GH4169高溫鎳基合金的電解–磁力復(fù)合研磨

燕峰，譚悅，陳燕*，許召寬

（遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

GH4169高溫鎳基合金的電解–磁力復(fù)合研磨

燕峰，譚悅，陳燕*，許召寬

（遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

采用電解–磁力復(fù)合研磨工藝對(duì)GH4169合金進(jìn)行表面光整加工。探究了磁極轉(zhuǎn)速、電解電壓和磁性研磨粒子直徑對(duì)GH4169合金表面粗糙度的影響。獲得了較佳的電解–磁力復(fù)合研磨參數(shù)：磁極轉(zhuǎn)速1 200 r/min，電解電壓9 V，磁性研磨粒子直徑185 μm。在優(yōu)化的工藝參數(shù)下對(duì)GH4169合金研磨10 min，其表面粗糙度從原始的0.90 μm降至0.08 μm，表面微觀形貌得到明顯改善，化學(xué)成分不變，表面由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)。

鎳基高溫合金；磁力研磨；電解；表面粗糙度；形貌；應(yīng)力

鎳基高溫合金具有耐高溫、耐疲勞、抗腐蝕等優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶等領(lǐng)域，主要用于制造整體葉盤、渦輪軸、封嚴(yán)環(huán)等高溫零部件[1]。從以往有關(guān)GH4169鎳基高溫合金失效分析的文獻(xiàn)可知，該類零件的失效大多始于零件表面，其主要原因是零件表面質(zhì)量和形貌不佳[2-3]。對(duì)于普通高溫鎳基合金，通常采用砂帶和磨料進(jìn)行加工即可，而GH4169合金屬于典型的難加工材料，加工時(shí)容易造成磨粒相斷裂，從而影響加工效率和質(zhì)量[4]。因此，有必要對(duì)GH4169合金零部件的表面光整加工工藝進(jìn)行研究和改進(jìn)。陳春增等[5-6]采用磁力研磨對(duì)鎳基高溫合金進(jìn)行磨削，但該法若研磨壓力控制不好，極易造成加工表面產(chǎn)生劃痕和加工不均勻。黃新春等[7]采用單晶剛玉砂輪對(duì)鎳基高溫合金進(jìn)行磨削，但此工藝受砂輪硬度的影響較大，工件表面容易出現(xiàn)微裂紋、燒傷熔覆物等。電解?磁力復(fù)合研磨加工(EMACF)是將電解加工與磁力研磨復(fù)合而成的光整加工工藝，先通過電化學(xué)陽極溶解在工件表面生成硬度比工件低很多的鈍化膜，再借助磁力研磨在研磨間隙不斷翻滾、擠壓、變形和摩擦的作用對(duì)鈍化膜進(jìn)行微量去除。整個(gè)加工過程中，工件經(jīng)歷“電化學(xué)溶解→鈍化膜生成→磁力研磨”的循環(huán)作用，從而實(shí)現(xiàn)表面光整加工[8]。該工藝兼具磁力研磨可控性和電解高效性的優(yōu)點(diǎn)，可有效提高加工效率與質(zhì)量。本文研究了磁極轉(zhuǎn)速、磁性磨粒直徑、電解電壓等對(duì)GH4169合金電解–磁力研磨效果的影響，以便得到最佳工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電解–磁力研磨加工機(jī)理

圖1示出了電解–磁力復(fù)合研磨加工示意圖。直流電源正極接工件作為陽極，負(fù)極接石墨、合金鋼等電極作為陰極。工件通過連桿固定在工作臺(tái)上，磁極通過夾具與機(jī)床主軸連接，利用機(jī)床控制磁極旋轉(zhuǎn)，并調(diào)節(jié)磁極與工件表面的加工間隙在1 ～ 2 mm范圍內(nèi)，將磁性磨粒填充在加工間隙中。電解液由蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)，通過連桿與電極之間的中空孔周期性地滴落到電極與工件之間的間隙，這樣既可以保證電解作用持續(xù)進(jìn)行，又可以防止電解液在滴落過程中四處飛濺[9]。加工時(shí)，啟動(dòng)主軸電機(jī)、直流電源和蠕動(dòng)泵，機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)，工件在工作臺(tái)上沿水平方向勻速移動(dòng)。電解液在工件表面發(fā)生電化學(xué)作用而生成軟質(zhì)的鈍化膜，完成電解加工部分；數(shù)秒后，與機(jī)床主軸連接的磁極運(yùn)動(dòng)到鈍化膜處，磁極與磁性磨粒形成的“磁粒刷”可以較輕易地刮除硬度較低的鈍化膜，去除工件表面的毛刺及加工紋理、微裂紋等缺陷，完成磁力研磨拋光。如此電化學(xué)溶解、生成鈍化膜以及磁粒刷刮除鈍化膜循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行，最終完成對(duì)工件表面的精密研磨。

圖1 電解?磁力復(fù)合研磨加工示意圖Figure 1 Schematic diagram of electrolytic–magnetic composite grinding

1.2 電解–磁力復(fù)合加工工藝

基體材料為300 mm × 60 mm × 5 mm的GH4169合金板，工藝條件為：進(jìn)給速率1.5 mm/s，軸向充磁磁極直徑10 mm、長(zhǎng)15 mm，陰極為石墨，磁力研磨加工間隙1.5 mm，電化學(xué)加工間隙2 mm，電解液為16%的NaNO3溶液，電解液流速2.5 L/min。研磨液為勞力恩SR-9912水溶性研磨液。磁性磨粒由平均直徑200 ～ 250 μm的鐵粉和平均直徑40 ～ 50 μm的Al2O3按質(zhì)量比2∶1混合燒結(jié)后破碎篩分而成。

1.3 電解–磁力復(fù)合加工效果的表征

采用廣精JB-08E表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量加工件的表面粗糙度Ra，每加工2 min測(cè)1次，測(cè)量5個(gè)不同點(diǎn)，取平均值。采用基恩士的VHX-500F型超景深3D顯微鏡觀察工件的表面形貌。采用英國(guó)牛津儀器公司的X-MAX50能譜儀(EDS)對(duì)工件進(jìn)行能譜分析。利用荷蘭帕納科X射線殘余應(yīng)力分析儀檢測(cè)加工前后工件表層的殘余應(yīng)力。根據(jù)X射線衍射sin2ψ應(yīng)力分析法[10]，通過在衍射角范圍內(nèi)選取6個(gè)點(diǎn)測(cè)定晶面間距d，繪制出相應(yīng)的點(diǎn)圖并擬合成直線，通過式(1)計(jì)算出表面上的應(yīng)力。

式中，φσ為φ方向的應(yīng)力(單位：MPa)，E為材料的楊氏模量(213.7 GPa)，υ為材料的泊松比(0.3)，φ為衍射角(單位：°)，ψ為傾斜角度(單位：°)，dψ為傾斜角的晶面間距(單位：μm)；0d為初始傾斜角(0°)的晶面材料初始表面在初加工時(shí)的塑性變形間距(單位：μm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁極轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

按1.2節(jié)的工藝條件，采用直徑為185 μm的磁性研磨粒子，在9 V的電解電壓和不同的磁極轉(zhuǎn)速下對(duì)GH4169合金表面進(jìn)行加工，結(jié)果見圖2。在加工的前4 min內(nèi)，隨磁極轉(zhuǎn)速增大，工件表面粗糙度下降，表面加工質(zhì)量顯著改善。但加工6 min后，1 600 r/min轉(zhuǎn)速下加工后工件的表面粗糙度比1 200 r/min下加工件的表面粗糙度大。主要原因是轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致磁性磨粒嚴(yán)重飛濺，有效研磨粒子減少，磁力刷剛度下降而變得松散，加之離心力的影響使研磨粒子對(duì)工件表面的有效研磨壓力減小，加工效率降低[11]。因此，為了提高研磨效率，應(yīng)在保證磁性研磨粒子不發(fā)生嚴(yán)重飛濺的前提下選用高磁極轉(zhuǎn)速，即1 200 r/min。

圖2 不同磁極轉(zhuǎn)速下工件表面粗糙度隨研磨時(shí)間的變化Figure 2 Variation of surface roughness of workpiece with processing time at different magnetic pole speeds

2.2 磁性研磨粒子的直徑對(duì)表面粗糙度的影響

設(shè)定磁極轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，電解電壓為9 V，其他參數(shù)同1.2，采用不同直徑的磁性研磨粒子對(duì)GH4169合金表面進(jìn)行加工，結(jié)果見圖3。在加工的前4 min內(nèi)，采用直徑為185 μm的磁性研磨粒子研磨后的表面粗糙度最低，150 μm磁性研磨粒子研磨后的表面粗糙度最大。但加工時(shí)長(zhǎng)大于6 min后，采用直徑為250 μm的磁性研磨粒子研磨后的表面粗糙度最大。這是因?yàn)槟チ狭皆龃螅瑢?dǎo)磁力就增大，單位時(shí)間內(nèi)與工件表面的接觸壓力增大，對(duì)表面鈍化膜的刻劃基數(shù)增大，表面劃痕加深[12]。選用直徑為185 μm的磁性研磨粒子，研磨10 min后GH4169合金表面粗糙度最低，約為0.08 μm。

2.3 電解電壓對(duì)表面粗糙度的影響

采用直徑為185 μm的磁性研磨粒子，在1 200 r/min的磁極轉(zhuǎn)速和不同電壓下對(duì)GH4169合金表面進(jìn)行加工，結(jié)果見圖4。在加工的4 min內(nèi)，隨電解電壓升高，工件的表面粗糙度下降，表面加工質(zhì)量顯著改善。加工時(shí)長(zhǎng)大于6 min后，9 V和12 V電壓下的加工效果越來越接近。這是因?yàn)殡娊怆妷簭? V增至12 V時(shí)，電解生成的鈍化膜增厚，使已經(jīng)研磨加工的工件表面因再次電解鈍化而被破壞，不僅表面粗糙度無太大的變化，反而造成資源浪費(fèi)[8]。因此為保證加工效率和質(zhì)量，宜選擇電解電壓為9 V。

圖3 采用不同直徑磁性磨粒時(shí)工件表面粗糙度隨研磨時(shí)間的變化Figure 3 Variation of surface roughness of workpiece with processing time when using different sizes of magnetic abrasive particles

圖4 不同電解電壓下工件表面粗糙度隨研磨時(shí)間的變化Figure 4 Variation of surface roughness of workpiece with processing time at different electrolysis voltages

綜上可知，對(duì)GH4169合金電解–磁力復(fù)合研磨加工的最佳磁極轉(zhuǎn)速、研磨粒子直徑和電解電壓分別為1 200 r/min、185 μm和9 V。

2.4 電解–磁力復(fù)合研磨對(duì)表面微觀形貌的改善

采用VHX-500F型3D超景深電子顯微鏡觀察GH4169合金在最佳工藝條件下加工前、后的表面形貌，結(jié)果見圖5。從圖5可知，工件的原始表面有大量凹坑、凸起以及較深的砂輪加工紋理。經(jīng)過電解–磁力復(fù)合研磨加工10 min后，工件表面變得平整，最大高度差由未加工時(shí)的33.1 μm降至8.5 μm，加工紋理均勻、細(xì)密。

圖5 電解?磁力復(fù)合研磨前后工件的三維形貌Figure 5 3D morphologies of workpiece before and after electrolytic–magnetic composite grinding

2.5 電解–磁力復(fù)合研磨對(duì)工件表面成分的影響

圖6為最佳工藝條件下電解–磁力復(fù)合研磨加工前、后工件的EDS分析結(jié)果。與加工前GH4169合金工件的表面成分相比，加工后的表面成分幾乎沒有改變。這主要是由于磁力研磨的作用使電解鈍化生成的鈍化膜得以有效去除?？梢婋娊猕C磁力復(fù)合研磨加工對(duì)工件的表面成分無太大影響。

圖6 電解?磁力復(fù)合研磨前后工件的EDS分析結(jié)果Figure 6 EDS analysis results of workpiece before and after electrolytic–magnetic composite grinding

2.6 電解–磁力復(fù)合研磨對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

由于受初加工時(shí)塑性變形和加工溫度的影響，工件原始表面的殘余應(yīng)力為+215 MPa(正號(hào)表示拉應(yīng)力)，圖7為其線性擬合關(guān)系曲線。結(jié)合圖7，按式(1)算得經(jīng)電解–磁力復(fù)合研磨后工件表面的殘余應(yīng)力降至?186 MPa(負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力)，零件表面的抗疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕及抗蠕變開裂的能力得到有效提高。此外，良好的壓應(yīng)力狀態(tài)可以使零件在受力時(shí)釋放自身的殘余壓應(yīng)力，從而達(dá)到保護(hù)零件的目的[13]。

圖7 GH4169合金的表面殘余應(yīng)力擬合曲線Figure 7 Fitting curves for surface residual stress of GH4169 alloy

3 結(jié)論

(1) 在優(yōu)化的研磨參數(shù)下，即磁極轉(zhuǎn)速1 200 r/min，電解電壓9 V，磁性研磨粒子直徑185 μm，對(duì)GH4169合金進(jìn)行電解–磁力復(fù)合研磨10 min，表面粗糙度Ra從原始的0.9 μm降至0.08 μm，達(dá)到光整加工的效果。

(2) 經(jīng)電解–磁力復(fù)合研磨后GH4169合金的表面成分與加工前相比，幾乎沒有發(fā)生變化，加工后GH4169合金很好地維持了表面性質(zhì)，且表面殘余應(yīng)力從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。

參考文獻(xiàn)：

經(jīng)轉(zhuǎn)染PRKCI表達(dá)載體的SCC-15細(xì)胞，與對(duì)照組相比，PRKCI基因的表達(dá)量顯著增加且明顯高于未轉(zhuǎn)染PRKCI表達(dá)載體的對(duì)照組細(xì)胞(圖2A，2B)。

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[ 編輯：周新莉 ]

Electrolytic–magnetic composite grinding of GH4169 nickel-based superalloy

YAN Feng, TAN Yue, CHEN Yan*, XU Zhao-kuan

The GH4169 nickel-based superalloy was finished by electrolytic–magnetic composite grinding.The effects of magnetic pole speed, electrolysis voltage and size of magnetic abrasive particles on the surface roughness of GH4169 alloy were studied.The optimal process parameters of electrolytic–magnetic composite grinding were obtained as follows: magnetic pole speed 1 200 r/min, electrolysis voltage 9 V, and magnetic abrasive particle size 185 μm.The surface roughness of GH4169 alloy is decreased from 0.90 μm previously to 0.08 μm after grinding using the optimal process parameters for 10 min.Its microscopic surface morphology is improved apparently with unchanged chemical composition, and the surface stress is converted from tensile to be compressive.

nickel-based superalloy; magnetic grinding; electrolysis; surface roughness; morphology; stress

School of Mechanica1 Engineering and Automation, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China

TG175.3; TG176

A

1004 – 227X (2017) 15 – 0807 – 05

10.19289/j.1004-227x.2017.15.003

2017–04–20

2017–05–19

國(guó)家自然科學(xué)基金（51105187）；遼寧省教育廳基金（2016HZZD02）。

燕峰（1965–），女，遼寧人，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程材料、表面技術(shù)處理。

陳燕，博士，教授，(E-mail) laochen412@gmail.com。