鈦合金葉柵電解加工工藝技術(shù)研究

龐延昊天，賈建利，耿雪松

（ 1. 西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710100；2. 西安航天發(fā)動機(jī)有限公司，陜西西安 710100 ）

鈦合金材料具有強(qiáng)度高、密度小、耐熱及耐蝕性能好等優(yōu)良特性，在液體動力中廣泛應(yīng)用，隨著發(fā)動機(jī)推質(zhì)比和可靠性要求的不斷提高，高性能材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的應(yīng)用越來越多，且對其加工精度也提出了新的要求。 葉柵是我國新一代運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)煤油預(yù)壓泵的關(guān)鍵零件， 材料為鈦合金，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，刀具可達(dá)性差，無法采用傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝進(jìn)行制造；此外，由于鈦合金材料導(dǎo)熱性極差，采用電火花加工方法，產(chǎn)品表面易產(chǎn)生燒蝕凹坑，無法滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

電解加工技術(shù)具有加工效率高、 無熔化凝固層、工具電極無損耗、不受材料力學(xué)性能限制等特點(diǎn)，特別適用于鈦合金材料開式整體葉柵類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的高效、無變質(zhì)層加工[1-4]。 圖1 是鈦合金葉柵加工示意，工具電極在高速流動的電解液環(huán)境下單向進(jìn)給，在電場、流場作用下工件陽極溶解，去除葉柵葉片通道余量，分度實(shí)現(xiàn)所有葉片的成形加工。

圖1 鈦合金葉柵電解加工原理示意圖

鈦合金表面易生成鈍化膜，耐蝕性高，在鈦合金表面極易形成致密氧化膜，對鈦合金陽極溶解起到阻滯作用，依賴于加工表面的點(diǎn)蝕凹坑重疊以去除鈍化膜開始電解加工[5]。 在鈦合金電解加工過程中，由于鈦的自鈍化特性和電解液特性，材料去除定域性差，加工表面雜散腐蝕嚴(yán)重，低電位區(qū)存在明顯的點(diǎn)蝕凹坑。 圖2 是葉柵電解加工后葉片根部點(diǎn)蝕照片，可以看到葉片根部存在明顯的點(diǎn)蝕坑。

圖2 葉柵葉片點(diǎn)蝕示意圖

葉柵工作在高速旋轉(zhuǎn)、高壓條件下，葉片雜散點(diǎn)蝕增加流阻， 勢必降低渦輪泵工作轉(zhuǎn)換效率，另外削弱了葉片尤其是葉尖部位的強(qiáng)度，降低產(chǎn)品可靠性，因此有必要對鈦合金葉柵電解加工流場進(jìn)行仿真分析，作為優(yōu)化陰極系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，提高電解加工的流場穩(wěn)定性， 進(jìn)而提高葉片成形精度、降低表面點(diǎn)蝕。

電解加工過程中， 大量的電解液流過加工間隙，陰極析出氫氣，陽極溶解產(chǎn)生電解產(chǎn)物。 加工間隙中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)變化導(dǎo)致間隙中各處電解液電導(dǎo)率不同；同時，間隙內(nèi)電解液的流動方式以及間隙內(nèi)各點(diǎn)的流速與壓力分布直接影響間隙內(nèi)的溫度、氫氣、氫氧化物及電解液電導(dǎo)率的分布，電導(dǎo)率的不均勻分布將對加工間隙的分布和工件成形產(chǎn)生重要影響[6]。 因此，電解加工間隙中的流場特性，是研究電解加工成形規(guī)律的基礎(chǔ)，流場的分布情況直接決定了加工穩(wěn)定性與工件表面質(zhì)量[7]。

在電解加工中，工作液供液模式是指電解液流向、流經(jīng)及流出加工間隙的路徑、流動方向的幾何描述。 側(cè)流式和正流式是電解加工中常用的電解液流動方式。 通常，側(cè)流式流場適合在圓滑連接、截面變化平緩的通道中流動，且速度和壓力變化緩慢的流場條件；正流式流場適合在電解液進(jìn)、出口流道有較大的轉(zhuǎn)折，速度和壓力變化較大的流場。 考慮到需要成形葉片的葉型扭曲大、 流道變化劇烈，若采用側(cè)向流動方式， 葉盆和葉背易存在缺液區(qū)，易引發(fā)工件加工過程中發(fā)生接觸短路[8]。 因此，考慮采用電解液正向流動， 分別采用葉片環(huán)向進(jìn)液和葉盆、葉背交匯處兩側(cè)進(jìn)液的方式設(shè)計(jì)流場。 為了得到更優(yōu)的流場，分別分析了環(huán)形供液和左右兩側(cè)進(jìn)液兩種工作液供液模式下加工間隙工作液的分布特性。

1 鈦合金葉柵電解加工數(shù)學(xué)模型

在電解加工過程中，假設(shè)電解液為粘性且不可壓縮的液體，電解液在流道內(nèi)的流動遵守質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律。 為了使流體力學(xué)的基本方程封閉求解，在以上兩個守恒方程的基礎(chǔ)上，需要配合使用湍流模型，層流和湍流的區(qū)分通常以雷諾數(shù)大小進(jìn)行判定。

國內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)表明，電解加工過程能夠穩(wěn)定進(jìn)行的一個必要條件是電解液流速不小于一個臨界流速[9]。 因此，進(jìn)行流場的計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）仿真之前需要確定該臨界流速。 電解液流速有兩種評價標(biāo)準(zhǔn)：①選擇恰當(dāng)?shù)牧魉?，確保電解液流動為湍流狀態(tài)；②選擇恰當(dāng)?shù)牧魉倏梢钥刂茰厣?可以通過下式確定：

式中： uT為入口電解液流速；v 為運(yùn)動黏度系數(shù)；Dh為水力直徑；i 為電流密度，k0為電導(dǎo)率；Cl為電解液熱容；ΔTe為允許溫升；L 為流程長度。

綜合考慮式（1）和（2）兩個條件，電解液臨界流速可通過式（3）確定：

在實(shí)際加工下，i=103 A/cm2，ρl=1.142 g/cm3，Cl=4.2×103J/kg，ΔTe=5 ℃，L=0.02 m，v=2.5×10-6m2/s，k0=15 S/m，Dh=2.2 mm，則通過上式可確定電解液臨界流速umin=13 m/s， 為了確保實(shí)際電解加工過程能穩(wěn)定進(jìn)行，電解液的流速u≥umin=13 m/s。

在Fluent 中常見的湍流模型包括：單方程模型（Spalart-Allmaras 模型）、雙方程模型（標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型、RNG k-ε 模型、可實(shí)現(xiàn) k-ε 模型）、雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬模型。RNG k-ε 模型是Fluent 中常見的湍流模型，源自嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，其考慮了湍流漩渦，并提供了一個考慮了低雷諾數(shù)流動粘性的解析式，有效提高了計(jì)算精度[10]。 對于平板流動、管道流動和通道流動，RNG k-ε 模型尤為適用， 與本研究流道的復(fù)雜性相契合，因此選用RNG k-ε 模型建立鈦合金葉柵電解加工數(shù)學(xué)模型，符合k-ε 兩方程模型的湍動能與耗散率方程，見下式：

式中：k 為湍動能；ε 為湍動耗散率；μeff為有效黏度，μeff=μ+μt；Gk為平均速度梯度引起的湍動能 k 的產(chǎn)生項(xiàng)

2 鈦合金葉柵電解加工流場仿真及陰極系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 葉片環(huán)向進(jìn)液陰極系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使葉柵電解加工過程中葉盆和葉背供液均勻，首先提出沿葉片環(huán)向進(jìn)液的思路。 電解液經(jīng)連接腔中的貫通進(jìn)液槽流入絕緣水套的環(huán)形進(jìn)液縫，環(huán)形進(jìn)液縫沿葉片輪廓外擴(kuò)得到以保證充足均勻的供液，電解液沿陰極片輪廓周向流出，實(shí)現(xiàn)均勻供液，環(huán)形供液流場模型如圖3 所示。

圖3 環(huán)形供液流場結(jié)構(gòu)示意圖及模型

圖4 是通過仿真分析獲得的流場流速分布云圖，可見工件葉盆、葉背的流速分布并未達(dá)到均勻的效果， 在葉盆和葉背處存在較大面積的缺液區(qū)。由于不能保證電解液出液均勻，環(huán)形供液的流動方式不能保證流速分布均勻一致，同時葉尖出現(xiàn)較多的腐蝕，實(shí)際加工出來的葉片質(zhì)量較差，如圖5 所示。

圖4 環(huán)形供液流場流場云圖

圖5 環(huán)形供液流場加工的產(chǎn)品樣件

2.2 葉盆、葉背交匯處兩側(cè)進(jìn)液陰極設(shè)計(jì)

2.2.1 兩側(cè)進(jìn)液陰極系統(tǒng)流場仿真分析

為了減少葉片的雜散腐蝕，獲得流速分布一致的流場， 設(shè)計(jì)葉盆和葉背交匯處兩側(cè)供液流場，并對進(jìn)液孔的位置進(jìn)行優(yōu)化。 兩側(cè)進(jìn)液流場中，電解液從陰極連接腔底部的兩導(dǎo)流孔進(jìn)入絕緣水套兩側(cè)的進(jìn)液孔，然后電解液由兩側(cè)進(jìn)液孔流向陰極片出液區(qū)。 環(huán)形進(jìn)液流場方式可減少葉片頂端的雜散腐蝕，但流場設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要結(jié)合仿真和實(shí)際加工樣件進(jìn)行流場進(jìn)液方式的優(yōu)化，兩側(cè)供液流場模型如圖6 所示。

圖6 兩側(cè)供液流場結(jié)構(gòu)模型

圖7 是通過仿真分析獲得的流場流速分布云圖，可見兩側(cè)供液的流場明顯出現(xiàn)兩處不均勻供液區(qū)。 陰極系統(tǒng)中水套兩側(cè)的進(jìn)液孔對流場分布影響較大，因此需要仿真分析結(jié)果對陰極系統(tǒng)中水套兩側(cè)的進(jìn)液孔位置進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 兩側(cè)供液流場流場云圖

2.2.2 兩側(cè)進(jìn)液孔水平距離對流場的影響

為了分析進(jìn)液孔水平距離對流場的影響，分別可以通過下式求出：對不同進(jìn)液孔水平距離的加工流場進(jìn)行了仿真，具體的流場仿真見圖8， 可見兩側(cè)進(jìn)液孔的水平距離會影響流場分布的均勻性，當(dāng)兩側(cè)進(jìn)液孔的水平距離為20 mm 時，流場分布較均勻。

圖8 兩側(cè)進(jìn)液孔水平距離對流場分布影響

2.2.3 兩側(cè)進(jìn)液孔豎直距離對流場的影響

為了分析進(jìn)液孔豎直距離對流場的影響分別對不同進(jìn)液孔豎直距離的加工流場進(jìn)行了仿真，具體的流場仿真見圖9， 可見兩側(cè)的進(jìn)液孔距離葉片中心的豎直距離也影響流場分布，進(jìn)液孔中心越靠近葉片進(jìn)、排氣邊交匯處，流場情況越佳。

圖9 兩側(cè)進(jìn)液孔豎直距離對流場分布影響

2.3 加工參數(shù)優(yōu)選

綜上分析可知，兩側(cè)進(jìn)液孔的位置對流場分布影響較大，綜合考慮實(shí)際各影響因素和工件自身空間尺寸的限制，得到優(yōu)選的流場結(jié)構(gòu)，兩側(cè)進(jìn)液孔中心的水平距離為20 mm，進(jìn)液孔中心到葉片中心的豎直距離為3.5 mm，并制造相應(yīng)的陰極水套進(jìn)行試驗(yàn)，得到的流場云圖見圖10。

圖10 進(jìn)液孔優(yōu)化后的流場云圖

從參數(shù)優(yōu)化后的流場仿真速度云圖來看，葉盆和葉背流場的一致性得到改善， 流速分布更加均勻。 圖11 是采用優(yōu)化后的陰極系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的加工樣件， 可見加工得到的樣件表面光滑無條紋，葉片根部無明顯點(diǎn)蝕凹坑，葉片表面的點(diǎn)蝕凹坑得到了有效控制，但點(diǎn)蝕現(xiàn)象仍未完全消除。

圖11 優(yōu)化流場后加工的樣件

3 鈦合金葉柵電解加工后處理

為了獲得鈦合金材料葉柵的高表面質(zhì)量，采用鈦合金葉柵葉片光整磨粒流夾具，使用選定的磨粒粒度800 目的碳化硼磨料，進(jìn)行鈦合金葉柵電解加工磨粒流后處理工藝試驗(yàn)研究， 探索磨粒流速、加工壓力、循環(huán)次數(shù)等磨粒流加工工藝參數(shù)對葉柵葉片點(diǎn)蝕凹坑去除效果和加工效率的影響規(guī)律，具體試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

通過多組試驗(yàn)比選，在磨粒流速3 m/min、加工壓力2.69 MPa， 循環(huán)次數(shù)8 次的工藝參數(shù)組合下，進(jìn)行葉柵葉片磨粒流加工效果最佳，在3 個不同位置的檢測結(jié)果見表2。在此條件下，葉柵葉片的表面粗糙度≤Ra0.65 μm，點(diǎn)蝕凹坑全部去除。 綜合考慮磨粒流加工過程中磨料溫度變化、加工表面粗糙度及圖紙技術(shù)要求，以點(diǎn)蝕凹坑去除效果和加工效率為參考指標(biāo)， 優(yōu)化選取的磨粒流加工參數(shù)組合為：磨粒流速2~3 m/min，加工壓力2.3~2.69 MPa，循環(huán)次數(shù)8~10 次。

表2 最優(yōu)條件下表面粗糙度和點(diǎn)蝕凹坑去除效果

圖12 是電解加工的鈦合金葉柵葉片磨粒流加工前后對比。 由圖可見，磨粒流加工后亮度明顯提高，葉柵葉片的表面粗糙度顯著降低，磨粒流加工可有效實(shí)現(xiàn)鈦合金葉柵電解無點(diǎn)蝕光整加工。

圖12 磨粒流加工前后鈦合金葉柵照片

4 結(jié)束語

針對鈦合金葉柵電解套型加工的加工表面質(zhì)量差、易出現(xiàn)雜散點(diǎn)蝕等問題，開展了鈦合金葉柵電解光整加工工藝研究，包括電解加工流場仿真分析、陰極系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究以及磨粒流電解加工后處理。 首先，根據(jù)套型電解加工規(guī)律設(shè)計(jì)了陰極片，建立了鈦合金葉柵電解套型加工數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了葉片環(huán)形供液陰極系統(tǒng)和兩側(cè)進(jìn)液陰極系統(tǒng)，并進(jìn)行了流場仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證；隨后，針對兩側(cè)進(jìn)液陰極系統(tǒng)，對不同進(jìn)液孔位置對電解加工間隙流場影響進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并獲得了最優(yōu)的兩側(cè)進(jìn)液陰極系統(tǒng)；最后，在合適的加工參數(shù)下進(jìn)行了加工驗(yàn)證與磨料流后處理，葉片表面雜散腐蝕得到了有效控制。 通過本文的研究，實(shí)現(xiàn)了鈦合金葉柵無點(diǎn)蝕電解加工，大幅提高了鈦合金葉柵的表面質(zhì)量，為液體火箭發(fā)動機(jī)型號產(chǎn)品的高質(zhì)量研制提供了有效的技術(shù)手段[11]。