣體,氣體量達(dá)到一定時,形成電化學(xué)放電。

圖3 電化學(xué)放電波形

2 絕緣涂層構(gòu)件加工狀態(tài)的控制

隨著加工的進行,絕緣涂層構(gòu)件表面涂層材料在電化學(xué)放電作用下被擊穿,之后基體金屬將被加工。由于會有一部分涂層材料附著在金屬表面,導(dǎo)致金屬表面導(dǎo)電性能較差,為了保證加工的一致性,故采用電化學(xué)放電加工基體金屬。但涂層和金屬的蝕除速度不一致,須采用不同的加工策略。

為了提高加工效率和加工質(zhì)量,須確定以下3種加工狀態(tài):涂層材料加工、涂層材料和基體金屬的過渡加工、基體金屬加工。加工絕緣體和加工金屬的放電原理不同,采用相同的電源,放電波形和放電平均電流肯定不一樣。本文將根據(jù)加工時的電壓波形和平均電流大小來確定這3種加工狀態(tài),根據(jù)不同的加工狀態(tài)采取對應(yīng)的措施來控制進給速度和加工電壓,達(dá)到穩(wěn)定、持續(xù)和高效的加工效果。

圖4是3種加工狀態(tài)的電壓電流波形圖。從圖4a可看出,電壓電流波形具有典型的電化學(xué)放電波形特征。從圖4b可看出,除了有電化學(xué)放電波形的特征外,第2個脈沖時間內(nèi)的波形呈現(xiàn)出典型的金屬放電特征,電壓在轉(zhuǎn)折點下降了近70 V,電流最大可達(dá)20 A,是圖4a的4倍左右。從圖4c可看出,加工中電壓下降多,電流峰值大,與圖4b中第2個波形類似,峰值電流是圖4a的4倍左右。

加工涂層時,材料蝕除依靠電化學(xué)放電過程中的瞬時高溫和沖擊波,且放電電流低于相同電壓下的金屬放電,材料蝕除緩慢,可采用較慢的進給速度。同時,為了提高加工效率,可采用高的加工電壓。

涂層材料被擊穿后,電極極易和基體金屬放電,從而減弱電極加工剩余涂層材料的能量。此時使電壓不變,進給速度變慢。由于進給速度低于基體金屬蝕除速度,電極和基體金屬的距離會慢慢變大,放電會變?nèi)?這樣就保證了放電中用于蝕除涂層材料的能量,以便快速將殘余的涂層材料蝕除掉。

當(dāng)涂層材料加工完畢后,只需加工基體金屬。金屬加工電壓比涂層材料低很多,且其蝕除速度快很多,但由于金屬表面沉積的涂層材料影響了金屬的導(dǎo)電性,使其可加工性變差。故在加工基體金屬時,采用高的進給速度和低的加工電壓。

圖4 絕緣涂層構(gòu)件3種加工狀態(tài)的放電波形

根據(jù)放電電壓電流波形和平均電流設(shè)計了伺服進給系統(tǒng)和加工電壓轉(zhuǎn)換開關(guān)。在不同加工狀態(tài)下,通過切換相應(yīng)的進給速度和加工電壓,可保證整個加工過程的持續(xù)和穩(wěn)定,完成絕緣涂層構(gòu)件的穿孔加工。

3 工藝實驗

3.1 實驗條件

本文以NaOH溶液作為工作液,而沒有采用NaNO3等其他溶液,主要有以下考慮:第一,NaOH溶液是強電解液,質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaOH溶液電導(dǎo)率可達(dá)200 mS/cm,加工中能減少能量損耗;第二,NaOH溶液電解所產(chǎn)生的氫氣和氧氣對環(huán)境沒有危害,在高溫下不會分解出有毒氣體,而NaNO3溶液在高溫下會分解出NO、NO2等有毒氣體。

采用鈦合金基體的氧化鋯涂層材料作為實驗樣件。圖5a是工件正面實物圖;圖5b是工件側(cè)面圖,上層表示絕緣涂層,下層是基體金屬。

圖5 工件的正面和側(cè)面圖

實驗條件見表1。電極的轉(zhuǎn)速選擇主要以減少系統(tǒng)振動、提高加工質(zhì)量為原則。加工中還需控制電解液液面與工件上表面的距離,以減少電極側(cè)壁的放電,使能量能夠用于加工。實驗中采用自制的高壓脈沖電源,根據(jù)不同的加工狀態(tài)采用不同的加工電壓和進給速度。

表1 絕緣涂層構(gòu)件電化學(xué)放電穿孔實驗條件

3.2 實驗結(jié)果

圖6是加工完成的通孔形貌圖。圖6a是正面氧化鋯涂層孔的形貌圖,孔的直徑是1.4mm;圖6b是反面基體金屬孔的形貌圖,孔的直徑是1.45mm。正面的孔徑比反面小,主要是因為氧化鋯涂層穿透以后,工具電極與基體金屬的放電更容易,造成了基體金屬蝕除得更多。通過實驗驗證了絕緣涂層構(gòu)件電化學(xué)放電加工是可行的,且得到了較好的加工質(zhì)量和效率,完成工件加工用時450 s。

圖6 鈦合金基體的氧化鋯涂層材料通孔形貌圖

4 結(jié)論

本文研究了絕緣涂層構(gòu)件的電化學(xué)放電穿孔技術(shù),得出以下結(jié)論:

(1)通過對電化學(xué)放電過程中電壓電流波形的分析,將電化學(xué)放電過程分為快速電解、慢速電解、氣中空載、氣中放電和電化學(xué)放電5個過程。

(2)根據(jù)絕緣涂層構(gòu)件3種不同加工狀態(tài)的電壓電流特征,須采用不同的加工參數(shù)和進給速度,才能保證穩(wěn)定和高效的加工。

(3)實驗證明采用電化學(xué)放電方法對絕緣涂層構(gòu)件進行穿孔加工是可行的。

[1]劉軍.航空發(fā)動機氣膜冷卻孔的打孔工藝[J].航空發(fā)動機,1995(2):31-36.

[2]柳彥博,王全勝,馬壯,等.納米氧化鋯熱障涂層制備工藝對導(dǎo)熱性能的影響[J].稀有金屬材料與工程,2009,38(增刊2):783-785.

[3]劉純波,林鋒,蔣顯亮.熱障涂層的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國有色金屬學(xué)報,2007,17(1):1-13.

[5]范希梅,林潔瓊,杜賢昌.陶瓷熱障涂層的研究現(xiàn)狀[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,24(1):65-67.

[6]劉永紅,劉晉春.非導(dǎo)電陶瓷材料電解電火花打孔工藝[J].制造技術(shù)與機床,1998(10):12-13.

[7]West J,Jadhav A.ECDM methods for fluidic interfacing through thin glass substrates and the fo rmation of spherical microcavities[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2007,17(2):403-409.

[8]Cao Xuan Doan,Kim Bo Hyun,Chu Chong Nam.Micro-structuring of glass with features less than 100μm by electrochemical discharge machining[J].Precision Engineering,2009,33(4):459-465.

[9]陳鋼,沈立勤.脈沖電解電火花復(fù)合小孔加工工藝的探討[J].模具工業(yè),2001(3):49-51.

[10]彭受智.特種高溫合金深小孔的電火花加工[J].航空制造技術(shù),2002(4):34-37.