TC4鈦合金異形型腔電解加工實(shí)驗(yàn)研究

楊振文 ，趙建社 ，呂焱明 ，范延濤 ，劉鼎銘 ，何亞峰 ，2

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016；2.常州工學(xué)院，江蘇常州 213002）

TC4鈦合金異形型腔電解加工實(shí)驗(yàn)研究

楊振文1，趙建社1，呂焱明1，范延濤1，劉鼎銘1，何亞峰1，2

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016；2.常州工學(xué)院，江蘇常州 213002）

通過分析鈦合金電解加工時(shí)金屬基體表面點(diǎn)蝕、鈍化過程，研究了NaNO3電解液、NaCl電解液及其混合電解液對TC4鈦合金的電化學(xué)溶解特性的影響。對比分析不同成分電解液中的工件表面質(zhì)量和加工效率，最終選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%NaNO3和20%NaCl的混合電解液進(jìn)行TC4鈦合金異形型腔電解加工工藝實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：采用混合電解液可實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金異形型腔的高效加工，穩(wěn)定加工速度可達(dá)2.8 mm/min；當(dāng)陰極進(jìn)給速度為2.4 mm/min時(shí)，型腔一致性較好。

電解加工；TC4鈦合金；電解液；異形型腔

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)異特性[1]，常用于飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)部件和緊固連接件。以該類材料制成的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣和輪盤中，存在大量以三角形、方形、梯形等形狀特征為主的異形型腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)的高效穩(wěn)定加工具有重要意義。電解加工是基于電化學(xué)陽極溶解原理實(shí)現(xiàn)金屬工件的蝕除，且不受材料強(qiáng)度、剛度限制，加工效率較高，符合鈦合金加工工藝需求[2-3]。但鈦合金在電解加工過程中表現(xiàn)出極化程度較大、過電位較高等特性[4-6]，這是由于鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑，當(dāng)暴露于空氣、水或其他含氧介質(zhì)時(shí)，其表面會(huì)形成厚度約0.5~7 nm的致密氧化層[7]，在具有優(yōu)異耐腐蝕性的同時(shí)，表面金屬基體溶解受到抑制。

電解加工所用的電解液是突破鈍化層阻礙、促進(jìn)鈍化膜溶解的關(guān)鍵所在，選用合理的電解質(zhì)成分是實(shí)現(xiàn)鈦合金材料高效穩(wěn)定加工的基礎(chǔ)。目前，電解加工多采用成分單一的中性鹽溶液[4，6，8]，這是因?yàn)槠浔阌诤罄m(xù)參數(shù)控制，可滿足大多數(shù)材料的蝕除需求。但鈦及其合金在電解加工時(shí)，工件表面易鈍化，加工難度大，單一成分的電解液難以滿足其工藝需求，故近年來也有學(xué)者嘗試采用非水電解質(zhì)。Fushimi等[9]研究了Ti金屬在含NaCl的乙二醇溶液中的陽極溶解行為，并獲得質(zhì)量較好的表面。Sj?str?m 等[10]將 NaBr溶于乙二醇溶液，在 Ti金屬表面加工出一致性較好的凹槽結(jié)構(gòu)。這主要是因?yàn)殡娊庖涸跓o水或含水量較低時(shí)，工件表面介質(zhì)中含氧量較少，影響了電解加工金屬表面氧化層的形成[11]，從而有利于鈦及其合金的穩(wěn)定加工。雖然非水電解質(zhì)隔離了形成鈍化膜的氧氣源，但對中性鹽的溶解能力較差，溶液電導(dǎo)率普遍較低，通常適用于微細(xì)加工領(lǐng)域。

本文分析了電解加工過程中金屬基體的點(diǎn)蝕、鈍化過程，研究了不同活性的NaNO3、NaCl電解液對TC4鈦合金的電化學(xué)溶解特性的影響，并據(jù)此開展了NaNO3和NaCl混合電解液的電解加工實(shí)驗(yàn)研究。通過對比不同成分的電解液對TC4鈦合金表面質(zhì)量和加工效率的影響，最終選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%NaNO3和20%NaCl的混合電解液進(jìn)行TC4鈦合金異形型腔電解加工工藝實(shí)驗(yàn)。

1 鈦合金電化學(xué)溶解原理

電解加工時(shí)，工具陰極以進(jìn)給速度v相對于工件做直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。當(dāng)極間間隙Δ相對于v變得太小時(shí)，將引起局部堵塞，造成火花放電或短路，影響電解加工的穩(wěn)定性。另外，鈦合金在電解加工過程中，其金屬表面形成了阻礙加工穩(wěn)定進(jìn)行的氧化層（主要成分為Ti2O3和TiO2）和帶粘附性的電解產(chǎn)物（主要成分為 Ti(OH)3、Ti(OH)4、H2TiO3）[6，12]，也會(huì)影響金屬溶解的穩(wěn)定性。

圖1是電解加工鈦合金時(shí)，金屬基體表面的電化學(xué)溶解示意圖。金屬基體暴露于含氧電解質(zhì)中，表面易鈍化生成致密氧化層[13-14]。滲透機(jī)制指出[15]：溶液中的侵蝕性陰離子，一方面可通過氧化層傳遞到基體表面，參與金屬/氧化物界面的局部反應(yīng)；另一方面會(huì)與表面具有保護(hù)性的氧化層反應(yīng)，造成氧化層局部溶解、變薄，進(jìn)而形成半球形點(diǎn)蝕凹坑。當(dāng)氧化層局部區(qū)域破裂后，陽極金屬表面將發(fā)生如下反應(yīng)：

（1）金屬基體鈦發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的Tin+（n=3，4）進(jìn)入電解液中，并與其中的陰離子相結(jié)合，主要生成不溶性的氫氧化物和水合氧化物：

（2）裸露的基體表面發(fā)生氧化反應(yīng)，生成新的氧化層：

圖1 鈦合金表面電化學(xué)溶解示意圖

該氧化層是影響鈦合金高效穩(wěn)定加工的決定性因素。當(dāng)氧化層的生成速度高于點(diǎn)蝕速度時(shí)，陽極處于鈍化狀態(tài)，不可加工；當(dāng)氧化層的生成速度低于點(diǎn)蝕速度時(shí)，金屬基體可持續(xù)溶解。同時(shí)，加工所用電解液的成分直接決定加工過程中的點(diǎn)蝕速度和氧化層生成速度，從而影響工件表面質(zhì)量和加工效率。根據(jù)電解液中侵蝕性陰離子對金屬材料活化能力的大小，可將電解液分為活性電解液和鈍性電解液，且不同類型的電解液對鈦合金金屬基體的點(diǎn)蝕、鈍化作用存在明顯差異。

2 材料溶解特性研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及準(zhǔn)備

為研究不同成分的電解液對TC4鈦合金材料的點(diǎn)蝕與鈍化作用的差異，設(shè)計(jì)了電解加工夾具裝置（圖2）。該夾具用有機(jī)玻璃制成，加工時(shí)工具陰極固定，工件做勻速直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，僅端部的截面尺寸為10 mm×20 mm的工作面處于溶解狀態(tài)。通過試加工調(diào)節(jié)初始對刀間隙，工件材料蝕除速率與陰極進(jìn)給速度可迅速達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖2 鈦合金試件電解加工裝置

TC4鈦合金工件的成分組成見表1。加工前，先用粒度為W5（1200目）的金相砂紙對工件表面進(jìn)行打磨處理，再將工件浸泡在酒精溶液中超聲清洗，待擦拭風(fēng)干、稱重后用于實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 電解液性質(zhì)的影響分析

電解液中的侵蝕性陰離子對鈦合金表面鈍化層的溶解起決定性作用。常用陰離子對Ti的活化能力順序?yàn)锽r--＞Cl-＞I-＞ClO＞NO＞SO?？紤]到NaBr和KBr對設(shè)備腐蝕較大，而NaSO4活性太低，故選用工程應(yīng)用中使用較多且活性不同的電解質(zhì)NaCl、NaNO3進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，加工參數(shù)見表2。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分表

表2 電解質(zhì)對比實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

2.2.1 表面質(zhì)量對比分析

為研究不同成分電解液對TC4鈦合金電解加工表面質(zhì)量的影響，分別采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為10%的NaNO3電解液及NaCl電解液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)工件進(jìn)給速度為1.2 mm/min時(shí)，不同成分電解液加工試件的表面形貌見圖3，對應(yīng)區(qū)域測得的試件表面化學(xué)成分能譜分析見圖4?？梢姡觅|(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaNO3電解液加工所得的試件表面存在明顯的層積狀結(jié)構(gòu)，能譜分析結(jié)果（圖4a）顯示，金屬表面的含氧量明顯高于加工開始前的TC4鈦合金成分中的0.1%含氧量，故可知，該層積狀結(jié)構(gòu)主要為含氧鈍化層 （圖3a）。這是由于NaNO3自身為鈍性電解質(zhì)，其對鈦合金表面氧化層的蝕除能力弱，金屬基體溶解困難。

用活性較強(qiáng)的NaCl電解液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%）加工所得的試件表面出現(xiàn)大量點(diǎn)蝕較明顯的凹坑，且隨著點(diǎn)蝕凹坑數(shù)量的增加，大量的蝕坑重疊，金屬表面鈍化層得以有效蝕除（圖3b）。此時(shí)，能譜分析測得試件表面含有少量Cl-（圖4b），這是由于活性陰離子Cl-侵蝕性較強(qiáng)，與金屬基體發(fā)生了反應(yīng)：

該反應(yīng)生成的TiCl4，一部分殘留在試件表面，另一部分則發(fā)生水解反應(yīng)，主要生成了不溶性的氫氧化物：

上述反應(yīng)生成的不溶性產(chǎn)物被高速流動(dòng)的電解液帶出加工間隙，使電解加工得以穩(wěn)定進(jìn)行。

圖4 不同成分電解液加工試件的表面能譜分析

采用不同成分的電解液加工得到的試件整體形貌見圖5。從測量結(jié)果可知，由于NaNO3電解液為鈍性電解液，其集中蝕除材料的能力較強(qiáng)，故所得試件總體一致性較好（圖5a）；但加工過程中生成的鈍化層不易蝕除，因此加工效率難以進(jìn)一步提高。采用NaCl電解液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，40℃時(shí)電導(dǎo)率為0.183 S/cm）加工時(shí)，陰離子較強(qiáng)的活化作用可使試件邊緣、電解液入口處出現(xiàn)明顯圓角（圖5b），試件表面平整性變差。同時(shí)，在異形型腔電解加工過程中，活性較強(qiáng)的氯離子會(huì)對型腔側(cè)壁已加工表面造成點(diǎn)蝕，從而影響型腔的成形精度和表面質(zhì)量。在綜合考慮NaNO3的鈍化和NaCl的活化能力后，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%NaNO3和20%NaCl的混合電解液（40℃時(shí)電導(dǎo)率為0.192 S/cm），通過電解液中鈍性和活性陰離子的相互補(bǔ)償作用，達(dá)到均勻的活化溶解或超鈍化溶解。在相同工藝參數(shù)下，用混合電解液加工得到的試件一致性明顯改善，表面質(zhì)量得到提高（圖5c）。

圖5 不同電解液加工試件的表面形貌

2.2.2 ηω-i特性曲線對比分析

在既定的電解質(zhì)溶液中，合金的電流效率曲線反映了不同電流密度下的材料溶解速率。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常將電流效率η和元素的體積電化學(xué)當(dāng)量ω的乘積作為反映電解液中金屬元素溶解能力的指標(biāo)。根據(jù)法拉第定律可知，元素的實(shí)際體積電化學(xué)當(dāng)量ηω滿足以下關(guān)系：

式中：m為陽極溶解的金屬質(zhì)量；ρ為金屬密度；I為加工電流；t為加工時(shí)間。

為了獲得溶解的陽極質(zhì)量，用電子天平測量實(shí)驗(yàn)前、后的工件質(zhì)量。加工過程中，通過調(diào)整工件與陰極之間的初始加工間隙，以減少加工達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，從而使加工電流保持近似恒定。同時(shí)，為減小隨機(jī)誤差，對每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行三次，最終取所得數(shù)據(jù)的平均值。

圖6是在不同電解液中，通過改變陰極進(jìn)給速度（范圍為0.4~1.2 mm/min）和初始加工間隙（范圍為0.1~0.8 mm）所得的ηω-i特性曲線。可見，ηω-i曲線呈非線性關(guān)系，這是因?yàn)門C4鈦合金中參與化學(xué)反應(yīng)的金屬原子價(jià)隨著電流密度的變化而變化。當(dāng)電流密度低于10 A/cm2時(shí)，隨著電流密度的減小，ηω值仍有增長趨勢，說明TC4鈦合金在低電流密度時(shí)仍會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕作用。隨著電流密度的增大，ηω值逐步趨于穩(wěn)定。當(dāng)電流密度較低時(shí)，用NaNO3電解液加工所得的ηω值略高于NaCl電解液，這可能是由于加工過程中金屬材料溶解不充分所致。隨著電流密度的增大，金屬基體穩(wěn)定溶解，NaCl電解液中活性較強(qiáng)的氯離子能促進(jìn)鈦合金表面鈍化層的溶解，材料蝕除效率較高，故使ηω值提高。

圖6 不同電解液中ηω-i特性曲線

綜合對比不同成分的電解液對TC4鈦合金加工表面質(zhì)量和加工效率的影響可知，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%NaNO3和20%NaCl的混合電解液，其鈍性和活性陰離子的相互補(bǔ)償作用可實(shí)現(xiàn)鈦合金的均勻活化或超鈍化溶解，加工所得的工件表面一致性較好，且加工效率較高。

3 異形型腔電解加工實(shí)驗(yàn)

基于TC4鈦合金在不同電解液中的溶解特性分析結(jié)果，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%NaNO3和20%NaCl的混合電解液，開展了TC4鈦合金異形型腔電解加工實(shí)驗(yàn)。型腔的特征尺寸見圖7，電解加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 異形型腔電解加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

圖7 異形型腔特征及尺寸

通過測量加工所得型腔與工具陰極的側(cè)邊間隙來表征型腔輪廓一致性。型腔輪廓由三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行采樣，測量精度為(3.5+4L)/1000 μm（L為被測件長度）。加工所得型腔輪廓的采樣點(diǎn)分布情況見圖8（單個(gè)型腔取100個(gè)樣點(diǎn)）。

圖8 型腔輪廓與工具陰極相對位置分布圖

型腔輪廓樣點(diǎn)與陰極型面的側(cè)邊間隙ΔS的分布范圍見圖9，標(biāo)記的上下頂點(diǎn)數(shù)值表示加工間隙的極值，用以反映型腔側(cè)邊間隙的分布范圍。可見，隨著陰極進(jìn)給速度的提高，加工間隙的平均值逐漸減小，而間隙分布區(qū)間卻呈先減小、后增大的趨勢。分析原因：隨著陰極進(jìn)給速度的提高，端面平衡間隙減小，同時(shí)陰極對型腔側(cè)壁二次腐蝕降低，使側(cè)壁間隙減小、加工精度提高；隨著加工間隙進(jìn)一步減小，工具陰極表面加工質(zhì)量對加工區(qū)域流場影響較顯著，電解產(chǎn)物排出變得困難，使型腔側(cè)壁間隙波動(dòng)變大、一致性變差。從圖9還可看出，工具陰極的穩(wěn)定進(jìn)給速度可達(dá)2.8 mm/min；當(dāng)陰極進(jìn)給速度為2.4 mm/min時(shí)，加工出的型腔一致性相對較好（圖10），型腔輪廓精度符合半精加工工藝需求。

圖9 型腔側(cè)邊間隙分布圖

圖10 陰極進(jìn)給速度2.4 mm/min時(shí)加工出的異形型腔

4 結(jié)論

本文研究了不同成分的電解液對鈦合金電化學(xué)溶解特性的影響，并選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%NaNO3和20%NaCl的混合電解液進(jìn)行TC4鈦合金異形型腔電解加工實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）NaCl電解液活性較強(qiáng)，可有效蝕除TC4鈦合金表面鈍化層，促進(jìn)金屬基體穩(wěn)定溶解，但也降低了工件復(fù)制精度；NaNO3電解液對工件表面鈍化層的蝕除能力相對較差，加工效率難以提高；NaCl和NaNO3的混合電解液通過其鈍性和活性陰離子的相互補(bǔ)償作用，可實(shí)現(xiàn)均勻活化或超鈍化溶解，從而獲得較高的表面質(zhì)量和材料蝕除效率。

（2）采用NaCl和NaNO3的混合電解液可實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金異形型腔的高效穩(wěn)定加工，工具陰極的穩(wěn)定進(jìn)給速度可達(dá)2.8 mm/min。當(dāng)陰極進(jìn)給速度為2.4 mm/min時(shí)，加工所得型腔輪廓的一致性較好，符合半精加工工藝需求。

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Experimental Study on ECM of TC4 Titanium Alloy Profiled Cavity

YANG Zhenwen1，ZHAO Jianshe1，LYU Yanming1，F(xiàn)AN Yantao1，LIU Dingming1，HE Yafeng1，2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002，China ）

The surface corrosion and passivation of titanium alloy substrate during ECM processing were analyzed.The dissolution characteristics of TC4 titanium alloy and influence of electrolyte has been studied by ECM with NaNO3electrolyte，NaCl electrolyte and its mixed electrolyte.Comparing with the surface quality and processing efficiency of workpiece with different electrolytes，the mixed electrolyte with 10%NaNO3and 20%NaCl was used for the experimental study of TC4 titanium alloy profiled cavity processing.The results showed that the TC4 titanium alloy profiled cavity with better consistency can be stably processed by using the mixed electrolyte，and the cathode feed rate can reach 2.8 mm/min.When the cathode feed rate is 2.4 mm/min，the precision can reach the process requirement.

ECM；TC4 titanium alloy；electrolyte；profiled cavity

TG662

A

1009－279X（2017）05－0034-05

2017-07-20

研究生創(chuàng)新基地 （實(shí)驗(yàn)室）開放基金資助項(xiàng)目（kfjj20160504）；江蘇省自然科學(xué)基金基礎(chǔ)研究計(jì)劃面上項(xiàng)目（BK20161193）

楊振文，男，1993年生，碩士研究生。