噴管高速電弧放電粗化工藝研究

劉蘇毅，王佳興 ，牛 祿 ，顧 琳

（ 1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2. 上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 201109 ）

近年來小衛(wèi)星浪潮的興起及空間快速響應(yīng)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得推力大、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)得到越來越多的關(guān)注[1]。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管承擔(dān)著使燃?xì)馐抑挟a(chǎn)生的燃?xì)饽苻D(zhuǎn)換為動(dòng)能、 為發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力的重要作用，其中噴管擴(kuò)散段提供約25%~35%的推力[2]。 噴管的工作溫度高、使用時(shí)間長、氣流沖刷及燒蝕作用強(qiáng)， 為阻止噴管內(nèi)的熱量迅速傳遞到火箭外殼，目前固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擴(kuò)散段的結(jié)構(gòu)多采用復(fù)合材料擴(kuò)散段和金屬殼體膠接的形式。 噴管擴(kuò)散段外殼一般設(shè)計(jì)為薄壁金屬件， 并選用隔熱效果好、耐瞬時(shí)燒蝕性強(qiáng)的復(fù)合材料作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擴(kuò)散段的內(nèi)襯[3]，在采用復(fù)合材料內(nèi)襯時(shí)，通常噴管擴(kuò)散段內(nèi)壁表面較為光滑，因此復(fù)合材料和噴管擴(kuò)散段之間的結(jié)合力以膠接中的界面間結(jié)合力為主。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，一旦在溫度、沖刷力等綜合作用下內(nèi)襯材料和噴管擴(kuò)散段之間的結(jié)合力不足以抵抗沖刷力，或因長期保存而出現(xiàn)變形、變性及結(jié)合界面因材料熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致分離，很可能造成噴管擴(kuò)散段膠接界面失效， 給產(chǎn)品的服役帶來隱患。因此，現(xiàn)階段迫切需要尋求可靠的噴管擴(kuò)散段復(fù)合結(jié)構(gòu)制備工藝，大幅降低發(fā)射時(shí)因復(fù)合材料結(jié)構(gòu)脫落造成的噴管故障。

1 表面毛化工藝技術(shù)

研究發(fā)現(xiàn)，使用不同的方法在零件表面加工出微細(xì)陣列結(jié)構(gòu)對表面進(jìn)行粗化（也稱為毛化），粗化后的表面可有效增加膠結(jié)面積，提升材料與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度，從而改進(jìn)機(jī)械性能與力學(xué)特性。 目前可以實(shí)現(xiàn)金屬表面粗化的工藝方法有噴丸毛化、電火花毛化、噴墨毛化、激光毛化、電子束毛化等。

噴丸毛化（shot blast texturing，SBT）是較為傳統(tǒng)的毛化方式，其原理是用氣壓噴嘴以非常高的速度將一定粒度的鋼砂或氮化硼粉末噴射到待毛化的軋輥表面上，噴射完成后，軋輥表面就會因?yàn)闄C(jī)械碰撞變的凹凸不平而改變表面粗糙度。

電火花毛化（electrical discharge texturing，EDT）的原理是利用施加在電極與軋輥間的高能量脈沖電弧，在繞主軸緩慢旋轉(zhuǎn)的工件表面加工出大量無規(guī)則蝕坑，從而達(dá)到毛化效果，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的調(diào)節(jié)[4]。

噴墨毛化（ink jet texturing，IJT）通過程序設(shè)定毛化參數(shù)，將光致抗蝕劑打印在工件表面，然后通過電化學(xué)腐蝕出相應(yīng)的粗化形貌[5]。

激光毛化（laser beam texturing，LBT）是通過將高能量脈沖光束聚焦于軋輥表面，使軋輥表面產(chǎn)生局部熔化及汽化，經(jīng)由惰性氣體側(cè)吹冷卻后在軋輥表面形成規(guī)則排布的微凹坑[6]。

電子束毛化（electron beam texturing，EBT）是控制復(fù)雜磁場實(shí)現(xiàn)毛化的新型毛化技術(shù)，其原理是利用磁場對電子束進(jìn)行控制，作用在待加工表面以產(chǎn)生毛化微結(jié)構(gòu)[7]。

除了IJT 與EBT 技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，其他方法都已經(jīng)較廣泛地應(yīng)用在實(shí)際工作中，但是上述方法均有具體的適用范圍。 就噴管內(nèi)表面粗化需求而言，無論電火花毛化還是激光毛化后的表面蝕坑尺寸均很小，且表面粗糙度值較低，雖一定程度上能提高襯層的結(jié)合力，但是無法形成金屬殼體與內(nèi)襯層的結(jié)構(gòu)交錯(cuò)，即表面粗化效果。 如果能夠在金屬基體表面形成微小凸起，不僅可強(qiáng)化膠接界面間結(jié)合力，更能使得內(nèi)壁金屬嵌入內(nèi)襯而大大增強(qiáng)組合體抗剪切能力，稱之為表面粗化技術(shù)。

電弧加工技術(shù)具有能量利用效率高、材料去除效率大等優(yōu)勢，正成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[8-9]。 由于采用電弧的能量密度遠(yuǎn)高于電火花，且作用面積較激光更大，采用電弧進(jìn)行噴管內(nèi)表面的粗化，具有以下優(yōu)勢：

（1）加工效率要高于電火花加工20 倍，甚至高于傳統(tǒng)的切削加工。

（2）可以利用電極表面預(yù)留孔不參與放電蝕除的特點(diǎn)，在噴管表面迅速形成刺狀凸起，在膠接時(shí)建立噴管和內(nèi)襯之間的機(jī)械連接。

（3）在噴管表面產(chǎn)生大的蝕坑，增大噴管和內(nèi)襯材料之間的有效接觸面積。

可見，在噴管內(nèi)表面粗化中通過引入高速電弧這種新方法并開展相關(guān)的研究，實(shí)現(xiàn)在噴管內(nèi)表面高效加工出大量特定形狀的凸起，從而在噴管和復(fù)合材料耐熱內(nèi)襯之間引入更牢固的機(jī)械連接，將很大可能消除固發(fā)工作時(shí)內(nèi)襯脫落的故障隱患。

2 高速電弧表面粗化原理

圖1 是流體動(dòng)力斷弧原理， 在放電加工過程中， 放電通道內(nèi)的等離子體由數(shù)量近乎相等的電子、正離子及中性粒子構(gòu)成，呈電中性。 在高壓內(nèi)沖液的作用下，工作液使得放電間隙間的等離子體通道動(dòng)態(tài)平衡被打破，電弧弧柱沿工作液流動(dòng)方向偏移， 逐漸拉長甚至由于無法維持放電通道而斷??；而放電通道內(nèi)的瞬時(shí)高溫（約22 000 K）使金屬材料熔化、汽化，并被高壓工作液帶出加工區(qū)域，在工件表面形成一系列電蝕坑[9-11]。

圖1 流體動(dòng)力斷弧原理[11]

若在電極中間預(yù)留小孔，由于加工過程中小孔中間不放電，工件表面會形成凸起。 通過控制孔徑和分布來控制凸起的尺寸及高度，形成具有不同粗化形貌的毛化表面，典型例子見圖2。

圖2 具有凸起特征的毛化表面

本文以增加噴管復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提升可靠性為目標(biāo)，以符合結(jié)構(gòu)制備中的金屬擴(kuò)張段表面微小凸起特征的制備為研究對象，開展用于固發(fā)噴管擴(kuò)散段組件膠接可靠性增強(qiáng)的高速電弧放電粗化技術(shù)研究。 通過設(shè)計(jì)粗化試驗(yàn)，對樣件進(jìn)行加工，并考查試驗(yàn)參數(shù)對加工效率、表面質(zhì)量及膠接后復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度的影響。

3 高速電弧放電粗化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)件及加工電極

試驗(yàn)件材料采用30CrMnSi 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，熔點(diǎn)為 1873.5 K，導(dǎo)熱系數(shù)為 10.1 W/（m·K），主要成分見表1，制成外徑45 mm、內(nèi)徑38 mm、高20 mm的環(huán)形件，經(jīng)拋光后的表面粗糙度約為Ra1.6 μm。

表1 30CrMnSi 試件的組分

圖3 是待加工的環(huán)形件與電極。 待粗化的表面為30CrMnSi 環(huán)形件的內(nèi)表面， 加工電極工作面為圓弧面，面上分布有規(guī)則排布的小孔，以保證加工后的工件表面上形成的凸起也能較均勻排布。

圖3 待粗化試驗(yàn)件與加工電極三維圖

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

圖4 是本試驗(yàn)采用的高速電弧放電粗化加工工藝試驗(yàn)系統(tǒng)， 主要由電弧脈沖電源發(fā)生裝置、工作臺、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。 機(jī)床工作臺的三軸行程為800 mm×800 mm×580 mm，轉(zhuǎn)臺可實(shí)現(xiàn)360°自由旋轉(zhuǎn)。

3.3 試驗(yàn)參數(shù)

圖4 高速電弧放電粗化加工工藝試驗(yàn)系統(tǒng)

本工藝試驗(yàn)重點(diǎn)考察峰值電流、 脈沖寬度、電極孔徑對電弧粗化的材料去除率及工件表面質(zhì)量的影響。 試驗(yàn)采用表2 所示的參數(shù)進(jìn)行單因素分析，電弧粗化加工過程中，電極連接電源負(fù)極、工件連接電源正極，電極進(jìn)給方式為沉入式進(jìn)給。

表2 電弧粗化試驗(yàn)參數(shù)表

4 結(jié)果與討論

4.1 試驗(yàn)參數(shù)對材料去除率的影響

4.1.1 峰值電流

固定脈沖寬度與電極孔徑不變，圖5 是改變系統(tǒng)中峰值電流對試驗(yàn)件材料去除率的影響。 可見，隨著峰值電流從300 A 增至400 A， 粗化效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。 出現(xiàn)這種趨勢的原因是：在峰值電流到達(dá)350 A 時(shí)，極間流場帶走電蝕除產(chǎn)物的效率與電蝕除產(chǎn)物產(chǎn)生的速度到達(dá)了一個(gè)局部平衡，使得材料去除率增加；而隨著峰值電流繼續(xù)增大，單次放電的材料去除量繼續(xù)增大，電蝕除產(chǎn)物繼續(xù)增加，但是電蝕除產(chǎn)物的排出速度未明顯改變，產(chǎn)物無法及時(shí)排出而造成二次放電，導(dǎo)致極間放電狀態(tài)變差， 連續(xù)放電過程的材料去除量減少，從而影響高速電弧粗化的效率。

圖5 峰值電流對材料去除率的影響

4.1.2 脈沖寬度對材料去除率的影響

圖6 是改變脈沖寬度對試驗(yàn)件材料去除率的影響?？梢?，隨著脈沖寬度從1.5 ms 增至3 ms，粗化效率逐漸下降，這是由于隨著脈沖寬度增加，單次電弧放電時(shí)間延長，電蝕除產(chǎn)物同樣增多，在電極靠近加工面的放電過程中， 由于極間排出間隙較小，電蝕除產(chǎn)物的排出速度并不快，易在加工表面再凝固，導(dǎo)致加工時(shí)放電狀態(tài)不佳，出現(xiàn)二次放電甚至出現(xiàn)了短路，使得粗化效率下降。

圖6 脈沖寬度對材料去除率的影響

4.1.3 電極孔徑對材料去除率的影響

圖7 是改變電極孔徑對試驗(yàn)件材料去除率的影響。 可見，隨著電極孔徑從1.6 mm 增至2 mm，粗化效率有輕微的增長， 這是由于隨著孔徑的增大，單位時(shí)間內(nèi)的沖液量也會提升，電蝕除產(chǎn)物排出速度略微加快，一定程度上改善極間放電狀態(tài)，提高了粗化效率。

4.2 試驗(yàn)參數(shù)對表面質(zhì)量的影響

4.2.1 峰值電流

圖8 是不同峰值電流時(shí)電極負(fù)極性高速電弧粗化加工后的工件表面金相顯微照片。 可見，隨著峰值電流從300 A 增大至380 A 時(shí)，熱影響層厚度變化并不明顯， 均在55~62 μm； 當(dāng)峰值電流達(dá)到400 A 時(shí)，熱影響層厚度有小幅增大，達(dá)到80 μm。總體上，改變峰值電流，熱影響層厚度均在100 μm以內(nèi)，說明電流大小對工件表面質(zhì)量的影響有限。

圖7 電極孔徑對材料去除率的影響

圖8 不同峰值電流時(shí)電極負(fù)極性電弧粗化凸起表面

4.2.2 脈沖寬度

圖9 是不同脈沖寬度時(shí)電極負(fù)極性高速電弧放電粗化加工后的工件表面。 可見，當(dāng)脈沖寬度在1.5~2 ms 時(shí)，工件表面上熔融材料重新凝固的部分較小， 黑褐色雜質(zhì)也較少； 隨著脈沖寬度增大至2.5~3 ms 時(shí)，加工后工件表面上熔融材料重新凝固的部分逐漸增多，黑褐色雜質(zhì)的數(shù)量也逐步增加。

為探究表面附著的黑褐色雜質(zhì)成分，對雜質(zhì)進(jìn)行SEM 電鏡分析， 得到的SEM 圖像和表面附著物的元素表分別見圖10 和表3。 結(jié)合來看，粗化凸起表面的碳成分相當(dāng)高，說明加工過程中存在碳成分從鋼材中析出的現(xiàn)象，同時(shí)由于加工電極材料為石墨，因此推斷出現(xiàn)黑褐色雜質(zhì)的主要原因是：①碳成分從鋼材中析出；②電極加工過程中的表面積碳現(xiàn)象。 隨著脈沖寬度不斷增大，單次放電時(shí)間延長，鋼材中的碳成分析出量增加， 同時(shí)由于放電間隙小、排渣不易，加工中更易出現(xiàn)異常放電，引起表面積碳，造成了粗化表面的黑褐色雜質(zhì)增加。

圖9 不同脈沖寬度時(shí)的工件表面

表3 黑褐色雜質(zhì)元素成分表

圖10 凸起表面黑褐色雜質(zhì)的SEM 圖像

4.2.3 電極孔徑

圖11 是不同電極孔徑對30CrMnSi 加工后形成的凸起表面。 可見，當(dāng)電極孔徑為1.6 mm 時(shí)，粗化加工后形成的凸起直徑在1.19 mm 左右；隨著電極孔徑的增加，凸起的直徑略有增幅，電極孔徑為1.8 mm 和 2 mm 時(shí)凸起直徑分別為 1.27 mm 和1.48 mm。 顯然，電極孔徑的增加也并未對凸起的表面質(zhì)量有較明顯的影響。

圖11 不同電極孔徑時(shí)的電弧粗化凸起表面

4.3 粗化效果及承受剪切應(yīng)力能力

圖12 分別是粗化后的工件和內(nèi)部復(fù)合材料填充后的工件， 粗化后的工件表面有著明顯可見、規(guī)則排布的凸起，復(fù)合材料填充后的工件作為承壓試驗(yàn)件。

通過工件所能承受的最大剪切力來評價(jià)工件與復(fù)合材料之間的結(jié)合強(qiáng)度。 為分析優(yōu)化后的工件抗剪切能力的提升，使用剪切力試驗(yàn)機(jī)對工件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)采用的是自行設(shè)計(jì)的夾具，試驗(yàn)的對比對象分別為內(nèi)襯未經(jīng)加工的30CrMnSi 工件和內(nèi)襯經(jīng)負(fù)極性電弧粗化加工得到的30CrMnSi 承壓試驗(yàn)件，兩工件經(jīng)剪切試驗(yàn)得到的結(jié)果見圖13。 可見，內(nèi)襯未經(jīng)加工的工件在剪切試驗(yàn)后，其內(nèi)襯與復(fù)合材料間的連接已被破壞，而經(jīng)過負(fù)極性電弧粗化后的工件依舊完好無損。

圖12 高速電弧放電粗化后的工件與承壓試驗(yàn)件

圖13 兩種工件經(jīng)剪切試驗(yàn)后的結(jié)果

為了更直觀地比較工件粗化前后的抗剪切能力，測試未經(jīng)粗化、經(jīng)粗化的30CrMnSi 環(huán)形件與內(nèi)部復(fù)合材料的抗剪切力。 經(jīng)測試， 未經(jīng)粗化的30CrMnSi 環(huán)形件與內(nèi)部復(fù)合材料結(jié)合后的抗剪切力約為39 kN， 而經(jīng)負(fù)極性電弧粗化后的工件抗剪切力超過了試驗(yàn)機(jī)的安全極限（80 kN），抗剪切能力相較于未粗化工件至少提升105%。 由此說明，經(jīng)負(fù)極性電弧粗化后的工件能更好地應(yīng)對較大的剪切力，其與表面復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度大幅提升。

5 結(jié)論

（1）對于30CrMnSi 等難加工合金材料，采用高速電弧可以在表面高效地形成粗化的凸臺特征陣列， 使用負(fù)極性高速電弧粗化30CrMnSi 的材料去除率最高可達(dá)1638.2 mm3/min。

（2）峰值電流與脈沖寬度是影響高速電弧粗化30CrMnSi 的材料去除率重要因素。隨著峰值電流的增大，材料去除率呈先上升后下降的趨勢；隨著脈沖寬度的增大，材料去除率逐漸下降。 經(jīng)過電弧粗化后的工件表面凹坑較多，有利于提高復(fù)合材料的粘結(jié)強(qiáng)度。

（3）隨著脈沖寬度的增加，工件表面會逐漸出現(xiàn)黑褐色雜質(zhì)，其實(shí)質(zhì)為鋼材中析出的碳成分以及加工過程表面積碳。

（4）相較于未經(jīng)過電弧粗化的工件，經(jīng)過電弧負(fù)極性電弧粗化后的工件抗剪切能力至少提升了105%。