激光打孔孔壁重鑄層的電解去除工藝研究

劉雪松,段文強(qiáng),王恪典,董霞,梅雪松

(1.西安交通大學(xué)陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造與系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;3.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安)

航空技術(shù)以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為重要的一環(huán),是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。為滿足先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比、高燃燒效率等性能要求,發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件(如燃燒室、渦輪葉片等)都在極高的溫度下工作。目前,先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口溫度已經(jīng)達(dá)到了1 650 ℃以上[1],遠(yuǎn)高于最先進(jìn)的第五代單晶鎳基高溫合金的最高承受溫度1 300 ℃[2],故發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件上都廣泛采用氣膜冷卻技術(shù)[3]。氣膜冷卻孔的孔徑一般在0.20～1.25 mm之間,且深徑比大,單個(gè)葉片上就分布上百的氣膜孔,燃燒室甚至有高達(dá)數(shù)萬(wàn)的氣膜孔[4]。激光打孔技術(shù)具有加工材料不受限制、可加工大深徑比斜孔、效率高和無(wú)工具損耗等優(yōu)點(diǎn),故廣泛用于加工發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜冷卻孔[4-5]。

激光打孔是利用熱作用去除材料而形成孔型,加工完成的孔壁、孔口有殘留熔融物形成的重鑄層和毛刺。重鑄層中含有殘余應(yīng)力導(dǎo)致的微裂紋,特別是徑向的微裂紋在外加交變載荷作用下極易向基材擴(kuò)展,引發(fā)零件斷裂失效[6-9]。所以,象航空渦輪葉片等工作環(huán)境惡劣且可靠性要求較高的零部件,不允許存在重鑄層。

目前,激光打孔重鑄層的去除主要有磨粒流研磨、化學(xué)腐蝕、優(yōu)化激光工藝參數(shù)和電解加工[10]。磨粒流研磨加工是基于阻力最小原理進(jìn)行的,對(duì)大孔的材料去除多,對(duì)小孔的材料去除少甚至不去除,但擴(kuò)孔不均勻且存在無(wú)法去除加工“死角”區(qū)域的重鑄層,尤其是在孔的中部位置[9,11]。整體化學(xué)腐蝕法對(duì)工件基體也存在腐蝕作用[12],而定向化學(xué)腐蝕法通用性差,不同的金屬材料或組織結(jié)構(gòu)均需要不同的定向腐蝕液[11]。毫秒激光打孔參數(shù)優(yōu)化后可明顯降低重鑄層厚度,但仍存在較薄的重鑄層[13];飛秒二次加工可以完全去除重鑄層,但飛秒激光器費(fèi)用昂貴、加工條件要求高、效率低[14]。電解加工可去除激光制孔孔壁重鑄層[7,15],目前使用高頻脈沖電源提高了電解加工的表面質(zhì)量和精度。

電解加工是利用金屬材料的電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理實(shí)現(xiàn)零件成型的加工方法,具有加工表面質(zhì)量高、無(wú)殘余應(yīng)力、不受金屬材料力學(xué)性能限制和工具電極無(wú)損耗等優(yōu)點(diǎn)[16-18]。本文針對(duì)鎳基高溫合金GH4169激光打孔形成的重鑄層進(jìn)行電解后處理,整合了激光加工高效率和電解加工高質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。先采用毫秒激光快速加工出預(yù)制孔,然后將電極絲對(duì)中插入孔中,利用電解加工去除孔壁的重鑄層。但電解加工的效率一般較低,對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件數(shù)量龐大的氣膜孔,提高電解加工的效率尤為重要。

本文搭建了激光-電解組合加工實(shí)驗(yàn)裝置,并在實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)激光加工的預(yù)制孔進(jìn)行電解去除重鑄層工藝研究,探究電解速率的影響因素,并確定合適的電解加工工藝參數(shù)。

1 電解去除重鑄層原理

電解去除重鑄層是利用電能、化學(xué)能進(jìn)行陽(yáng)極溶解去除重鑄層的方法,工件與電源正極相連,構(gòu)成陽(yáng)極,電極絲與電源負(fù)極相連,構(gòu)成陰極。兩極間保持一定的間隙,其間充滿流動(dòng)的電解液,接通電源后,開(kāi)始進(jìn)行電解反應(yīng)。工件陽(yáng)極表面發(fā)生氧化反應(yīng),電極絲陰極表面發(fā)生還原反應(yīng)。

工件陽(yáng)極的基本電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程為

(1)

工具陰極的基本電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程為

(2)

2 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)的基本思路是,先用激光在2 mm厚的GH4169鎳基高溫合金上加工出預(yù)制孔,保證同一工位,通過(guò)切換加工頭,將電解電極伸入預(yù)制孔內(nèi),電解加工去除孔壁的重鑄層,具體的加工過(guò)程如圖1所示。激光參數(shù)為優(yōu)化后的參數(shù)[12]:脈寬為0.2 ms,峰值功率為16 kW,重復(fù)頻率為70 Hz,打孔過(guò)程中沿激光頭噴出0.6 MPa的氮?dú)庖约铀偃廴谖锏呐懦?減少毛刺和殘留在孔壁的重鑄層。電解加工時(shí),先將激光加工頭移出加工區(qū),并將電解加工頭移至加工區(qū),將電極絲對(duì)中插入到預(yù)制孔至伸出約2 mm,檢測(cè)是否短路并設(shè)定脈沖電源參數(shù)。先打開(kāi)電解液泵,待電解液均勻地從孔內(nèi)流過(guò),并在出口處看見(jiàn)一條清晰穩(wěn)定的液束,打開(kāi)脈沖電源開(kāi)始電解,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和電源參數(shù)變化情況,根據(jù)設(shè)定的電解時(shí)間將電源關(guān)閉。電解液是一定濃度的硝酸鈉溶液,管壓為0.4 MPa[7]。實(shí)驗(yàn)中,考慮到實(shí)驗(yàn)誤差,每個(gè)參數(shù)下加工3個(gè)孔,加工完成后將樣件進(jìn)行清洗、拋光和金相腐蝕,用掃描電子顯微鏡觀察微孔形貌,用光學(xué)顯微鏡觀察并測(cè)量孔徑,最終取相同參數(shù)下3個(gè)孔徑的平均值。

(a)流程(b)裝置 圖1 電解加工過(guò)程流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的激光-電解組合加工裝置如圖2所示,裝置有激光加工模塊、電解加工模塊和機(jī)床本體,機(jī)床有X、Y、Z三軸,可實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)。Z軸上裝有激光頭和電解頭,二者通過(guò)各自的連接臂安裝到機(jī)床上并可繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)到加工區(qū)域。XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上裝有工作箱,激光加工和電解加工均在工作箱中進(jìn)行。工作箱由有機(jī)玻璃和樹(shù)脂材料拼裝而成,既實(shí)現(xiàn)了和機(jī)床的電氣絕緣,同時(shí)也便于觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

圖2 激光-電解組合加工裝置

2.2.1 激光加工系統(tǒng) 激光由JK300D Nd:YAG毫秒脈沖激光器產(chǎn)生,通過(guò)光纖導(dǎo)引進(jìn)入激光器發(fā)射頭,并由一個(gè)光電式快門控制其通斷。激光器的參數(shù)調(diào)整、模式設(shè)定、狀態(tài)檢測(cè)都由計(jì)算機(jī)控制,激光器具有LED紅光以完成對(duì)刀、調(diào)焦、準(zhǔn)直等工作。

2.2.2 電解加工系統(tǒng) 電解加工系統(tǒng)如圖3所示,系統(tǒng)有供液泵、過(guò)濾器、壓力表、儲(chǔ)液槽以及管路等。電解液經(jīng)過(guò)一個(gè)粗過(guò)濾器由離心泵從儲(chǔ)液槽中抽出進(jìn)入管路,經(jīng)過(guò)濾器進(jìn)行二次過(guò)濾,溢流閥1、2和壓力表可對(duì)管路液壓進(jìn)行調(diào)節(jié)與顯示。工件安裝在工作箱中,高壓電解液從電解頭噴出并作用在工件上,工作箱上有排液口,加工后的電解液由排液口流出,經(jīng)回收過(guò)濾器去除電解產(chǎn)物后流回儲(chǔ)液槽。如圖2所示,電極絲尾部逐漸變粗便于夾持,其材料為金屬鎢,具有導(dǎo)電性能優(yōu)良、剛度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),鎢鋼電極絲對(duì)采用環(huán)電極外沖液的方法產(chǎn)生的擾動(dòng)小,對(duì)于微小孔內(nèi)電解加工具有明顯優(yōu)勢(shì)。電源是一個(gè)脈沖直流電源,其電流、電壓穩(wěn)定性良好,頻率和脈沖寬度均可調(diào)節(jié),頻率范圍廣,且電源具有短路檢測(cè)功能,非常適合電解方面的科研應(yīng)用,其具體的參數(shù)如表1所示。

圖3 電解加工系統(tǒng)示意圖

參數(shù)數(shù)值輸出電流/A0～3輸出電壓/V0～200脈沖頻率/kHz1～50脈沖占空比/%0～100電流穩(wěn)定度/%1電壓穩(wěn)定度/%1

3 電解去除微孔重鑄層實(shí)驗(yàn)

3.1 電解去除重鑄層速率的理論基礎(chǔ)

電流密度J是電解加工的關(guān)鍵參數(shù),直接影響加工效率、電解速率和加工表面質(zhì)量等。工件加工表面法線方向上的電解速率Vn與電流密度J的關(guān)系式為

Vn=ηωJ

(3)

式中:η為電流效率;ω為體積電化當(dāng)量。

電解加工中,電流效率η、體積電化當(dāng)量ω都與實(shí)際工藝條件密切相關(guān),通常把ηω的乘積作為一個(gè)工藝數(shù)據(jù)來(lái)考慮,稱為實(shí)際體積電化當(dāng)量。

電解去除激光預(yù)制孔孔壁重鑄層是電解擴(kuò)孔的過(guò)程,先將電極絲沿孔軸心伸入預(yù)制孔中保持不動(dòng),隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng),孔徑逐漸增大,電解時(shí)間為t時(shí)的電流密度Jt的計(jì)算公式為

Jt=It/2πrth

(4)

式中:It為電解t時(shí)的電流;h為孔的深度;rt為電解t時(shí)孔的半徑。

由式(3)、式(4)得t時(shí)的電解速率為

Vnt=ηωIt/2πrth

(5)

由式(5)易知,電解速率Vnt與ηω、電流It呈正相關(guān)。實(shí)際體積電化當(dāng)量ηω與實(shí)際電解工藝有關(guān),南京航空航天大學(xué)葛媛媛等[19]對(duì)GH4169電解加工的研究表明,在10%的NaNO3電解液中加工GH4169,其ηω與J曲線在ηω<13.8 A/cm2時(shí)上翹,即ηω更大,且不存在截?cái)嚯娏髅芏鹊默F(xiàn)象;但當(dāng)J>13.8 A/cm2時(shí),ηω大致保持在1.48 mm2/(A·min)不變。

在電解過(guò)程中,一般保持電解電流或電解電壓恒定,隨著孔徑的增大,電解質(zhì)電阻逐漸增大。當(dāng)電壓恒定時(shí),電流隨電解質(zhì)阻值的增大而減小,電流密度隨著電流的減小和加工表面積的增大迅速減小;當(dāng)電流恒定時(shí),電壓隨電解質(zhì)阻值的增大而增大,電流密度隨著加工表面積的增大而減小。綜上可以發(fā)現(xiàn),電流恒定時(shí),電流密度的減小趨勢(shì)小于電壓恒定情況,有利于維持電解速率,故本文采用電流恒定進(jìn)行電解加工。

3.2 電解電流對(duì)電解速率的影響

采用恒流電解方式時(shí),應(yīng)選擇合適的電流。理論上,電解電流增大時(shí),電流密度增加,電解速率增大。加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物和熱量也增多,使間隙內(nèi)流阻增加,導(dǎo)致電解液流量下降,使排除電解產(chǎn)物和熱量的能力減小。當(dāng)二者嚴(yán)重失衡時(shí),加工間隙將會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)、沸騰、空穴等異?，F(xiàn)象,導(dǎo)致短路、結(jié)疤等嚴(yán)重故障,致使加工中斷。此外,隨著電流密度的增加,電極絲周圍電場(chǎng)強(qiáng)度增大,孔口周圍雜散腐蝕增強(qiáng),電解后孔口不圓整。故電流以增大應(yīng)不破壞上述平衡為前題,對(duì)于給定的電解加工條件,需要選擇一個(gè)合適的電流值。取電解時(shí)間為20 s,電解液為30 g/L的NaNO3溶液,由于脈沖電源最大輸出電流為3 A,所以分別用0.5～3 A(間隔0.5 A)的電流進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)完成后,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理:取電解單邊擴(kuò)孔量與電解時(shí)間的比值為平均電解速率;不同電流電解時(shí),孔徑的擴(kuò)大量不同,取電解過(guò)程中孔徑中值(以0.5 A電流電解孔中值)為基準(zhǔn),求各電流電解孔中值與其比值,將平均電解速率乘以對(duì)應(yīng)的比值得到電解速率。最后得到不同電流下孔半徑、電解速率與電流的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同電流下孔半徑及電解速率

從圖4可以看出,電解相同時(shí)間后,隨著電解電流的增大,孔半徑和電解速率均增大。當(dāng)電流大于等于1 A時(shí),計(jì)算得最小電流密度為20.19 A/cm2,大于13.8 A/cm2,即實(shí)際體積電化當(dāng)量ηω大致保持在1.48 mm2/(A·min)不變。圖4所示電解速率與電流近似成正比例關(guān)系,擬合得到的一次曲線符合式(5)。

電解加工GH4169時(shí),材料的體積電化當(dāng)量ω為定值,材料中Ni、Fe、Cr、Mo、Al、Co等元素發(fā)生氧化反應(yīng),其中Ni、Fe、Cr會(huì)根據(jù)電流密度的大小發(fā)生多價(jià)位的氧化反應(yīng),當(dāng)電流密度大于13.8 A/cm2時(shí),這3種元素均氧化為最高價(jià)位的陽(yáng)離子,即電流效率η恒定。當(dāng)電解電流為0.5 A時(shí),延長(zhǎng)擬合的一次曲線可以發(fā)現(xiàn),此時(shí)的電解速率較大。這是因?yàn)殡娏髅芏刃∮?3.8 A/cm2時(shí),Ni、Fe、Cr元素均部分氧化為低價(jià)位的陽(yáng)離子,此時(shí)的電流效率η較大,而且這3種元素發(fā)生高價(jià)位氧化的比例隨著電流密度的增大而增大,即電流效率隨電流密度的增大而減小。

圖5為對(duì)照孔和1 A電流電解孔的SEM圖和金相圖,從圖中可以看出,1 A電流電解后孔口圓整,重鑄層完全去除且孔壁光滑。恒流電解加工時(shí),電流越大,電流密度越大,電解速率也越大。實(shí)際電解加工中,一般根據(jù)電流密度大于13.8 A/cm2和電解加工面積來(lái)確定電流,在保證加工表面質(zhì)量的條件下,為了取得較高的電解速率可增大電解電流,同時(shí)增加電解液流量以滿足電解加工產(chǎn)物和熱量的排除。

(a)對(duì)照孔SEM圖 (b)電解孔SEM圖

(c)對(duì)照孔入口金相圖 (d)電解孔入口金相圖

(e)對(duì)照孔側(cè)剖金相圖 (f)電解孔側(cè)剖金相圖圖5 對(duì)照孔與電解孔的孔形貌和金相圖

3.3 電解液濃度對(duì)電解速率的影響

采用恒流電解方式時(shí),電源會(huì)根據(jù)電解液電阻來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓,但過(guò)高的電壓會(huì)出現(xiàn)電解質(zhì)擊穿、電蝕等異常情況,不僅影響了電解效果,而且燒蝕電極,會(huì)使加工中斷,故電壓一般以小于60 V為宜。為了取得較高的電解速率,需要取較大的電流,根據(jù)電壓的上限,可得到電解液電導(dǎo)率的下限,可以確定NaNO3溶液的濃度,為此需要探究NaNO3溶液的濃度對(duì)電解速率的影響。

配置溫度為25 ℃、濃度為10～170 g/L變化(間隔10 g/L)的NaNO3溶液,采用DDS-11A型數(shù)顯實(shí)驗(yàn)室電導(dǎo)率儀,測(cè)量各濃度溶液的電導(dǎo)率,得到25 ℃下NaNO3溶液的電導(dǎo)率與濃度的關(guān)系曲線如圖6所示。NaNO3是強(qiáng)電解質(zhì),在水溶液中完全溶解,而溶液的電導(dǎo)率一般與溶液中某一電性的電荷濃度成正比。圖6所示的NaNO3溶液電導(dǎo)率與濃度近似成正比例關(guān)系,符合硝酸鈉溶液的電導(dǎo)特性。用上述NaNO3溶液進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn),取電解電流為1 A,電解時(shí)間為20 s。實(shí)驗(yàn)完成后,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理,根據(jù)電解速率的計(jì)算方法求解各濃度的電解速率,最后得到孔半徑和電解速率與NaNO3溶液濃度的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖6 25 ℃下不同濃度NaNO3溶液的電導(dǎo)率

圖7 NaNO3溶液不同濃度下孔半徑和電解速率

從圖7可以看出,在電解電流相同時(shí),用不同濃度的NaNO3溶液電解相同時(shí)間后,孔半徑和電解速率均變化較小,孔半徑約為460 μm,電解速率約為6.5 μm/s。對(duì)電解速率進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn),NaNO3溶液濃度對(duì)電解速率的影響系數(shù)為0.000 6,可以忽略不計(jì),故認(rèn)為濃度對(duì)電解速率無(wú)影響,即對(duì)電流效率無(wú)影響。電解加工GH4169時(shí),材料中Ni、Fe、Cr會(huì)根據(jù)電流密度的大小發(fā)生多價(jià)位的氧化反應(yīng)。當(dāng)電流密度確定時(shí),這3種元素生成不同陽(yáng)離子的比例不變,即ηω保持不變,相同的電流保證了確定的電流密度。故采用NaNO3溶液進(jìn)行電解加工時(shí),可根據(jù)電流和電壓確定電解液電導(dǎo)率,配置相應(yīng)濃度的NaNO3溶液,一般可取較大的NaNO3溶液濃度,考慮到NaNO3溶液的腐蝕性,濃度一般不宜太大。

3.4 脈沖電解對(duì)電解速率的影響

傳統(tǒng)的直流電解加工散蝕能力較強(qiáng),集中蝕除能力較弱,影響了電解加工的精度,一般三維表面成型精度為0.2～0.5 mm,孔加工成形精度為0.025～0.05 mm[20]。高頻、窄脈沖電解加工可實(shí)現(xiàn)高精度(尺寸精度小于5 μm,表面粗糙度小于0.03 mm)、小間隙(10～50 μm)加工[21],加工質(zhì)量大幅度提高。電解加工時(shí),在工件和溶液界面處施加的電極電位不同,工件加工表面所處的狀態(tài)也不同,NaNO3溶液是鈍性電解液,工件陽(yáng)極的極化曲線如圖8所示[22-24],Ea、ia分別為電極電位、電流。鈍化區(qū)的金屬表面形成吸附氧層或氧化物層,即鈍化膜;而析氧區(qū)的工件和溶液界面處的OH-離子易被氧化、析氧,析出的O2易氧化金屬表面,使工件加工表面處的鈍化膜變厚。鈍化膜的導(dǎo)電性較差,進(jìn)而減小加工電流密度,降低了金屬的溶解速率。脈沖電解加工原理是以周期性的間歇供電代替連續(xù)直流供電,陽(yáng)極在電解液中發(fā)生周期性的斷續(xù)溶解。它利用脈沖間隙的斷電間歇去極化,使工件散熱,加工間隙的電化學(xué)特性、流場(chǎng)、電場(chǎng)恢復(fù)到起始狀態(tài)。脈沖電流電解時(shí),間隙內(nèi)產(chǎn)生與脈沖電流同步的氫氣壓力波,頻率和強(qiáng)度隨著脈沖頻率的提高而增強(qiáng),從而加強(qiáng)了對(duì)電解液的攪拌作用,使得間隙內(nèi)的流場(chǎng)分布趨于均勻,并改善間隙內(nèi)散熱條件,從而使最小穩(wěn)定加工間隙大為減少[23]。故本文采用脈沖電流電解加工方式,在保證了加工質(zhì)量的前提下,可盡量增大電流和電解液濃度,以得到更高的電解速率。

圖8 鈍性電解液中陽(yáng)極極化曲線

頻率和脈寬是影響脈沖電解加工的重要參數(shù),一般進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí),通過(guò)控制占空比來(lái)調(diào)節(jié)脈寬,故取頻率和占空比為研究參數(shù)。本文采取單因素實(shí)驗(yàn)方法,分別探究脈沖電流的頻率和占空比對(duì)脈沖電解的影響規(guī)律。電解加工的其他參數(shù)有:電解液為30 g/L的NaNO3溶液,電解電流為1 A,電解時(shí)間為20 s。實(shí)驗(yàn)完成后,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理,根據(jù)電解速率的計(jì)算方法,求解各脈沖頻率的電解速率,最后得到脈沖電解加工的孔徑、電解速率與脈沖電流的關(guān)系曲線如圖9～圖11所示。

圖9 孔半徑與脈沖電流的關(guān)系

圖10 電解速率與脈沖電流的關(guān)系

(a)激光預(yù)制孔(b)1 kHz,40%

(c)2 kHz,50%(d)3 kHz,50%

(e)5 kHz,70%(f)10 kHz,70%圖11 不同脈沖頻率和不同占空比下的電解金相圖

從圖9可以看出,各脈沖頻率下,隨著脈沖占空比的增加,即電解實(shí)際作用時(shí)間的增加,孔徑也增大。從圖10可以看出,各頻率下的實(shí)際電解速率呈現(xiàn)差異,總體呈現(xiàn)低頻寬脈沖,高頻窄脈沖時(shí)電解速率的較高。頻率為1 kHz、占空比為40%～60%的電解速率最大;頻率在1～3 kHz范圍內(nèi),隨著頻率的增加,更大的占空比有利于電解速率的增加;頻率為5 kHz時(shí),電解速率幾乎不隨占空比變化,且整體數(shù)值最小;頻率為10 kHz時(shí),占空比為30%～40%的電解速率最大。

脈沖電流電解加工時(shí),金屬加工表面重復(fù)經(jīng)歷鈍化區(qū)、析氧區(qū),這減緩了工件陽(yáng)極的溶解速率。脈沖電解產(chǎn)生的氫氣壓力波對(duì)電解液起到了攪拌作用,另外斷電間隙時(shí)電解產(chǎn)物和熱量得到了排除,使加工間隙內(nèi)流場(chǎng)、電場(chǎng)分布趨于均勻,多種因素綜合影響脈沖電流電解速率。當(dāng)脈沖頻率為1 kHz、占空比為40%～60%時(shí),氫氣壓力波和斷電間隙時(shí)電解液的均衡作用與金屬加工表面的鈍化作用達(dá)到了平衡,此時(shí)的電流效率最大;當(dāng)占空比繼續(xù)增大時(shí),斷電間隙縮短,電解液中的產(chǎn)物和熱量不能及時(shí)排除,引起電流效率的下降。脈沖頻率在1～3 kHz范圍內(nèi)增大時(shí),氫氣壓力波頻率和強(qiáng)度均增加,對(duì)間隙內(nèi)電解液的攪拌作用增大,可以滿足更大占空比脈沖電解加工產(chǎn)物和熱量的排除,但金屬加工表面的鈍化作用也增大,降低了電流效率。當(dāng)頻率為5 kHz時(shí),脈沖電解加工的綜合作用對(duì)電流效率無(wú)明顯的增強(qiáng)作用。當(dāng)脈沖頻率增大至10 kHz時(shí),斷電間隙時(shí)流場(chǎng)、電場(chǎng)需要較長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)到穩(wěn)定,較小的占空比有利于電流效率的提高,此時(shí)30%～40%占空比的脈沖電流最佳。

從圖9a～9f可以看出,脈沖頻率在1～3 kHz范圍時(shí),40%～50%占空比的脈沖電解孔的重鑄層已完全去除;當(dāng)脈沖頻率增大至5 kHz或10 kHz時(shí),高占空比脈沖電解的電解速率無(wú)明顯增大,需要更長(zhǎng)的電解時(shí)間才能完全去除重鑄層,兩種頻率下70%占空比脈沖電解孔的重鑄層才完全去除。

4 結(jié) 論

本文采用電解后處理的方法去除激光加工殘留在孔壁上的重鑄層。對(duì)電解速率進(jìn)行了理論分析并開(kāi)展實(shí)驗(yàn),在2 mm的GH4169鎳基高溫合金上加工出了孔形圓整且重鑄層被完全去除的小孔。通過(guò)對(duì)電解加工工藝參數(shù)的研究得到了以下結(jié)論。

(1)電流密度是影響電解速率的重要參數(shù)。采用NaNO3溶液電解加工GH4169,電流密度大于13.8 A/cm2時(shí),電流效率保持不變,電解速率與電解電流呈正比例關(guān)系?？紤]到實(shí)際加工時(shí),電流密度過(guò)大容易導(dǎo)致加工區(qū)出現(xiàn)結(jié)疤、短路等嚴(yán)重故障。故根據(jù)電流密度大于13.8 A/cm2和電解加工面積來(lái)確定電流,根據(jù)電解液流量適當(dāng)增大電流取得較高的電解速率。

(2)恒流電解下采用NaNO3電解液時(shí),濃度對(duì)電流效率無(wú)影響,即對(duì)電解速率無(wú)影響。為了避免電壓過(guò)高引起的電解質(zhì)擊穿、電蝕等異常情況,可根據(jù)電流和電壓確定電解液電導(dǎo)率,配置相應(yīng)濃度的NaNO3溶液,一般可取較大的NaNO3溶液濃度,但考慮到NaNO3溶液的腐蝕性,濃度也不宜太大。

(3)由于脈沖電解加工中的脈沖效應(yīng)使得加工表面質(zhì)量更高,為增大電流密度、提高電解速率提供了保證。脈沖電流電解加工時(shí),工件陽(yáng)極反復(fù)的鈍化作用,氫氣壓力波的攪拌作用和斷電間隙的流場(chǎng)、電場(chǎng)穩(wěn)定作用綜合影響電流效率,總體呈現(xiàn)低頻寬脈沖、高頻窄脈沖,有利于電流效率的提高,且脈沖頻率為1 kHz、占脈沖空比為40%～60%的電流效率最大。