高長水，謝天海 ，趙 凱 ，劉 壯

（ 1. 南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京 210016；2. 南京航空航天大學(xué)無錫研究院，江蘇無錫 214000 ）

為提高現(xiàn)代航空發(fā)動機熱端部件的耐高溫能力，進而提高發(fā)動機的熱效率，通常采用熱障涂層等先進的表面防護涂層技術(shù)降低金屬構(gòu)件表面溫度[1-2]。 熱障涂層一般由陶瓷面層（工作層）和金屬黏接層（底層）組成。通常選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%Y2O3和部分穩(wěn)定的ZrO2作為熱障涂層工作層， 選用MCrAlY 作為金屬黏接層。 等離子噴涂工藝（air plasma spray，APS） 是一種重要的熱障涂層制備技術(shù)，由其制備的涂層呈現(xiàn)典型的片層狀結(jié)構(gòu)，具有熱導(dǎo)率低、隔熱效果好的優(yōu)點，在航空發(fā)動機制造中得到了廣泛應(yīng)用[3]。 例如在渦輪葉片燃氣流道表面噴涂APS 熱障涂層可在50～150 ℃范圍取得良好隔熱效果，使發(fā)動機葉片壽命延長3～5 倍[4]。

微小孔結(jié)構(gòu)在航空發(fā)動機構(gòu)件上較為常見，承擔(dān)著減重、散熱、通氣等功能，通常如渦輪氣冷葉片的葉型表面分布有數(shù)十至數(shù)百個氣膜冷卻孔，其直徑在0.3～3.0 mm 之間。 因此，微小孔加工已成為航空發(fā)動機制造技術(shù)中一項相當(dāng)重要的內(nèi)容[5-6]。 對于帶熱障涂層的航空發(fā)動機構(gòu)件的微小孔加工，目前存在“先制孔再涂層”及“先涂層再制孔”兩類技術(shù)方案。 “先制孔再涂層”的優(yōu)點在于：目前成熟的微小孔加工工藝如電火花加工、電液束加工等，均可用于涂層前的金屬構(gòu)件孔結(jié)構(gòu)加工，但制孔后的發(fā)動機構(gòu)件在涂敷熱障涂層過程中，涂層不可避免地沉積在氣膜孔內(nèi)表面，導(dǎo)致氣膜孔的孔徑減小。 據(jù)文獻[4]統(tǒng)計，氣膜孔孔徑為0.5～0.6 mm 的葉片采用APS 工藝噴涂熱障涂層后，會造成嚴(yán)重堵孔，有約2%的氣膜孔被完全堵死，超過半數(shù)的氣膜孔的孔徑減小了1/5。 由于氣膜孔的孔徑大小直接決定冷卻介質(zhì)的流通量多少，熱障涂層堵孔會嚴(yán)重影響渦輪葉片氣膜冷卻、降溫的效果。

而“先涂層再制孔”的方案有望解決前一種方案中熱障涂層堵孔及縮孔問題。 但是，熱障涂層為不導(dǎo)電的陶瓷材料，“先涂層再制孔”的方案會限制電火花加工及電液束加工方法的應(yīng)用。 激光加工可實現(xiàn)對熱障涂層構(gòu)件的一次性孔結(jié)構(gòu)加工，但是無法兼?zhèn)浼庸べ|(zhì)量與加工速度[7]。 傳統(tǒng)長脈沖激光加工存在再鑄層厚度大、孔口易沉積熔渣、表面易產(chǎn)生微裂紋等缺陷。 超短脈沖激光可實現(xiàn)良好的加工質(zhì)量，但加工效率低、不適合大規(guī)模生產(chǎn)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)探索了基于輔助電極法的熱障涂層高溫合金氣膜孔電火花加工方法，在熱障涂層表面涂覆一層導(dǎo)電的輔助電極，利用煤油高溫裂解生成的碳顆粒沉積于陶瓷涂層表面， 形成數(shù)十微米厚的導(dǎo)電膜，再通過火花放電蝕除熱障涂層，暴露金屬基體，最后采用傳統(tǒng)電火花方法加工出金屬基體孔型[8]。但該方法的工藝流程復(fù)雜，不適合厚度較大的熱障涂層制孔。

鑒于電火花制孔加工方法在航空發(fā)動機微小孔結(jié)構(gòu)制造中的重要地位，Gao 等[9]提出了一種“先涂層再制孔”的方法，利用磨料水射流沖蝕去除熱障涂層，暴露金屬基體，形成熱障涂層孔型，再利用電火花進行金屬基體的穿孔加工。 該技術(shù)是磨料水射流加工與電火花加工方法的組合，其優(yōu)點在于可較為容易地將磨料水射流加工與電火花加工集成在一臺設(shè)備上，實現(xiàn)熱障涂層高溫合金構(gòu)件微小孔結(jié)構(gòu)的一次裝夾加工成形。 在磨料水射流沖蝕去除熱障涂層后，構(gòu)件表面會形成熱障涂層孔型，孔型底部會殘留涂層材料，對后續(xù)電火花加工的順利進行造成一定影響。 延長磨料水射流沖蝕加工時間會盡可能多地去除涂層材料、 有利于后續(xù)電火花加工，但也會導(dǎo)致熱障涂層孔徑過大、總體加工效率降低，故需研究金屬構(gòu)件表面涂層材料殘留率與電火花加工可行性之間的關(guān)聯(lián)機制。 本文針對磨料水射流去除熱障涂層后的電火花制孔可行性進行了試驗探索，重點研究APS 熱障涂層金屬構(gòu)件在涂層沖蝕去除后的金屬基體裸露率對后續(xù)電火花加工可行性的影響。

1 試驗方案

圖1 是磨料沖蝕與電火花組合加工方法示意圖，其中圖1a 是磨料水射流加工階段，圖1b 是電火花穿孔加工階段。 試驗所用試件是厚度為3 mm、表面涂覆有厚度約為150 μm 的APS 熱障涂層的DZ126 鎳基高溫合金。 本試驗首先采用磨料水射流沖蝕加工了八組具有不同金屬裸露率的熱障涂層孔型， 通過Olympus DSX510 三維光學(xué)顯微鏡檢測了孔徑、孔深及底部金屬裸露率。

如表1 所示，上述八組孔的孔徑D 的分布范圍為 530～590 μm、孔深 H 的分布范圍為 90～135 μm、孔底部金屬裸露率α 的分布范圍為0%～50%。 接著，本試驗在D703F 型高速電火花小孔機上采用直徑為0.3 mm 的管電極進行電火花穿孔加工。 電火花加工的參數(shù)分別為：脈沖寬度為3 ms、峰值電流為7.6 A、占空比為75%和沖液壓力為4 MPa。 工件接脈沖電源正極。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

圖2a 是表1 所示試驗序號1 中電火花加工前的熱障涂層孔型。 該孔型孔深約為90 μm，孔底部的金屬集體裸露率α 為0%。 如圖2b 所示，在電火花加工試驗過程中觀測發(fā)現(xiàn)無火花產(chǎn)生，電火花加工無法進行。 圖3a 是試驗序號2 條件下的加工試驗結(jié)果，其對應(yīng)孔型底部金屬裸露率α 約為5%。 在試驗加工過程中可明顯觀測到電火花放電，但火花放電數(shù)次之后，加工同樣不能進行下去。 由圖3b 中可見，金屬裸露之處有明顯的火花燒蝕痕跡，但其周圍的熱障涂層并未去除，使本次試驗中的電火花加工無法順利進行。

表1 八組試驗孔型特征數(shù)據(jù)

圖4 和圖5 分別是試驗序號 3、4 條件下的加工結(jié)果，其對應(yīng)熱障涂層孔型底部的金屬裸露率分別為13.7%和17.5%。 這兩組電火花加工試驗過程中觀測到的現(xiàn)象與序號2 條件下的情況一樣，雖然存在火花放電現(xiàn)象，但是放電過程不能持續(xù)。 這是因為電火花放電產(chǎn)生的能量不足以去除殘留的熱障涂層，加工未能順利進行下去。

在序號 5、6、7、8 條件下開展的電火花穿孔加工試驗均能順利完成， 試驗結(jié)果分別見圖6～圖9，對應(yīng)的原始熱障涂層孔型底部金屬裸露率分別為18.1%、22.5%、29%和 49%。 試驗結(jié)果證明，電火花穿孔加工的可行性與金屬裸露率有極大關(guān)系，只有足夠多的金屬基體裸露出來才能使電火花放電持續(xù)進行。

2.2 試驗結(jié)果分析

在電火花加工過程中，火花放電會產(chǎn)生大量的熱，使金屬材料局部溶化、氣化而被蝕除并形成放電凹坑。 電火花放電能持續(xù)進行的關(guān)鍵是必須使工具電極和工件之間保持一定的合理放電間隙δ0。 如果極間間隙過大，極間電壓不足以擊穿極間工作液介質(zhì)，不會產(chǎn)生火花放電；如果極間間隙過小，易形成短路接觸，也不能產(chǎn)生火花放電[10-11]。 因此，熱障涂層沖蝕去除后的電火花可加工性可根據(jù)放電間隙與金屬基體裸露率之間的關(guān)系進行闡述。 圖10是帶殘余熱障涂層的電火花加工示意圖。 孔底部殘留部分熱障涂層材料，金屬管電極底端與已露出的金屬基體之間的間隙δ 即為實際的放電間隙（此處的放電間隙特指底面放電間隙）。

合理放電間隙δ0的大小主要取決于三個因素：①電參數(shù)，其中峰值電流越大，加工間隙越大；脈沖寬度越長即放電時間越長，間隙越大；②工件的表面狀態(tài)，即：表面越粗糙，間隙越大；③加工產(chǎn)物，即：產(chǎn)物越多，間隙越大[12]。 在不受底面及其周邊部分加工產(chǎn)物影響的情況下，放電間隙δ0可表示為：

式中：δ0為加工產(chǎn)物影響較小時的綜合底面及其周邊的加工間隙，μm；Kδ為常數(shù)；τon為放電時間，μs；Ip為放電電流峰值，A。

當(dāng)實際放電間隙δ 大于合理放電間隙δ0時，極間電壓不能擊穿極間工作液介質(zhì)，使電火花加工無法進行；反之，極間電壓擊穿極間工作液介質(zhì)，從而產(chǎn)生火花放電。 由于高溫合金的熔點低于熱障涂層材料（表2），電火花放電更易于蝕除裸露的高溫合金材料， 使裸露金屬基體表面持續(xù)形成蝕除凹坑。在此過程中，如果金屬基體的裸露面積較小，則電火花放電的面積也較小，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的放電能量也較小，導(dǎo)致殘余涂層材料的蝕除速率遠小于金屬材料的蝕除速率，可能會使實際放電間隙δ 逐漸變大，最終超過合理放電間隙δ0，導(dǎo)致電火花加工中斷（圖11a）。如果金屬基體的裸露面積較大，則電火花放電面積也較大，單位時間內(nèi)較大的放電能量能蝕除更多的殘余涂層材料及金屬材料，且金屬材料在融化、氣化、熱膨脹過程中會產(chǎn)生很高的瞬時壓力使殘余涂層材料脫落，從而使電火花加工繼續(xù)進行（圖 11b）。

表2 TBC 涂層與DZ126 高溫合金的熔點[13]

在本文采用的電火花加工參數(shù)中，峰值電流為7.6 A、脈沖寬度為 3 ms。根據(jù)式（1）求得 δ0=30.2 μm（Kδ取 0.2）。 以試驗序號 3 的情況為例，在電火花加工之前用三維形貌儀測得的型底部殘余涂層與裸露金屬基體的最大高度差約為9 μm（圖12a），在電火花加工開始后測量盲孔底部，發(fā)現(xiàn)電火花蝕除坑與殘余涂層的高度差約擴大為39 μm（圖12b）。 此時孔底部的殘余涂層材料未被有效去除，殘余涂層與金屬表面的高度差超過合理放電間隙，以致電火花加工無法繼續(xù)進行。 同樣的，在試驗序號4 條件下，電火花加工之前的殘余涂層與裸露金屬表面的最大高度差約為12 μm，在加工之后的最大高度差約為34 μm，電火花加工也未能順利進行。

因此，電火花加工的可行性與金屬基體的裸露面積（或者裸露率α）、 殘余涂層材料的厚度均有很大關(guān)聯(lián)。 在殘余涂層與裸露金屬表面高度差δ 小于合理放電間隙δ0的情況下，金屬裸露面積的大小直接決定了殘余涂層能否被放電能量去除或者剝落。若是殘余涂層與裸露金屬表面高度差δ 大于合理放電間隙δ0，即使金屬裸露率α 達到了閾值，但電極與金屬基體之間的間隙不滿足放電條件，也會導(dǎo)致火花放電不能成功產(chǎn)生。

本文開展了八組試驗， 實際測量結(jié)果顯示：在電火花加工之前，所有熱障涂層孔型的殘余涂層與金屬基體的最大高度差均小于 δ0（30.2 μm）。 因此，在本研究中， 電火花加工的可行性與金屬裸露率α的大小有更加直接的關(guān)系。 圖13 是統(tǒng)計的電火花加工可行性與金屬裸露率的關(guān)系。 從試驗結(jié)果可知，當(dāng)α＞18%時，電火花加工可持續(xù)進行；若α＜18%時，電火花加工無法順利進行。 因此，對于特定的電火花加工參數(shù)，保證金屬裸露率達到一定閾值是實現(xiàn)磨料水射流-電火花組合制孔加工的必要條件。

3 結(jié)論

本文進行了熱障涂層沖蝕去除后的電火花微小孔加工的可行性試驗研究。 試驗發(fā)現(xiàn)，對于某一特定的電火花加工參數(shù)，電火花加工的可行性與殘余涂層材料的厚度、金屬基體的裸露率等均有很大的關(guān)聯(lián)。

（1）若殘余涂層與裸露的金屬表面高度差δ 大于理想放電間隙δ0，無法產(chǎn)生電火花放電，故無法進行電火花加工。 若殘余涂層與金屬表面高度差δ 小于理想放電間隙δ0，則金屬裸露面積的大小決定了電火花加工的可行性。

（2）金屬材料裸露面積增加，意味著電火花放電的面積和單位時間內(nèi)的放電能量均增加，裸露的金屬材料在融化、氣化、熱膨脹過程中產(chǎn)生的瞬時高壓會使殘余涂層材料脫落，從而使電火花加工更易持續(xù)進行。 較小的金屬裸露面積則會降低單位時間內(nèi)的放電能量， 使殘余涂層材料不易被去除，導(dǎo)致電火花加工的可行性降低。

在本文的試驗條件下，經(jīng)磨料水射流沖蝕后的工件的金屬基體裸露率α＞18%時，后續(xù)的電火花加工可順利進行。 因此，在磨料水射流和電火花復(fù)合加工過程中，保證金屬裸露率達到一定的閾值是實現(xiàn)復(fù)合加工的必要條件。