鈦合金電解加工表面質(zhì)量分析與實驗研究

黃明濤，劉莫邪，程小元，張明岐，傅軍英，張志金

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京100024）

鈦合金因具有重量輕、強(qiáng)度高及高抗氧化、耐腐蝕性等優(yōu)點，在航空航天工業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，常作為航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)葉片、擴(kuò)散機(jī)匣、航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等的材料[1]。由于機(jī)械加工后的鈦合金表面存在殘余應(yīng)力[2]，其加工問題受到廣泛關(guān)注。而電解加工具有加工速度快、加工質(zhì)量好、成本低、不產(chǎn)生殘余應(yīng)力、加工過程中電極不產(chǎn)生損耗等優(yōu)點[3-4]，引起了人們的普遍注意。

鈦合金電解加工特性復(fù)雜，除了存在共性的加工精度問題之外，還存在加工過程不穩(wěn)定、表面粗糙度不理想、加工表面易析氫、非加工表面易產(chǎn)生點蝕、表面極易形成氧化物薄膜等問題[5]。因此，探索鈦合金的電解加工規(guī)律是當(dāng)前需要解決的問題之一。本文以TC17鈦合金為研究對象，針對其電解加工過程中表面易產(chǎn)生褐色氧化層的問題進(jìn)行了分析，研究了脈沖參數(shù)、進(jìn)給速度對褐色氧化膜及其表面質(zhì)量產(chǎn)生的影響，可為TC17鈦合金電解加工的相關(guān)研究提供技術(shù)依據(jù)。

1 實驗裝置及方案

實驗裝置見圖1a。其中，電極采用棒狀平頭電極（圖1b），并沿圖1a所示方向做往復(fù)振動進(jìn)給；試件形狀見圖1c，其加工面直徑為30 mm。電解液采用側(cè)向供液方式，從一側(cè)流經(jīng)試樣表面，再從另一側(cè)排出。實驗采用脈沖振動電解加工，振動方式為正弦振動，振動頻率為40 Hz，每個振動周期內(nèi)發(fā)出三個脈沖，將脈沖導(dǎo)通角的前導(dǎo)通角和后導(dǎo)通角按照2∶1的比例分配，一個振動周期內(nèi)的脈沖電流見圖2。

在相同條件下，選取加工初始間隙為0.2 mm、加工電壓為22 V、加工行程為3 mm、電極振動幅度為0.3 mm；選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3電解液，電解液壓力為0.8 MPa，脈沖周期為0.65 ms；采用不同的進(jìn)給速度和脈沖參數(shù)進(jìn)行加工，取進(jìn)給速度為0.3～0.7 mm/min，具體脈沖參數(shù)見表1。

圖1 實驗裝置示意圖及試樣

圖2 一個振動周期內(nèi)的脈沖電流示意圖

表1 脈沖參數(shù)

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 進(jìn)給速度對加工表面質(zhì)量的影響

圖3是脈沖寬度為0.35 ms、脈間寬度為0.3 ms時在不同進(jìn)給速度下得到的電解加工表面，其中Δ為加工平衡間隙。由圖3可見，隨著進(jìn)給速度的提高，平衡間隙逐漸減小，試件表面質(zhì)量逐漸變差且表面逐漸出現(xiàn)褐色氧化層；通過降低電極的進(jìn)給速度可有效避免褐色氧化層的出現(xiàn)，但進(jìn)給速度的降低會增大加工平衡間隙，從而降低電解加工的成形精度。

圖3 不同進(jìn)給速度下的加工表面及平衡間隙

圖4是加工表面氧化層形貌及流場的示意圖。由此推斷，隨著進(jìn)給速度的提高，加工間隙減小、流場變差，電解加工產(chǎn)物未能及時被沖走而附著于加工表面，從而形成了褐色氧化層；圖4b所示的流場中部流程較長，更易造成加工產(chǎn)物堆積，堆積物分布范圍應(yīng)呈現(xiàn)出上窄下寬的特征，而圖4a所示的褐色氧化層分布恰恰證明了這一點。

圖4 表面氧化層和流場示意圖

2.2 脈沖參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響

圖5、圖6分別是在不同脈沖寬度條件下、改變電解加工的進(jìn)給速度得到的試樣表面及加工平衡間隙。從圖3、圖5、圖6可看出，在脈沖周期不變的情況下，減小脈沖寬度（即減小脈沖占空比）可有效減弱和避免褐色氧化層的形成，同時有助于降低電解加工平衡間隙，提高成形精度。如圖6c所示，在脈沖寬度為0.2 ms、進(jìn)給速度為0.05 mm/min時得到的加工平衡間隙為0.029 mm，遠(yuǎn)小于圖3d所示的脈沖寬度為0.35 ms、進(jìn)給速度為0.07 mm/min時的平衡間隙0.085 mm，且試樣表面未出現(xiàn)褐色氧化層，其光潔度高、表面質(zhì)量好。分析原因：由于減小了脈沖占空比，縮短了脈沖實際加工時間，同時增大了小間隙下的沖刷時間，有利于電解產(chǎn)物從加工間隙排出，抑制了產(chǎn)物堆積，有效地避免了褐色氧化層的形成，從而提高電解加工表面質(zhì)量。同時，減小脈沖占空比可大幅減小電解加工的平衡間隙，從而提高電解加工的成形精度。

圖5 脈寬0.25 ms、脈間0.4 ms時在不同進(jìn)給速度下得到的電解加工表面

圖6 脈寬0.2 ms、脈間0.45 ms時在不同進(jìn)給速度下得到的電解加工表面

2.3 褐色氧化層分析

選取圖3d所示的有褐色氧化層試樣 （加工參數(shù)為脈寬 0.35 ms、v=0.07 mm/min、Δ=0.085 mm）和圖6c所示的無褐色氧化層試樣 （加工參數(shù)為脈寬0.2 ms、v=0.05 mm/min、Δ=0.029 mm）進(jìn)行分析。

2.3.1 顯微組織分析

利用掃描電鏡觀察上述兩種試樣的電解加工表面及中部剖切面，其顯微組織分別見圖7和圖8。可見，無褐色氧化層的試樣加工表面平整且無缺陷，剖切面的加工邊緣平齊；有褐色氧化層的試樣加工表面形成大量溝槽，剖切面的加工邊緣不平整、組織疏松并出現(xiàn)孔洞，而從加工面的顯微形貌明顯可見，該褐色氧化層是一種疏松多孔的組織。

圖7 無褐色氧化層試樣顯微組織形貌

圖8 有褐色氧化層試樣顯微組織形貌

2.3.2 能譜分析

對上述兩種試樣剖切面的元素成分進(jìn)行檢測，通過分析不同位置的氧元素含量大致確定氧化層厚度。X射線光電子能譜分析是元素定量和定性分析的有效手段，可根據(jù)能譜圖中的光電子譜線強(qiáng)度反映原子的含量或相對含量[6]。實驗分別對兩種試樣做X射線光電子能譜元素含量分析，取樣位置見圖9。

TC17合金的主要成分是Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4cr，各元素含量見表2[7]。兩種試樣表層的元素檢測結(jié)果見表3，可知，無褐色氧化層試樣的表層氧元素含量僅為3.74%，可推斷其來源于表面的鈍化膜；有褐色氧化層試樣表層的氧元素含量高達(dá)24.1%，可推斷出褐色氧化層不是由鈦合金表面鈍化形成，而是由氧化產(chǎn)物附著而成。

表2 TC17鈦合金成分[7]

表3 能譜分析兩種試樣表層元素含量

通過能譜分析可知，無褐色氧化層試樣中A、B兩組各點的氧含量均接近于0，其氧化膜的厚度遠(yuǎn)小于0.5 μm，幾乎可忽略不計。有褐色氧化層試樣中C、D兩組各點的氧含量見表4，可見，剖切面氧含量隨著深度的增加而逐漸遞減，氧化層的平均厚度約為2 μm。而根據(jù)圖9b所示褐色氧化層孔洞的深度分析，褐色氧化層的最大厚度可達(dá)4 μm以上。2.3.3 表面粗糙度分析

通過對兩個試樣表面粗糙度的檢測可知，無褐色氧化層試樣的表面粗糙度值為Ra0.43 μm，有褐色氧化層試樣的表面粗糙度值為Ra0.97 μm。由此可見，褐色氧化層的存在大幅提高了表面粗糙度值，從而影響電解加工表面質(zhì)量。

表4 有褐色氧化層試件在不同位置的氧含量

2.3.4 硬度分析

TC17鈦合金母材、無褐色氧化層電解加工表面、有褐色氧化層電解加工表面的顯微硬度見圖10。可見，TC17鈦合金母材硬度約為402 HV，無褐色氧化層試件表面硬度為376 HV。這是由于電解加工屬于非接觸式加工，不但不會在工件表面形成冷作硬化層，反而會消除前道工序產(chǎn)生的硬化層，故使得電解加工表面硬度有所降低[8]。與無褐色氧化層試樣硬度相比，有褐色氧化層試樣的表面硬度下降明顯，約為334 HV。這主要是因為褐色氧化層是一種疏松多孔的組織，其厚度可達(dá)4 μm，從而降低了表面硬度。

圖10 不同試樣表面顯微硬度

3 結(jié)論

（1）TC17鈦合金電解加工表面易出現(xiàn)一種褐色氧化層，這種氧化層是由于電解產(chǎn)物附著在加工表面形成的一種疏松多孔組織，厚度可達(dá)4 μm以上。這種氧化層增大了工件表面粗糙度值，降低了表面硬度。

（2）減小電解加工過程中的電極進(jìn)給速度，能有效抑制褐色氧化層的產(chǎn)生，但也會導(dǎo)致加工間隙增大，降低加工精度。

（3）在脈沖周期不變的情況下，縮小脈沖的占空比可有效抑制褐色氧化層的產(chǎn)生，同時能保持較小的穩(wěn)定加工間隙，提高加工精度。