Ti-48Al-2Cr-2Nb脈沖電解加工參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)研究

顧大維，劉 嘉，汪 浩，朱 荻

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

鈦鋁金屬間化合物具有密度低、強(qiáng)度比高、在高溫下的力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是替代高溫合金的理想材料，已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等關(guān)鍵零部件中獲得了重要應(yīng)用[1]。相較于鎳基高溫合金，其優(yōu)勢在于以下方面：首先，鈦鋁金屬間化合物具有較高的彈性模量，能使結(jié)構(gòu)件承擔(dān)更高振頻的振動(dòng)；其次，鈦鋁金屬間化合物在高溫下具有良好的抗蠕變性能，能在高溫環(huán)境下長時(shí)間工作；最后，鈦鋁金屬間化合物具有很好的抗氫性，能提高結(jié)構(gòu)件在高氫環(huán)境中工作的安全性[2]。

在各個(gè)牌號(hào)的鈦鋁金屬間化合物中，最具代表性的是TiAl 4822材料。GE公司選用該材料制造了GEnx航空發(fā)動(dòng)機(jī)第6級(jí)和第7級(jí)低壓渦輪葉片，這是鈦鋁金屬間化合物首次成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，被譽(yù)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料領(lǐng)域轟動(dòng)性的進(jìn)展[3]。然而，TiAl 4822材料的室溫塑性高，在其切削加工中刀具磨損嚴(yán)重且加工表面易出現(xiàn)微裂紋和崩邊，機(jī)械加工該材料極其困難。電解加工是基于陽極電化學(xué)溶解反應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料去除的特種加工技術(shù)，加工時(shí)不受工件材料硬度和塑性的限制，具有效率高、表面質(zhì)量好、工具無損耗等優(yōu)點(diǎn)，特別適合加工鈦鋁金屬間化合物。電解加工技術(shù)已逐步成為鈦鋁金屬間化合物零部件生產(chǎn)的一項(xiàng)重要加工技術(shù)。

針對(duì)鈦鋁金屬間化合物電解加工技術(shù)，國內(nèi)外研究者開展了許多研究。Klocke等[5]研究對(duì)比了多種TiAl間金屬化合物與鈦合金的電化學(xué)加工特性，發(fā)現(xiàn)TiAl間金屬化合物電解加工的效率優(yōu)于鈦合金。Clifton 等[6]研究了 γ-TiAl在 Cl-和 ClO-電解液中的加工特性，研究表明電解液和電解加工參數(shù)對(duì)TiAl間金屬化合物的加工效果起決定性作用。劉嘉等[7]研究了TiAl金屬間化合物在脈沖電解下的加工特性，分析了加工參數(shù)對(duì)MRV和表面質(zhì)量的影響，并優(yōu)化加工工藝參數(shù)取得較好的加工表面質(zhì)量。Memarbash等[8]研究了TiAl間金屬化合物在不同酸性電解液下的電化學(xué)特性，研究表明TiAl間金屬化合物表面的氧化物是一種N型半導(dǎo)體。Heakal等[9]比較了TiAl金屬間化合物和鈦合金在Cl-和N3-溶液中的電化學(xué)特性，研究表明TiAl金屬間化合物和鈦合金在N3-溶液中的加工效率更高。

上述針對(duì)TiAl金屬間化合物電解加工的研究均基于穩(wěn)恒直流的加工條件。目前，國內(nèi)外對(duì)脈沖電流條件下的TiAl金屬間化合物的加工特性研究還較缺乏。為了掌握TiAl金屬間化合物脈沖電解加工特性，本文以TiAl 4822材料為研究對(duì)象，以加工電壓、工具進(jìn)給速度、電解液溫度、占空比和脈沖頻率等參數(shù)設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，以加工工件單位時(shí)間內(nèi)材料蝕除體積速率和表面粗糙度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用層次分析法對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

1 試驗(yàn)方案及條件

1.1 正交試驗(yàn)方案

在電解加工實(shí)驗(yàn)中，加工平衡間隙是設(shè)計(jì)陰極與預(yù)測工件形狀的重要依據(jù)[10]。脈沖電解加工的加工間隙為：

式中：η為電流效率；UR為電解液中的壓降；κ為電解液電導(dǎo)率；v為進(jìn)給速率。

其中，電流效率與加工電壓有關(guān)，而脈沖電源中的電壓需考慮占空比與頻率，且電解液的電導(dǎo)率與電解液溫度有關(guān)。因此，本文以加工電壓、工具進(jìn)給速度、電解液溫度、脈沖占空比和脈沖頻率等作為試驗(yàn)參數(shù)，每個(gè)因素分別選取五個(gè)水平設(shè)計(jì)了L25（55）正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)的因素與水平見表1。電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaCl溶液。

表1 因素水平表

1.2 試驗(yàn)條件

TiAl 4822參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)在自行研制的電解加工機(jī)床上進(jìn)行（圖1a），采用的脈沖電源（圖1b）可實(shí)現(xiàn)最大峰值電壓40 V、最大峰值電流8000 A、最高脈沖頻率2 kHz的加工電能輸出。

圖1 電解加工機(jī)床

試驗(yàn)采用的TiAl 4822工件毛坯見圖2a，其高度為5 mm、底面（即定位面）尺寸為20 mm×10 mm、加工尺寸為15 mm×10 mm。夾具實(shí)物和夾具模型分別見圖2b和圖2c，夾具體采用上下分型式設(shè)計(jì)，包括上座、下座和工件定位座；上、下座用銷釘定位安裝并通過螺釘緊密貼合形成電解加工區(qū)域；定位座安裝在下座上，為工件提供定位、夾緊功能。工具電極見圖2d，電極可拆卸，以便在電解加工出現(xiàn)短路燒傷情況后更換。

電解液的流動(dòng)方式對(duì)電解加工穩(wěn)定性和加工精度具有重要的影響，本試驗(yàn)采用電解液流動(dòng)形式為側(cè)流式，電解液從夾具的進(jìn)液口流入，經(jīng)由上下分型座組成的流道進(jìn)入加工區(qū)域，最終由出液口流出。電解加工流道示意圖見圖3。

2 試驗(yàn)及其結(jié)果

在試驗(yàn)過程中，需在相同的工藝參數(shù)條件下加工至平衡狀態(tài)，可通過極間間隙測量、確定該參數(shù)下的平衡間隙，并以測得的平衡間隙為初始間隙進(jìn)行加工，確保加工盡快進(jìn)入平衡狀態(tài)；當(dāng)加工出現(xiàn)短路時(shí)，更換新的陰極頭，并增加初始加工間隙；若再次出現(xiàn)短路，則認(rèn)為該試驗(yàn)參數(shù)不適合加工。

圖2 電解加工試驗(yàn)夾具

圖3 電解加工流場示意圖

選擇的試驗(yàn)指標(biāo)為MRV和SR。其中，MRV是指在加工面積為15 mm×10 mm的情況下，單位時(shí)間內(nèi)蝕除材料體積速率，mm3/min；SR為表面粗糙度，μm。測量時(shí)，選取工件的五個(gè)不同位置測量五次后，取平均值以保證測量的正確性和穩(wěn)定性。加工后的樣件見圖4，檢測結(jié)果見表2。

圖4 加工樣件

表2 正交試驗(yàn)檢測結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)離散結(jié)果，一般很難分析各因素與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系，因此本文采用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）進(jìn)行分析。AHP法是一種定性與定量結(jié)合的分析方法。采用AHP法進(jìn)行決策分析時(shí)，可將一個(gè)由眾多因素構(gòu)成的相互關(guān)聯(lián)復(fù)雜系統(tǒng)從不同角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，且每個(gè)角度的評(píng)價(jià)相互獨(dú)立，根據(jù)決策目標(biāo)建立遞階層次結(jié)構(gòu)，得到之間優(yōu)劣關(guān)系與強(qiáng)度關(guān)系，可較為客觀地為試驗(yàn)給出各影響因素的權(quán)值[11]。

3.1 AHP建模分析

采用AHP分析方法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，首先將問題條理化、層次化，構(gòu)造出一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)模型。這些層次可分為三類：最高層（目的層）、中間層（準(zhǔn)則層）和最底層（方案層）。根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容建立的遞階層次結(jié)構(gòu)模型見圖5。

圖5 遞階層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)表2所示的數(shù)據(jù)，為了方便后文進(jìn)行權(quán)值計(jì)算，給出如下的矩陣定義：

（1）定義1：試驗(yàn)考察指標(biāo)層矩陣。如果正交實(shí)驗(yàn)中有n個(gè)因素，每個(gè)因素有m個(gè)水平，因素Ai的第j水平下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的均值為Kij，并稱Kij為因素Ai的第j水平對(duì)試驗(yàn)的影響效應(yīng)，并建立試驗(yàn)考察指標(biāo)層矩陣[12]為：

（2）定義2：因素層矩陣。 令：

則構(gòu)建因素層矩陣為：

（3）定義3：水平層矩陣。正交試驗(yàn)中因素Ai的極差為：

Si是A1因素的極差占所有因素的極差總和的比 ，則構(gòu)建水平層矩陣為：

（4）定義4：影響試驗(yàn)指標(biāo)值權(quán)矩陣，有：

則構(gòu)建指標(biāo)值權(quán)矩陣為：

其中：

式中：K11T1為因素A1第一水平的指標(biāo)值占A1所有水平的指標(biāo)值總和的比值。二者乘積的數(shù)值不僅能反映因素A1第一水平對(duì)指標(biāo)值的影響程度，也能反映因素A1極差的大小，其他因素和水平也是如此。

通過計(jì)算可得出各因素水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果考察指標(biāo)影響的權(quán)重，根據(jù)權(quán)重能得出最優(yōu)方案及影響因素的主次順序[12]。

3.2 權(quán)矩陣計(jì)算

對(duì)于MRV而言，其值越高，電解加工效率就越高。因此，對(duì)于MRV的試驗(yàn)考察指標(biāo)層矩陣采用Mij=Kij。就SR來說，其值越低，加工表面質(zhì)量就越好。因此，對(duì)于SR的試驗(yàn)考察指標(biāo)層矩陣采用Mij=1/Kij。

通過式（2）～式（10）的計(jì)算，可得出如表 3 所示的各因素對(duì)于SR、MRV的權(quán)重。由表4所示的各正交試驗(yàn)的權(quán)重可見，第24組試驗(yàn)在所有正交試驗(yàn)中具有最高的權(quán)重（0.29955），即第24組試驗(yàn)參數(shù)加工所得的工件與試驗(yàn)結(jié)果的期望值最接近。由表2可知，第24組試驗(yàn)參數(shù)組合為A5B4C3D2E1。

表3 各因素的權(quán)重

然而，五因素五水平的試驗(yàn)共有55種參數(shù)組合，而正交試驗(yàn)只是這55種參數(shù)組合中的25組，在其余試驗(yàn)組中可能存在權(quán)重高于0.29955（即A5B4C3D2E1）的參數(shù)組合，因此有必要計(jì)算分析單因素對(duì)試驗(yàn)權(quán)重的影響。

表4 各正交實(shí)驗(yàn)的權(quán)重

通過計(jì)算可得各加工參數(shù)的每一個(gè)水平的權(quán)重，計(jì)算公式為：

由圖6可見，A5B3C2D2E5是最優(yōu)的試驗(yàn)加工參數(shù)組合。在正交試驗(yàn)的五個(gè)因素中，進(jìn)給速度的權(quán)值最大、加工電壓的權(quán)值最小，因此，進(jìn)給速度是影響TiAl 4822加工的主要因素，而加工電壓對(duì)于TiAl 4822加工的影響較小。

圖6 各加工參數(shù)的每一水平的權(quán)重

4 優(yōu)化參數(shù)驗(yàn)證

理論分析出的優(yōu)化組合A5B3C2D2E5并非25組正交試驗(yàn)中的一組。優(yōu)化的參數(shù)組合為：電壓35 V、進(jìn)給速度1.4 mm/min、電解液溫度30℃、電源占空比30%、電源頻率0.6 kHz。在保持其他加工條件不變的情況下，將電解加工工藝參數(shù)調(diào)整為綜合多項(xiàng)工藝指標(biāo)的最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行檢測，測得的工件表面粗糙度為1.11 μm，比第24組試驗(yàn)的1.33 μm降低了16.5%；測得的MRV值為215.3 mm3/min，比第24組試驗(yàn)的181.5 mm3/min提升了18.6%。

圖7是最優(yōu)工藝參數(shù)組合加工的工件與第24組試驗(yàn)參數(shù)組合加工的工件表面粗糙度對(duì)比曲線?？梢?，優(yōu)化參數(shù)加工所得試件的形貌平整性優(yōu)于第24組參數(shù)加工所得的試件。

圖7 電鏡掃描工件形貌對(duì)比

5 單因素試驗(yàn)驗(yàn)證

上文針對(duì)正交試驗(yàn)的分析表明，進(jìn)給速度對(duì)TiAl 4822電解加工影響較大，加工電壓對(duì)電解加工影響較小。為進(jìn)一步探究TiAl 4822電解加工工藝，針對(duì)加工電壓和進(jìn)給速度設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)見表5，其標(biāo)準(zhǔn)加工參數(shù)見表6。單因素試驗(yàn)指標(biāo)為SR和MRV，試驗(yàn)結(jié)果分別見圖8和圖9。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了AHP分析結(jié)果，隨著進(jìn)給速度的變化，SR與MRV也會(huì)發(fā)生較大變化，而加工電壓的變化對(duì)于SR和MRV影響較小。由圖8、圖9可知，隨著進(jìn)給速度的提高，平衡加工間隙減少，電流密度增大，工件表面加工質(zhì)量得到提升，且MRV增大。加工電壓對(duì)于電解加工影響較小，隨著加工電壓的增大，SR有下降趨勢，而MRV有增加趨勢。

表5 單因素試驗(yàn)參數(shù)

表6 單因素試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)加工參數(shù)

圖8 加工參數(shù)對(duì)于SR的影響

圖9 加工參數(shù)對(duì)于MRV的影響

6 結(jié)束語

本文通過對(duì)TiAl 4822的脈沖電解加工工藝參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了基于加工電壓、進(jìn)給速度、電解液溫度、電源占空比及電源頻率五因素的正交試驗(yàn)，通過AHP法分析得到TiAl 4822在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaCl電解液溶液條件下的最優(yōu)脈沖電解加工參數(shù)組合，具體為：電壓35 V、進(jìn)給速度1.4 mm/min、電解液溫度30℃、電源占空比30%、電源頻率0.6 kHz，并在此工藝參數(shù)下開展了驗(yàn)證試驗(yàn)，制備出了MRV為215.3 mm3/min和表面粗糙度為1.11 μm的TiAl 4822加工試件，并通過單因素試驗(yàn)針對(duì)進(jìn)給速度和加工電壓進(jìn)行探究，表明進(jìn)給速度對(duì)電解加工影響較大，驗(yàn)證了AHP分析結(jié)論。