渦輪葉片冷卻孔電火花加工管電極的銅電鑄層制備及其抗電蝕性

李志永 李 麗 鄭光明

山東理工大學機械工程學院，淄博，255049

渦輪葉片冷卻孔電火花加工管電極的銅電鑄層制備及其抗電蝕性

李志永 李 麗 鄭光明

山東理工大學機械工程學院，淄博，255049

以降低高溫鎳基合金渦輪葉片冷卻孔電火花加工電極損耗率為目標，基于精密電鑄工藝，優(yōu)化了鑄液工藝參數(shù)，在添加納米La2O3條件下制備了銅管電極的銅電鑄層，并將其與未添加La2O3所制備的銅電鑄層進行了材料性能對比分析。以Inconel 718鎳基合金葉片冷卻孔為加工對象，利用所制備的帶有純銅電鑄層的管電極進行了抗電蝕性能對比研究。試驗結(jié)果表明：鑄液中La2O3的添加量為1.2 g/L時，銅電鑄層晶粒最細，晶粒平均直徑為15.9 μm，表面粗糙度降至0.140 μm，顯微硬度可達98.2 HV；用其制成的銅管電極損耗率較普通紫銅管電極和未添加納米La2O3的銅管電極損耗率分別降低了13.29%和7.26%。

電鑄；納米La2O3；抗電蝕性；電極損耗率;電火花加工

0 引言

航空工業(yè)的迅速發(fā)展對航空高溫零部件(如渦輪葉片、發(fā)動機火焰筒、加力燃燒室防振屏、隔熱屏等)的耐高溫性及其使役性提出了越來越嚴格的要求，航空構(gòu)件中大量采用高溫鎳基合金和鈦合金，并加工有數(shù)量巨大的冷卻孔。據(jù)粗略統(tǒng)計，單臺先進航空發(fā)動機各種小孔總計已達數(shù)十萬個。高溫鎳基合金和鈦合金強度高、硬度大,普通機械加工方法難以加工，而以電火花加工(electrical discharge machining,EDM)、電化學加工(electrochemical machining,ECM)、激光加工(laser machining,LM)等為代表的特種加工工藝在該類材料冷卻孔加工中占有重要地位。其中EDM工藝已成為高溫耐熱合金冷卻孔最重要的加工工藝之一。KUPPAN等[1]利用Inconel 718 高溫鎳基合金開展了深孔EDM工藝試驗研究，OGUZHAN等[2]和ASPINWALL等[3]分別重點研究了EDM工藝對Inconel 718和Ti6Al4V兩種高溫合金材料的去除速度、表面硬度、殘余應力分布的影響規(guī)律，但是，EDM工藝機理決定了其加工中不可避免地存在工具電極損耗。過度的電極損耗嚴重影響EDM工具電極使用壽命，破壞工件加工精度和表面完整性[4-5]，因此如何降低工具電極損耗一直是EDM研究領(lǐng)域的一個難題。

國內(nèi)外研究人員在降低EDM工具電極損耗、實現(xiàn)低損耗加工方面開展了一系列研究，重點在于通過優(yōu)化工藝參數(shù)，改善電極間能量分配模式，充分利用極性效應，改善工作介質(zhì)等方面[6-9]。精密電鑄技術(shù)是利用鑄液中金屬陽離子的陰極電沉積原理獲得金屬電鑄層的增材制造工藝，具有極高的復制和尺寸控制精度，可用來制備具有特定材料功能要求的金屬電鑄層。如ZHU等[10]、WONG等[11]和ALLAN等[12]開展了基于電鑄技術(shù)的復合電鑄層材料制備及精密微細復雜結(jié)構(gòu)制備工藝研究，山東理工大學和南京航空航天大學的研究人員開展了利用電鑄工藝制備電火花電極的相關(guān)研究[13-15]。

本文以降低航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻孔EDM加工管電極損耗率為目標，力求獲取具有優(yōu)良抗電蝕能力和低電極損耗率的EDM工具電極材料，在添加納米La2O3顆粒條件下，利用精密電鑄技術(shù)開展了管電極純銅電鑄層電極材料制備及其抗EDM電蝕性能研究。

1 葉片冷卻孔EDM加工原理

圖1 發(fā)動機渦輪葉片冷卻孔EDM加工原理圖Fig.1 Fundamental principle of EDM for cooling hole in turbine blades

圖1所示為航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻孔EDM加工的工藝原理。加工時，被加工工件和管電極分別接EDM脈沖電源的正極和負極，帶有一定流速和壓力的工作液(常用煤油)由管電極的內(nèi)孔中流出而帶走EDM的電蝕產(chǎn)物和熱量，隨著工具管電極不斷回轉(zhuǎn)進給，冷卻孔最終被加工成形。渦輪葉片冷卻孔的結(jié)構(gòu)形式和制造質(zhì)量對其冷卻效果具有決定性影響，因此要求所加工的冷卻孔要具有良好的尺寸一致性[16],但EDM工具電極損耗會極大地破壞冷卻孔結(jié)構(gòu)尺寸的一致性和工藝穩(wěn)定性，特別是在小孔徑冷卻孔(直徑小于0.4 mm)加工時，過度的電極損耗甚至會使加工無法進行[17-19]。提高管電極材料的抗電蝕性、降低電極損耗率對提高冷卻孔的加工質(zhì)量、加工效率和工藝穩(wěn)定性具有積極意義。其中，EDM中通常用電極損耗率θ這一指標來衡量工具電極的抗電蝕性能。電極損耗率θ定義如下：

(1)

式中，m1q和m1h分別為工具電極材料在EDM加工前和加工后的質(zhì)量，g；m2q和m2h分別為工件電極材料在EDM加工前和加工后的質(zhì)量，g。

式(1)求得EDM加工中工具電極材料損耗的質(zhì)量占所蝕除的工件材料質(zhì)量的百分比，θ越小越有利。

在EDM中，工具電極的損耗情況和許多因素有關(guān)，其中影響最大的是工件及工具電極的材料、工作液的種類、加工的極性和電規(guī)準參數(shù)的選擇等[20]，本文通過精密電鑄工藝在EDM管電極外表面制備出了規(guī)定厚度的銅電鑄層，以代替原有的管電極材料進行EDM冷卻孔加工，并驗證其抗電蝕性能。

2 基礎(chǔ)電鑄液工藝優(yōu)化

2.1 試驗準備

圖2 管電極銅電電鑄層制備過程示意圖Fig.2 Preparation process of Cu electroplating layer on copper tube electrode

試驗中陰極選用黃銅管電極(外徑0.6mm，內(nèi)徑0.3mm)，首先在其外表面上電鑄制備純銅電鑄層(未添加La2O3)，工藝過程如圖2所示。電鑄前將管電極外表面及下端面進行粗糙化處理，目的是使電鑄層能與作為基材的管電極牢固結(jié)合。管電極下端面用石蠟密封以避免銅電鑄層形成于管電極內(nèi)壁而堵塞內(nèi)孔。待電鑄完畢后將管電極置于80 ℃熱水中熔化石蠟以恢復內(nèi)孔結(jié)構(gòu)。陽極選用含磷0.01%～0.02%的紫銅板，兩極間距離50mm?；A(chǔ)鑄液基本成分見表1。為優(yōu)化基礎(chǔ)鑄液工藝參數(shù)，試驗選定電流密度、鑄液酸堿度pH值、鑄液溫度和Cl-離子添加量4個工藝參數(shù)，建立了一個4因子3水平正交試驗表，共進行了9次試驗，見表2。試驗采用MC-15/30/3型脈沖電源。電鑄液通過數(shù)顯溫控磁力攪拌器(JB-5)進行雙向磁力攪拌，配制完成的鑄液要經(jīng)超聲攪拌15min，磁力攪拌30min，待鑄液溫度穩(wěn)定后方可進行電鑄。電鑄時管電極以10r/min的速度回轉(zhuǎn)以保證電鑄層均勻，單邊電鑄層厚度需達到0.2mm，電鑄后管電極直徑為1.0mm。

表1 基礎(chǔ)電鑄液成分表

表2 電鑄銅基礎(chǔ)鑄液工藝參數(shù)優(yōu)化正交試驗

2.2 試驗結(jié)果測量分析

管電極銅電鑄層制備完成后，對所制備9個管電極試樣的下端面微觀形貌進行了測量(金相成像顯微鏡GX51)，部分試樣測量結(jié)果見圖3。由圖3可以看出：2號試樣銅電鑄層的晶粒最細，晶粒均勻，晶粒平均直徑33.32 μm，其他試樣的晶粒尺寸介于40.36～74.83 μm之間，2號試樣制備效果明顯優(yōu)于其他8個試樣。

(a)1號試樣 (b)2號試樣

(c)6號試樣 (d)9號試樣圖3 部分銅電鑄層試樣的顯微金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographic photos of partial copper electroforming layer

(a)2號試樣

圖5 管電極銅電鑄層試樣的顯微硬度Fig.5 Microhardness of copper electroforming layer on tube electrode

本文還對所制備的銅電鑄層試樣的前端面表面粗糙度和表面顯微硬度進行了測量，圖4所示為2號和4號試樣的表面粗糙度測量結(jié)果(白光干涉儀Micro-Max100)。由測量結(jié)果可知：2號試樣的表面粗糙度最低為Ra=0.144 μm，而4號試樣的表面粗糙度最高為Ra=0.905 μm，其余試樣的表面粗糙度Ra在0.307～0.858 μm范圍內(nèi)。顯微硬度方面，由于銅硬度較低，故選用維氏硬度HV作為硬度指標，表面顯微硬度測量采用測試壓力為0.245 N(數(shù)字式顯微硬度儀HXD-1000TMB)，在同一試樣上測量5點取其顯微硬度平均值，圖5所示為所有銅電鑄層試樣的顯微硬度測量結(jié)果。由圖5可以看出：所有9個試樣中，2號試樣的表面顯微硬度均值為80.7 HV(圖中左側(cè)方框)，而硬度最低的7號試樣的表面顯微硬度均值只有46.5 HV(圖中右側(cè)方框)，其余試樣的顯微硬度均值介于63.3 HV和72.8 HV之間。2號試樣較高的顯微硬度源自材料內(nèi)部較細的晶粒結(jié)構(gòu)，通常材料硬度與晶粒尺寸滿足Hall-Petch關(guān)系式[21]：

Hv=Ho+kd-1/2

(2)

式中，Hv為測量所得硬度值；Ho和k為常量；d為平均晶粒大小。

由式(2)可知：晶粒越細小，材料硬度越高。

綜合上述測量結(jié)果，可以明顯看出2號試樣無論是表面微觀形貌、晶粒大小及均勻程度，還是表面粗糙度和表面顯微硬度等各個方面均較其他試樣更好。根據(jù)上述正交試驗，本文最終確定最優(yōu)基礎(chǔ)鑄液參數(shù)為：電鑄電流密度i=3.0 A/dm2，鑄液溫度為40 ℃，酸堿度pH值為1，氯離子添加量δ=80 mg/L(NaCl濃度0.133g/L)。

3 添加La2O3的電鑄銅制備試驗

在獲得上述基礎(chǔ)鑄液優(yōu)化參數(shù)基礎(chǔ)上，本文進一步研究了鑄液中納米La2O3含量對管電極銅電鑄層材料性能的影響。納米La2O3在鑄液中具有良好的分散性和懸停性，能極大改善基礎(chǔ)鑄液中Cu2+分布的均勻性，有利于獲得更細的電鑄層晶粒[22]，理論上有助于降低EDM的電極損耗率。試驗中La2O3添加量分別為0.3 g/L、0.6 g/L、1.2 g/L、1.8 g/L、2.5 g/L、5 g/L，然后分別制備了上述6種La2O3添加量下的管電極銅電鑄層試樣，并對其表面微觀形貌進行了測量。

(a)0.3 g/L La2O3(b)1.2 g/L La2O3

(c)5.0 g/L La2O3圖6 部分銅電鑄層試樣的SEM照片(添加La2O3)Fig.6 SEM photos of partial copper electroforming layers(with La2O3 addition)

(a)0.3 g/L La2O3

(b)5.0 g/L La2O3圖7 部分銅電鑄層試樣的EDS照片(添加La2O3)Fig.7 EDS photos of partial copper electroforming layers(with La2O3 addition)

圖6是部分試樣的SEM照片。由圖6可看出，隨著La2O3添加量的增加，晶粒大小呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，其中當La2O3添加量為1.2 g/L時，晶粒尺寸均值最小，為15.9 μm；當La2O3添加量為0.3 g/L和5.0 g/L時，電鑄層晶粒尺寸均值分別為24.27 μm和30.54 μm。分析可得，由于La3+電位較高，容易吸附在陰極表層促使陰極上積累更多的電子，但其析出電位又遠低于H+和Cu2+，不可能在陰極表面析出，采用X射線能譜分析儀(EDS)觀察在不同La2O3添加量的電鑄液條件下所制得的電鑄銅層，證實電鑄層當中的確不包含La元素，即La元素電鑄過程中沒有在陰極表面析出(圖7)。對于Cu2+離子而言相當于提高了陰極的過電位，從而降低了晶體結(jié)晶的臨界形核尺寸，使得晶核形成幾率增大，晶粒變細，電鑄層結(jié)構(gòu)更加致密；但由于受到極限電流密度的制約，La3+的這種細化晶粒的作用并非是無限的，當La3+添加量過高時，晶核長大的可能性增加，晶粒變得粗大；同時又增大了析氫的可能性，電鑄層會變得疏松，最終導致電鑄層質(zhì)量下降。

本文還對添加納米La2O3條件下制備的6個管電極銅電鑄層試樣的表面粗糙度和表層顯微硬度進行了測量。粗糙度和顯微硬度均在每個試樣不同位置測量5次，并求其平均值，測量結(jié)果見圖8和圖9。圖9中為了與基礎(chǔ)鑄液工藝參數(shù)優(yōu)化試驗中制備的電鑄層性能最好的2號管電極試樣做對比，這里將2號試樣編號為0號，圖中1號至6號試樣是在不同La2O3添加量條件下制備的6個管電極銅電鑄層試樣。

圖8 管電極銅電鑄層試樣表面粗糙度(添加La2O3)Fig.8 Surface roughness of copper electroforming layer (with La2O3 addition)

圖9 管電極銅電鑄層試樣顯微硬度(其中0號未添加La2O3)Fig.9 Microhardness of copper electroforming layer(No.0 without La2O3 addition)

由圖8可以看出：納米La2O3添加量為1.2 g/L時制備的3號試樣電鑄層表面粗糙度最小，Ra=0.140 μm，其余試樣的表面粗糙度在0.155～0.236 μm范圍內(nèi)。在顯微硬度方面，3號試樣的顯微硬度同樣最高，為98.2 HV，6號試樣顯微硬度最低，為69.8 HV，0號試樣顯微硬度80.7 HV。3號試樣較6號和0號試樣的顯微硬度分別提高40.7%和21.7%。綜合以上測量結(jié)果可以看出：鑄液中納米La2O3添加量為1.2 g/L時，可獲得晶粒尺寸更小、晶粒更均勻的銅電鑄層，同時表現(xiàn)出更低的表面粗糙度和更高的表面顯微硬度。一般說來，電鑄材料的顯微硬度在一定程度上反映了材料內(nèi)組成元素間的結(jié)合強度。顯微硬度越高意味著電鑄層內(nèi)部結(jié)合的越致密，晶粒的細化進一步增強了電鑄層材料的硬度和耐磨耐蝕性。從EDM加工微觀機理看，電鑄層晶粒越細，結(jié)構(gòu)就越致密，在EDM脈沖能量不變的情況下，工具電極材料越不容易被熔化拋出，進而提高了電極材料本身的抗電蝕能力。

4 冷卻孔EDM加工抗電蝕試驗及結(jié)果分析

本文利用不同納米La2O3添加量條件下制備的銅電鑄層管電極,進行了Inconel 718高溫鎳基合金渦輪發(fā)動機葉片冷卻孔EDM加工的抗電蝕性能試驗，電火花機床為DK7740型。試驗前將Inconel 718試樣加工成60 mm×20 mm×1 mm的規(guī)格，傾斜45°定位并夾緊。為提高加工效率，采用了較大的EDM電參數(shù)規(guī)準(表3)，并采用負極性加工方式。

表3 冷卻孔EDM加工抗電蝕試驗工藝參數(shù)

本文共制備了8個進行冷卻孔EDM抗電蝕試驗的管電極試樣(圖10)，包括1個普通紫銅管電極(1號)，1個基礎(chǔ)鑄液工藝參數(shù)優(yōu)化試驗中制備的2號管電極試樣(未添加La2O3，2號)，不同La2O3添加量條件下制備的6個銅電鑄層管電極試樣(3號至8號)。每個管電極試樣EDM加工前均需超聲清洗以去除試樣表面的油污、粉塵等雜質(zhì)，加工后也需超聲清洗以去除管電極試樣表面的煤油，烘干后用高精密度電子天平(Sartorius BS 224S，分辨率0.1 mg)分別稱量試樣EDM加工前后的質(zhì)量，并計算質(zhì)量之差；工件電極也需同樣處理并計算EDM加工前后的質(zhì)量差值，然后根據(jù)式(1)求取每個管電極試樣對應的電極損耗率θ。本文據(jù)此繪制了所有8個管電極試樣的平均晶粒尺寸、顯微硬度及電極損耗率的對應關(guān)系圖(圖11)。

圖10 試驗制備的EDM管電極Fig.10 Preparation of test tube EDM electrode

圖11 試樣晶粒尺寸、顯微硬度、電極損耗率的對應關(guān)系Fig.11 The corresponding relation among grain size, microhardness and electrode loss rate of the samples

圖11表明，所制備銅電鑄層的晶粒平均尺寸越小，表面顯微硬度越高，兩者呈現(xiàn)負相關(guān)性；相反，晶粒平均尺寸越小，電鑄層表現(xiàn)出的EDM抗電蝕性能越好，電極損耗率越低，兩者表現(xiàn)出正相關(guān)性。如納米La2O3添加量為1.2 g/L時,制備的5號管電極試樣的電極損耗率最低，為2.61%;1號紫銅電極的電極損耗率最高為,15.9%;未添加La2O3所制備的2號管電極的電極損耗率為9.87%。5號管電極較1號和2號電極損耗率分別降低13.29%和7.26%。

(a)1號管電極加工的冷卻孔 (b)2號管電極加工的冷卻孔

(c)5號管電極加工的冷卻孔圖12 EDM試驗加工的部分冷卻孔照片(工件材料Inconel 718)Fig.12 Partial photographs of cooling hole layers(Inconel 718)

(a)1號紫銅電極EDM加工后的表面 (b)5號試樣管電極端面EDM加工后的表面圖13 1號紫銅管電極和5號試樣電極EDM加工后的電極表面形貌Fig.13 Electrode surface morphology of sample No.1 and No.5 after EDM

圖12所示為試驗加工的部分渦輪葉片冷卻孔。圖13為1號普通紫銅管電極和5號銅電鑄層管電極經(jīng)EDM加工后的金相顯微照片。由圖13可以看出：1號紫銅管電極經(jīng)EDM加工后，電極表面出現(xiàn)劇烈熔化的痕跡，電極材料損失較多；而5號銅電鑄層管電極在相同的EDM加工條件下并未出現(xiàn)如此嚴重的熔化現(xiàn)象，電極材料損失較少，因此其抗電蝕能力更優(yōu)。

從材料學角度衡量，電極材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)是決定其電學和熱力學性能(如電導率、熔點、沸點、比熱容、熱導率)的主要內(nèi)因，而這些性能會直接影響電極材料本身的EDM抗電蝕性能，因此電極材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對其抗電蝕性能也有直接影響。材料微觀結(jié)構(gòu)主要包括晶粒大小、晶粒均勻程度和晶粒取向三個方面。因此，晶粒平均尺寸最小的5號試樣在EDM抗電蝕試驗中的電極損耗率最低，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗電蝕性能。分析認為，La2O3的加入能夠細化電鑄層晶粒，一定程度上減少了微觀組織缺陷，使電極材料更致密，從而強化工具電極材料的耐電蝕能力[23]。此外，5號銅電鑄層管電極的表面粗糙度最低，良好的表面質(zhì)量意味著由其制備的EDM工具電極表面更加平整，有利于降低加工過程中的尖端效應，也有助于降低電極損耗率，提高其抗電蝕性能。

5 結(jié)論

(1)利用正交試驗法對電鑄基礎(chǔ)鑄液工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，經(jīng)過對銅電鑄層晶粒尺寸、顯微硬度和表面粗糙度的測量，最終確定最優(yōu)基礎(chǔ)鑄液工藝參數(shù)為鑄液酸堿度pH=1，電鑄電流密度i=3.0 A/dm2，鑄液溫度40 ℃，氯離子的添加量δ=80 mg/L。

(2)鑄液中納米La2O3添加量對銅電鑄層質(zhì)量有積極影響，La2O3的加入可有效細化電鑄層晶粒，使電鑄層結(jié)構(gòu)更致密，且La3+離子在電鑄過程中不會在陰極析出。在La2O3添加量為1.2 g/L時，電鑄層具有較小的表面粗糙度和較大的顯微硬度。

(3)鑄液中納米La2O3添加量對銅電鑄層的EDM抗電蝕性能有明確而積極的影響，在La2O3添加量為1.2 g/L時，銅電鑄層的電極損耗率為2.61%，較普通紫銅管電極和未添加納米La2O3的銅管電極的損耗率分別降低了13.29%和7.26%，表現(xiàn)出較好的抗電蝕能力。

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(編輯 王旻玥)

Fabrication and Corrosion Resistance of Copper Electroforming Layers on Tube Electrodes in EDM Processes for Turbine Blade Cooling Holes

LI Zhiyong LI Li ZHENG Guangming

School of Mechanical Engineering,Shandong University of Technology,Zibo,Shandong,255049

In order to reduce EDM electrode wear rate of turbine blade cooling holes of high temperature nickel base alloy, based on precision electroforming processes, the process parameters of fundamental electroforming solution were optimized, and some pure copper electroforming samples of copper tube electrode were prepared with different nano La2O3addition quantities. These samples were used to compare with the copper electroforming samples prepared without La2O3. Blade cooling hole of Inconel 718 nickel base alloy was processed, and copper tube electrode was researched comparatively to verify the performance of electrical corrosion resistance. Experimental results show that copper electroforming layers with smallest grain size 15.9 μm, microhardness 98.2 HV, and roughness 0.140 μm may be obtained with 1.2 g/L La2O3. Its electrode wear rate decreases 13.29% and 7.26% than pure copper and copper electroforming layer without nano La2O3addition respectively.

electroforming; nano La2O3; electrical erosion resistance; electrode wear rate; electrical discharge machining(EDM)

2016-07-08

國家自然科學基金資助項目(51375284);山東省自然科學基金資助項目(ZR2014EEM038)

TG661

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.10.010

李志永，男，1976年生。山東理工大學機械工程學院教授、博士。主要研究方向為非傳統(tǒng)加工工藝與裝備。E-mail：Lizhiyong_sdut@163.com。李 麗，女，1975年生。山東理工大學機械工程學院教授、博士。鄭光明，男，1986年生。山東理工大學機械工程學院講師、博士。