鈦合金葉柵套料電解加工表面質(zhì)量研究

李家寶，馬長(zhǎng)進(jìn)，朱 棟

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

2. 西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西西安710100 ）

葉柵是航天發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件， 具有葉型扭曲、葉間通道狹窄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]。 TC4 鈦合金具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐熱抗腐等優(yōu)良性能[2]，常用于整體式葉柵來(lái)提升工作性能，但由于鈦合金葉柵加工難度高， 常規(guī)的機(jī)械銑削加工常存有工件殘余應(yīng)力、刀具損耗嚴(yán)重及加工周期長(zhǎng)等問(wèn)題。 電解加工是一種非接觸式的材料去除技術(shù)，工件陽(yáng)極與電源正極相連，工具陰極與負(fù)極相接，在電場(chǎng)、流場(chǎng)和化學(xué)腐蝕場(chǎng)的作用下發(fā)生電化學(xué)溶解進(jìn)而完成工件成形，具有陰極無(wú)損耗、不受材料硬度限制、加工效率高、表面無(wú)殘余應(yīng)力等優(yōu)勢(shì)，適用于鈦合金等難加工材料的大批量制造[3-5]。

但是，鈦合金的化學(xué)性質(zhì)活潑，暴露在空氣中易形成鈍化膜。 鈦合金各組分金屬的溶解電壓不一致， 在電解加工時(shí)易因選擇性溶解造成表面點(diǎn)蝕，從而降低表面質(zhì)量[6]。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鈦合金電解加工方面開展了大量研究。 Liu 等[7]測(cè)量分析了在不同NaNO3和NaCl 電解液濃度下的鈦合金電化學(xué)溶解特性， 為開展鈦合金電解加工研究提供依據(jù)；Leese R 等[8]測(cè)量了超聲振動(dòng)下的鈦合金電化學(xué)極化曲線，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)可降低鈦合金的溶解電位，提高電解加工速度；黃明濤等[9]研究了鈦合金電解加工過(guò)程中出現(xiàn)褐色氧化層的原因，并對(duì)微觀表面進(jìn)行了觀察分析；楊怡生等[10]分析了不同電流密度和蝕除速率對(duì)鈦合金電解加工表面質(zhì)量的影響，并研究分析了點(diǎn)蝕、短路、黑皮和晶間腐蝕等缺陷問(wèn)題可能產(chǎn)生的原因；張美麗[11]采用輔助陽(yáng)極方法提高了鈦合金電解加工表面質(zhì)量；楊振文等[12]采用NaNO3和NaCl 混合電解液實(shí)現(xiàn)了TC4 鈦合金異形型腔的電解加工。

本文以TC4 鈦合金葉柵為研究對(duì)象，針對(duì)電解加工過(guò)程易產(chǎn)生點(diǎn)蝕、表面質(zhì)量差的問(wèn)題，進(jìn)行直流和脈沖電解加工對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)計(jì)脈沖電解加工正交試驗(yàn)，分析脈沖電壓、占空比、頻率和加工速度對(duì)鈦合金表面質(zhì)量的影響，并采用優(yōu)選條件進(jìn)行整體葉柵葉片的電解加工。

1 鈦合金葉柵套料電解加工方法

套料電解加工是一種高效的大余量材料去除技術(shù)，在加工過(guò)程中工具陰極向工件待加工表面進(jìn)給，工件預(yù)定位置發(fā)生溶解腐蝕[13]。套料電解加工有側(cè)流、反流和正流三種電解液流場(chǎng)方式，側(cè)流式適用于形狀扭曲度小的工件，電解液從工件一端流向另一端；反流式需要良好的密封夾具，電解液從加工間隙流向工件內(nèi)部；正流式流場(chǎng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且流動(dòng)性好，電解液從工件內(nèi)部流向加工間隙[14]。電解液流場(chǎng)對(duì)工件電化學(xué)加工表面影響大，電解液中的溶液離子影響金屬表面的化學(xué)腐蝕場(chǎng)，同時(shí)也用來(lái)傳遞電流；此外，流場(chǎng)還可帶走熱量控制加工溫升，防止電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物阻塞加工間隙而引發(fā)短路[15]。 圖1是鈦合金葉柵套料電解加工流場(chǎng)示意，葉柵葉型復(fù)雜，適用于正向流動(dòng)方式，電解液流入絕緣套底部左右兩側(cè)的導(dǎo)流孔，然后再經(jīng)陰極頭內(nèi)表面轉(zhuǎn)角繞流后匯入陰極頭和工件相對(duì)的加工間隙，參與套料的電解加工過(guò)程。

試驗(yàn)采用鈦合金葉柵套料電解加工系統(tǒng)進(jìn)行鈦合金葉柵套料電解加工的參數(shù)優(yōu)化，分析試驗(yàn)結(jié)果并優(yōu)化調(diào)整脈沖參數(shù)，減少鈦合金電解加工表面點(diǎn)蝕。 圖2 是TC4 鈦合金葉柵套料電解加工系統(tǒng)，由電源、電解液和陰極進(jìn)給系統(tǒng)組成。 電源系統(tǒng)的正、負(fù)極分別與葉柵和陰極裝置相連，為電解加工提供電場(chǎng)；電解液系統(tǒng)不斷供給加工區(qū)域新鮮電解液， 參與加工后的電解液經(jīng)過(guò)濾后可重新使用；陰極進(jìn)給系統(tǒng)由自主研發(fā)的電解加工機(jī)床組成，可實(shí)現(xiàn)陰極裝置和葉柵工件間的精確定位和進(jìn)給。

2 陰極裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)TC4 鈦合金葉柵進(jìn)行陰極裝置設(shè)計(jì)，用于開展套料電解加工參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，并進(jìn)行直流和脈沖電解加工對(duì)比試驗(yàn)，探究脈沖電解加工對(duì)表面點(diǎn)蝕的改善，以得到最優(yōu)的脈沖電解加工參數(shù)。

2.1 陰極裝置和試驗(yàn)條件

圖3 是針對(duì)TC4 鈦合金葉柵的扭曲葉型，設(shè)計(jì)的套料電解加工陰極裝置由陰極頭、絕緣套、陰極體、陰極座和屏蔽套組成。 電解液從陰極座底部流入，穿過(guò)陰極體和絕緣套兩側(cè)導(dǎo)流孔，然后經(jīng)陰極頭內(nèi)表面的轉(zhuǎn)角繞流進(jìn)入加工間隙。 TC4 鈦合金葉柵套料電解加工試驗(yàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaCl電解液，電解液的入口壓力為1.5 MPa、入口溫度為25 ℃，初始加工間隙為0.5 mm。

2.2 套料電解加工試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 直流和脈沖電解加工對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)電解加工所用電源的不同，可分為直流和脈沖電解加工。 脈沖電解加工通過(guò)在脈寬施加電壓進(jìn)行加工、脈間不施加電壓的周期性變化，可起到減少點(diǎn)蝕和改善表面質(zhì)量的作用。 為探究直流和脈沖電解加工對(duì)葉片點(diǎn)蝕的影響，設(shè)計(jì)了兩種加工的對(duì)比試驗(yàn)，見表1。

表1 直流和脈沖電解加工對(duì)比試驗(yàn)

2.2.2 脈沖電解加工參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為深入研究脈沖參數(shù)對(duì)鈦合金表面點(diǎn)蝕的影響，綜合考慮表面點(diǎn)蝕、葉型完整性和加工穩(wěn)定性問(wèn)題獲取優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)行脈沖電壓、占空比、頻率和加工速度的四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，見表2。

表2 脈沖電解加工正交試驗(yàn)

3 結(jié)果與討論

3.1 直流和脈沖電解加工試驗(yàn)分析

加工電流是電解加工重要的過(guò)程參數(shù)，可反映加工過(guò)程的穩(wěn)定性。 圖4 是直流和脈沖電流電解加工對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，可看出，脈沖和直流電解加工中的電流變化均較平穩(wěn)，試驗(yàn)過(guò)程較穩(wěn)定；在進(jìn)給量為0～2 mm 時(shí)，兩種加工方式的電流都急劇增大，處于加工的過(guò)渡階段；進(jìn)給量在2 mm 后，電流變化平緩，葉片加工進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。 最終，脈沖和直流電解加工的穩(wěn)態(tài)電流分別約為60 A 和70 A， 相較而言脈沖電流較低，對(duì)已加工面造成的二次腐蝕較小，表面質(zhì)量較直流可能有所改善。

圖5 是直流和脈沖電解加工所獲得的葉片，可見，直流電解加工葉身出現(xiàn)較多的點(diǎn)蝕凹坑，而脈沖電解加工葉身無(wú)凹坑。 試驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖電解加工能消除鈦合金表面的點(diǎn)蝕凹坑， 提高表面質(zhì)量，這是由于鈦合金是自鈍化金屬，表面易生成鈍化膜，鈍化膜對(duì)選擇性溶解有抵抗作用；而周期變化的脈沖電壓下， 工件表面更易在脈間形成鈍化膜，減少點(diǎn)蝕凹坑。 然而，在兩種試驗(yàn)條件下，葉片試件的前緣和尾緣均有缺失，說(shuō)明當(dāng)前的試驗(yàn)參數(shù)無(wú)法成形葉片，需進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)。

3.2 脈沖電解加工正交試驗(yàn)分析

圖6 是根據(jù)脈沖電解加工正交試驗(yàn)獲得的電流變化圖。 可看出，試驗(yàn)1、5、7 在加工穩(wěn)定后的電流均在65 A 以下，處于相對(duì)低電流密度加工；試驗(yàn)2、9 在加工穩(wěn)定后的電流為75 A，處于中電流密度加工； 試驗(yàn)3、6、8 在加工穩(wěn)定后的電流達(dá)到90 A以上，處于高電流密度加工；試驗(yàn)4 的加工占空比為50%、加工速度為2 mm/min，在進(jìn)給1 mm 后發(fā)生短路，故可知高加工速度和低占空比可能會(huì)引起短路。

圖7 是在不同正交試驗(yàn)條件下加工得到的葉片。 可見，試件1、7 處于低電流密度和低占空比的加工條件，表面無(wú)點(diǎn)蝕，可能是鈦合金表面在低占空比下， 脈間內(nèi)更易形成保護(hù)性更強(qiáng)的鈍化膜，從而減少雜散腐蝕可能造成的點(diǎn)蝕；而試件8 處于高電流密度和中占空比的加工條件，采用更高的加工速度也可得到無(wú)點(diǎn)蝕表面，可能是在脈寬內(nèi)的高電流密度減輕了鈦合金的選擇性溶解，短脈間內(nèi)鈍化膜減少了雜散腐蝕。 總結(jié)以上，在鈦合金套料電解加工中，為了獲得無(wú)點(diǎn)蝕表面，可采用低電流密度和低占空比，或高電流密度、中占空比和高加工速度的加工參數(shù)。

表3 是脈沖電解加工正交試驗(yàn)結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)低電流密度過(guò)程的加工速度慢、效率低，因此，TC4 鈦合金葉柵套料電解加工更宜采用高電流密度、中占空比和高加工速度來(lái)改善表面質(zhì)量。

3.3 脈沖電解加工參數(shù)優(yōu)選驗(yàn)證

綜合脈沖電解加工正交試驗(yàn)結(jié)果分析，優(yōu)選脈沖電壓22 V、脈沖占空比80%、脈沖頻率1000 Hz的參數(shù)，在2.5 mm/min 速度下進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。 圖8是優(yōu)選參數(shù)下的加工電流圖，可見電流平穩(wěn)、加工穩(wěn)定性好。 圖9 是優(yōu)選參數(shù)下的成形葉片，可見其表面無(wú)點(diǎn)蝕、葉型完整、表面質(zhì)量好。 優(yōu)選后的脈沖電解加工參數(shù)提高了TC4 鈦合金葉柵電解加工的表面質(zhì)量，能以較高的效率保持穩(wěn)定加工。

表3 脈沖電解加工正交試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

常規(guī)鈦合金葉柵的套料電解加工工藝復(fù)雜且加工難度大。 經(jīng)過(guò)直流和脈沖電解加工對(duì)比試驗(yàn)和脈沖電解加工正交試驗(yàn)綜合分析，得到以下結(jié)論：

（1）直流和脈沖電解加工對(duì)比試驗(yàn)表明，脈沖電解加工能顯著減少TC4 鈦合金葉柵電解加工中的表面點(diǎn)蝕，改善加工質(zhì)量。

（2）脈沖電解加工正交試驗(yàn)表明，TC4 鈦合金葉柵電解加工宜選擇高電流密度、高加工速度和中占空比來(lái)減少點(diǎn)蝕。

（3）采用脈沖電壓22 V、脈沖占空比80%、脈沖頻率1000 Hz，在2.5 mm/min 速度下進(jìn)行脈沖電解加工試驗(yàn)，工件表面質(zhì)量得到提高，無(wú)點(diǎn)蝕凹坑且葉型完整，加工效率高。