MA956高溫合金活動(dòng)模板電解加工小孔技術(shù)研究

楊 敏，李寒松，王國乾，李龍文，高傳平

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

MA956高溫合金活動(dòng)模板電解加工小孔技術(shù)研究

楊 敏，李寒松，王國乾，李龍文，高傳平

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

對采用活動(dòng)模板電解加工技術(shù)在MA956鐵基高溫合金薄板上加工小孔的工藝方法進(jìn)行了討論。研究了電解液溫度、加工電壓、電源占空比和脈沖頻率等參數(shù)對小孔加工結(jié)果的影響。研究表明：采用10%w.t.NaNO3電解液，在電解液溫度為30℃、加工電壓為40 V、電源占空比為30%、電源脈沖頻率為400 Hz時(shí)，能在MA956高溫合金薄板上加工獲得錐度小的小孔。

活動(dòng)模板電解加工；MA956鐵基高溫合金；小孔；錐度

氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金具有優(yōu)良的抗高溫蠕變性能、抗高溫抗氧化性能及抗碳、硫腐蝕性能，從而使其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中得到了廣泛應(yīng)用。MA956鐵基高溫合金是氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金中的一種，材料成分見表1[1]。

表1 MA956鐵基高溫合金材料成分

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中溫度較高的部件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提升，對燃燒室的材料要求也越來越高[2]。由于抗氧化性能不足，沉淀硬化型合金 （如C268）或固溶強(qiáng)化型合金 （如Hastelloy X）作為燃燒室或加力燃燒室材料的使用受到限制。目前燃燒室的材料主要為鎳基高溫合金（如MA754、MA760），而MA956鐵基高溫合金在100～1200℃高溫環(huán)境下的抗氧化性能與其相近，且擁有更出色的抗碳、硫腐蝕性能[3]。MA956高溫合金材料相對于傳統(tǒng)鐵基高溫合金具有更高的高溫強(qiáng)度，并由于抗氧化和抗腐蝕性能好而引起廣泛的關(guān)注，目前主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室殼體、復(fù)合層板等[4-5]。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中，群小孔特征零件越來

1 加工原理

電解加工是利用陽極溶解原理并借助于成形的陰極，將工件按一定形狀和尺寸加工成形的一種工藝方法[10]?；顒?dòng)模板電解加工技術(shù)是基于電解加工原理，利用模板的選區(qū)限制工件蝕除的區(qū)域，在工件上加工出與模板上的圖案結(jié)構(gòu)相似的一種特種加工工藝[11-12]。加工結(jié)束后，工件上的圖案和陰極模板上的圖案具有相似的結(jié)構(gòu)。

本文采用雙陰極活動(dòng)模板電解加工技術(shù)，陰極活動(dòng)模板由導(dǎo)電層和絕緣層組成（圖1）。裝夾時(shí)，兩模板分別緊貼工件，保證上、下模板上的小孔對心。電解液從掩膜板和上、下夾具間流過，帶走加工過程中產(chǎn)生的電解產(chǎn)物和熱量，保證加工過程正常進(jìn)行。雙陰極活動(dòng)模板可重復(fù)使用，裝夾方便，提高了加工效率和加工精度，且能減小孔的錐度。

圖1 活動(dòng)模板電解加工原理圖

活動(dòng)模板電解加工分為2個(gè)階段：第一階段主要是孔深度方向的腐蝕；第二階段是徑向的擴(kuò)孔腐蝕。加工開始階段，加工區(qū)域最大電流密度出現(xiàn)在凹坑的中心區(qū)域；隨著加工的進(jìn)行，孔深越大，電解液越難以進(jìn)入，孔底部的電解產(chǎn)物不能及時(shí)排出，使電流密度減小、加工減慢，腐蝕過程進(jìn)入擴(kuò)孔階段，此階段能有效減小孔的錐度。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 加工裝置

雙陰極活動(dòng)模板電解加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括大功率脈沖電源、電解液系統(tǒng)、工作平臺(tái)及夾具裝置等，工件材料為MA956高溫合金。在恒壓模式下，采用側(cè)流沖液方式進(jìn)行加工。電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3溶液，它是非線性鈍性電解液，具有加工精度高、對設(shè)備腐蝕性較小的優(yōu)點(diǎn)，適用于加工精度要求較高的鐵基合金。此外，采用單一電解液性能穩(wěn)定，易于維護(hù)。實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

2.2 加工工藝流程

雙陰極活動(dòng)模板電解加工工藝流程見圖2。掩模板材料采用覆銅環(huán)氧板，銅層為導(dǎo)電層，環(huán)氧板為絕緣層。先用數(shù)控鉆銑床加工出帶圖案的模板，通過定位銷將模板固定在下夾具上，然后裝夾工件，并調(diào)節(jié)各參數(shù)進(jìn)行電解加工。加工結(jié)束后，測量微小孔的尺寸。

實(shí)驗(yàn)將孔的錐度作為模板電解加工小孔的質(zhì)量檢測指標(biāo)。加工后的小孔側(cè)壁剖面簡化圖見圖3，小孔錐度可由式（1）求得：

式中：θ為孔的錐度，°；D1為孔的小徑，mm；D2為孔的大徑，mm；T為工件厚度，mm。越多，群小孔結(jié)構(gòu)也有了很廣泛的應(yīng)用，所以研究MA956高溫合金薄板群小孔加工方法非常重要。目前，高溫合金的孔加工方法主要分為機(jī)械加工和特種加工兩類。機(jī)械加工成本低，對材料的適用性強(qiáng)，目前仍是孔加工的主要方式，但工件易變形，且群孔加工效率較低。小孔的機(jī)械加工方式主要采用鉆削、沖孔等形式。Turba等在0.5 mm厚的MA956高溫合金薄板上進(jìn)行小孔沖壓實(shí)驗(yàn)，加工出了直徑為2 m m的孔[6]。小孔的特種加工方式主要有電解、電火花、激光、超聲、電子束等加工方法[7]。劉丹等利用電火花加工技術(shù)在2 m m厚的鎳基高溫合金K77薄板上加工出了直徑0.3、0.35、0.4 m m三種規(guī)格的多孔徑、多角度、大數(shù)量的氣膜孔[8]，但電火花加工速度慢，工具電極存在嚴(yán)重的損耗。王星罡采用短脈沖激光沖擊鉆孔對0.5 m m厚的鐵基GH 2132合金薄板進(jìn)行微小孔加工，加工出了60～100 μm的小孔[9]，該方法效率高，但對激光器的光束質(zhì)量要求較高，激光鉆孔的重復(fù)穩(wěn)定性不夠，且成本較高。

本文采用活動(dòng)模板電解加工小孔結(jié)構(gòu)的方法，對M A956高溫合金薄板進(jìn)行加工，研究了電解液溫度、加工電壓、電源頻率和占空比對加工結(jié)果的影響。通過實(shí)驗(yàn)證明了活動(dòng)模板電解加工小孔的可行性，且能加工出錐度較小的小孔。

圖2 雙陰極活動(dòng)模板電解加工工藝流程圖

圖3 小孔側(cè)壁剖面簡化示意圖

3 討論

3.1 電解液溫度對加工結(jié)果的影響

電解液溫度是電解加工的一個(gè)必要因素，它是電解加工中陽極溶解的一個(gè)重要條件，也是影響加工質(zhì)量的一個(gè)重要因素。電解液溫度影響電解液的活性、傳質(zhì)過程及電導(dǎo)率，因此需選擇一個(gè)合適的電解液溫度進(jìn)行活動(dòng)掩模電解加工。

由圖4、圖5可看出，當(dāng)電解液溫度為30℃時(shí)，小孔的平均錐度最小。當(dāng)電解液溫度為25℃時(shí)，MA956高溫合金處于鈍化狀態(tài)，此時(shí)電流效率較低，電解加工速度緩慢，從而使小孔的錐度較大。當(dāng)電解液溫度升高到30℃時(shí)，陽極表面的鈍化膜易被去除，且不會(huì)影響電解加工速度，小孔區(qū)域的加工均勻性好。當(dāng)電解液溫度升高到35℃以上，加工區(qū)域溫度較高，不利于熱量排出，電解液在局部可能沸騰、蒸發(fā)，且電解產(chǎn)生的氫氣膨脹會(huì)產(chǎn)生空穴，可能使局部電解加工不穩(wěn)定甚至中斷，從而使小孔錐度變大。因此，選取電解液溫度為30℃較合適。

圖4 不同電解液溫度下加工的小孔形貌

3.2 加工電壓對加工結(jié)果的影響

加工電壓用以建立陰陽極間電場，克服雙電層電勢，使電解加工得以正常進(jìn)行。MA956高溫合金材料的基體為鐵，鐵基合金的分解電壓為1～3 V，所以當(dāng)電壓很小時(shí)，MA956高溫合金作為陽極就能溶解；但電壓很小時(shí)，電流密度也很小，加工過程中的鈍化行為會(huì)降低甚至阻止加工。所以增大加工電壓有利于電解加工的進(jìn)行，加工效率也會(huì)提高。

圖5 不同電解液溫度下小孔的平均錐度

圖6 不同加工電壓下加工的小孔形貌

圖7 不同加工電壓下小孔的平均錐度

由圖6、圖7可看出，當(dāng)加工電壓為40 V時(shí)，小孔的平均錐度最小，加工效果最好。隨著加工電壓的增大，電場強(qiáng)度增強(qiáng)，電流密度增大，電場線分布更均勻。當(dāng)加工電壓增大到30 V以上后，小孔的錐度已變化不大。這是由于電壓越大，相同時(shí)間的加工效率越大，當(dāng)電壓為40 V時(shí)加工最快進(jìn)入擴(kuò)孔，使擴(kuò)孔時(shí)間相對較長，故錐度相對較小?？紤]到加工效率，宜選用40 V的電解加工電壓。

3.3 頻率、占空比對加工結(jié)果的影響

脈沖電解加工原理是以脈沖供電代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流供電，使陽極在脈沖寬度時(shí)間tp內(nèi)發(fā)生電化學(xué)溶解。與傳統(tǒng)的直流電解加工相比，脈沖電解能提高加工精度、改善加工表面質(zhì)量。在脈沖間歇時(shí)間t0（t0=T-tp）加速了間隙內(nèi)的電解液更新，改善了流場，有利于電解產(chǎn)物、氣和熱的排出，同時(shí)改善了電場，從而使加工精度和加工質(zhì)量得到提高[13]。脈沖頻率（1/T）和占空比（tp/T）是脈沖電源的兩個(gè)重要參數(shù)，實(shí)驗(yàn)采用WWL-SS21大功率脈沖電源，研究了電源頻率和占空比對加工結(jié)果的影響。

圖8 不同電源頻率下加工的小孔形貌

圖9 不同電源頻率下小孔的平均錐度

圖10 不同電源頻率下加工的小孔形貌

圖11 不同電源占空比下小孔的平均錐度

圖12 優(yōu)化參數(shù)后加工出的小孔

由圖8～圖11可看出，當(dāng)電源頻率為400 Hz、占空比為30%時(shí)，小孔的平均錐度最小，加工效果最好。合適的頻率和占空比能及時(shí)排出加工產(chǎn)物和熱量，優(yōu)化流場、電場，并更新電解液，改善加工效果。從圖8、圖9可看出，當(dāng)頻率分別為200、800 Hz時(shí)，小孔的錐度較大。這是因?yàn)轭l率過低時(shí)脈寬較大，不同孔加工區(qū)域各處的加工狀態(tài)并不完全一致；而當(dāng)頻率逐漸增大時(shí)，脈沖間隙時(shí)間t0變短，電解液尚未完全帶走加工產(chǎn)物、氣泡及熱量就開始了下一個(gè)脈沖，使間隙內(nèi)的流場參數(shù)變得不均勻，從而使小孔錐度變大。因此，電源頻率為400 Hz是較適合的參數(shù)值。

占空比是指脈沖信號的通電時(shí)間與通電周期之比。實(shí)驗(yàn)選取15%、20%、25%、30%4組占空比進(jìn)行小孔加工。由圖10、圖11可看出，占空比為30%時(shí)加工效果最好。占空比很低時(shí)，電流密度低，蝕除能力強(qiáng)，加工速度慢，相同時(shí)間內(nèi)擴(kuò)孔時(shí)間短，錐度較大；占空比較高時(shí)，電流密度較大，有利于縮小孔區(qū)域溶解速度之間的差異，提高加工的均勻性。所以小孔的錐度隨著占空比的升高而減小，因此，電源占空比選擇30%是較適合的參數(shù)值。

通過分析各參數(shù)對加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3電解液進(jìn)行電解加工。當(dāng)電解液溫度為30℃、加工電壓為40 V、脈沖電源頻率為400 Hz、占空比為30%時(shí)，加工出的小孔錐度小，加工效果較好。加工后的小孔見圖12，加工的群孔見圖13。

圖13 優(yōu)化參數(shù)后加工出的群孔

4 結(jié)論

本文介紹了用雙陰極活動(dòng)模板電解工藝方法對MA956高溫合金薄板進(jìn)行小孔加工，研究了電解液溫度、加工電壓、電源脈沖頻率和占空比等參數(shù)對小孔加工錐度的影響，得到如下結(jié)論：

（1）實(shí)驗(yàn)采用活動(dòng)模板電解技術(shù)在MA956高溫合金上加工小孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果證明該方法是可行的。

（2）電解液溫度對MA956高溫合金小孔加工的影響大。電解液溫度較低時(shí)，由于低溫鈍化的影響使加工速度變慢，孔的錐度大；電解液溫度過高時(shí)，不利于加工熱量的排出，加工區(qū)域溫度較高，局部可能沸騰或蒸發(fā)，會(huì)使電解加工不穩(wěn)定甚至中斷，從而使小孔錐度變大。加工電壓對MA956高溫合金小孔加工的影響不大，提高電壓能提升小孔加工的速度，由于MA956高溫合金抗腐性能好，電壓增大時(shí)也不會(huì)有明顯的雜散腐蝕。選取合適的電源脈沖頻率和占空比，能有效改善電場、流場，利于電解產(chǎn)物、氣和熱的排出，從而使小孔的錐度較小。

（3）由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，在電解液溫度為30℃、加工電壓為40 V、電源頻率為400 Hz、占空比為30%時(shí)，可加工出錐度為3°的小孔。

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Study on Small Hole Machining of MA956 Superalloys by Electrochemical Machining with Movable Cathode Mask

Yang Min，Li Hansong，Wang Guoqian，Li Longwei，Gao Chuanping
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

The process of machining small holes on the thin plate of MA956 iron-base superalloys using the electrochemical machining (ECM)with movable cathode mask was discussed.The effect of four parameters on the result of hole machining，including electrolyte temperature，machining voltage，duty cycle and pulse frequency of the power source was studied.The results showed that the machined small holes with low taper can be obtained on the MA956 sheet in the electrolyte of 10%w.t.NaNO3，when the electrolyte temperature is 30℃，the machining voltage is 40 V，the power duty cycle is 30%，the power pulse frequency is 400 Hz.

ECM with movable cathode mask；MA956 iron-base superalloys；small holes；taper

TG662

A

1009-279X（2016）05-0042-05

2016-03-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275233）

楊敏，男，1993年生，碩士研究生。