電解加工對GH4169G高溫合金表面完整性和力學性能的影響

詹中偉，劉嘉，孫志華，李海揚，湯小軍

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京 100095；2.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016）

GH4169G高溫合金是在GH4169合金中添加P、B等微量元素所得的一種改進型變形鎳基高溫合金，在?250 ~ 700 °C溫度范圍內具有良好的抗疲勞、抗氧化、耐腐蝕、加工及焊接性能，被廣泛應用于航空發(fā)動機領域，可用于加工盤、環(huán)、葉片、軸等眾多關鍵零部件[1-2]。

電解加工技術是目前國內外航空發(fā)動機關鍵零部件加工的先進技術之一，具有無工具損耗，不受材料自身力學性能限制，加工效率高等優(yōu)點[3-4]，能夠很好地滿足航空發(fā)動機制造中材料特殊、加工難度大以及加工批量大的獨特需求。因此，國內外在高溫合金尤其是 GH4169合金的電解加工方面開展了大量研究工作[5-6]。Tang等[7]研究了GH4169合金在電解加工過程中的電化學溶解機理，為GH4169合金電解加工的實際應用奠定基礎。南京航空航天大學[8-10]、北京航空制造工程研究所[11-13]等單位長期致力于GH4169等高溫合金電解加工技術的研究，并取得了可喜的成績。

然而，國內在GH4169等高溫合金電解加工領域的研究主要關注于工藝參數(shù)優(yōu)化和陰極參數(shù)(如形狀、旋轉速率、旋轉方式等)[14-15]方面，有關電解加工對GH4169高溫合金表面完整性和力學性能影響的研究報道較少，缺乏與傳統(tǒng)機械加工方式的對比。本研究對比了電解加工和機械加工兩種方式對航空發(fā)動機用GH4169G高溫合金表面完整性及力學性能的影響，為電解加工技術的工程化應用提供理論支撐。

1 實驗

1.1 材料

GH4169G高溫合金的尺寸為130 mm × 50 mm ×3 mm，名義化學成分(以質量分數(shù)計)為：Ni 50% ~ 55.0%，Cr 17.0% ~ 21.0%，Mo 2.80% ~ 3.30%，Al 0.30% ~ 0.70%，Ti 0.75% ~ 1.15%，C≤0.08%，Co≤1.0%，F(xiàn)e余量。

1.2 加工工藝

1.2.1 電解加工

電解加工采用10% NaCl電解液，電壓35 V，進給速率約1.4 mm/min，溫度約30 °C，占空比30%，頻率0.6 kHz。

1.2.2 機械加工

機械加工主要包括切削和磨削：切削深度約15 mm，車床轉速320 r/min，進給量約30 mm/min；磨削深度0.01 ~ 0.02 mm，砂輪轉速10 ~ 20 m/s。

1.3 性能測試

1.3.1 表面完整性分析

采用JEOL JSM-7900F型掃描電子顯微鏡(SEM)及其搭載的電子背散射衍射系統(tǒng)(EBSD)分析樣品表面的顯微組織結構。采用ZYGO NeXView型白光干涉三維形貌儀分析樣品的表面輪廓，并檢測表面粗糙度。采用Proto iXRD殘余應力分析儀檢測樣品的殘余應力，正值代表殘余拉應力，負值代表殘余壓應力。

1.3.2 力學性能試驗

力學性能試驗包括高溫持久試驗和室溫振動疲勞試驗，試樣尺寸分別見圖 1和圖 2。高溫持久試驗按照GB/T 2039–2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法》進行，試驗溫度680 °C，應力690 MPa，以斷裂時間和延伸率為指標來評估高溫持久性能。室溫振動疲勞試驗按照HB 5277–1984《發(fā)動機葉片及材料振動疲勞試驗方法》在室溫下進行，應力選擇680 MPa和600 MPa兩個水平，以試樣的疲勞壽命(N)為指標來評價室溫疲勞性能。

圖1 高溫持久試樣示意圖Figure 1 Schematic diagram of high-temperature creep rupture specimen

圖2 室溫振動疲勞試樣示意圖Figure 2 Schematic diagram of rom-temperature vibration fatigue specimen

2 結果與討論

2.1 加工方式對GH4169G高溫合金表面完整性的影響

2.1.1 表面形貌

從圖3可知，經(jīng)機械加工后GH4169G高溫合金表面存在明顯的加工刀痕。經(jīng)電解加工后，GH4169G高溫合金表面變得雜亂，局部存在晶界(見圖3b方框區(qū)域)，晶界上有針狀δ相，晶粒內部較平整，這可能是因為不同相的成分有差異，在電解加工過程中的溶解速率不同。

圖3 GH4169G高溫合金分別經(jīng)過機械加工(a)和電解加工(b)后的表面形貌Figure 3 Surface morphologies of GH4169G superalloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

2.1.2 表面粗糙度

一般表面粗糙度越大，局部應力集中越強烈，越容易引發(fā)疲勞裂紋[16]。從圖4可知，機械加工表面的機加刀痕較規(guī)則，與圖3a一致，其表面粗糙度約為0.256 μm。電解加工表面的粗糙度約為0.408 μm，高于機械加工表面。圖4b顯示的紅色凸出區(qū)域的位置與圖3b中的晶界基本吻合，推測是由于電解加工過程中GH4169G合金中不同相的溶解速率差別較大，即晶界處的δ相比基體相γ相及增強相γ′相和γ′′相的溶解可能更慢。

圖4 GH4169G高溫合金分別經(jīng)過機械加工(a)和電解加工(b)后的表面粗糙度Figure 4 Surface roughness of GH4169G superalloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

2.1.3 表面殘余應力

一般而言，殘余拉應力會顯著降低材料的疲勞極限，縮短疲勞壽命；殘余壓應力則能夠有效抑制疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，從而提高疲勞極限，延長疲勞壽命[17]。從圖5可知，GH4169G高溫合金機械加工試樣表層10 μm深度內均呈現(xiàn)殘余拉應力狀態(tài)，最大約400 MPa；之后表現(xiàn)為殘余壓應力，最大約?250 MPa；隨著深度增大，壓應力逐漸減小，距表面100 μm處時，殘余壓應力約為?50 MPa。這是金屬材料機械加工表面殘余應力的典型變化趨勢，其中最表層的拉應力和大幅的應力變化可能會導致疲勞裂紋的萌生。GH4169G高溫合金電解加工試樣從表面到內部的殘余應力變化幅度較小，基本保持在100 MPa以內，這表明電解加工表面殘余應力較平穩(wěn)，不易產(chǎn)生疲勞裂紋。

圖5 分別經(jīng)機械加工和電解加工后GH4169G高溫合金表面不同深度的殘余應力Figure 5 Residual stresses of GH4169G superalloy at different depths after mechanical machining and electrochemical machining, respectively

2.1.4 晶粒取向

機械加工與電解加工對材料的去除方式不同，對材料表面晶粒取向造成的影響也就不同。從圖6可知，機械加工試樣靠近表面區(qū)域存在較薄的細晶層，厚度為幾個μm。這是由于在機械加工過程中材料表面發(fā)生強烈的塑性變形，引起表面晶粒細化甚至破碎。電解加工試樣表面完全觀察不到細晶層，表層晶粒的邊緣整齊，說明電解加工過程中表面只是發(fā)生均勻腐蝕，并沒有明顯的塑性變形。

圖6 GH4169G高溫合金分別經(jīng)過機械加工(a)和電解加工(b)后的斷面形貌和晶粒取向Figure 6 Cross-sectional morphologies and grain orientations of GH4169G superalloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

2.2 加工方式對GH4169G高溫合金力學性能的影響

2.2.1 高溫持久性能

高溫持久性能是保證高溫合金零部件安全服役的重要參數(shù)之一。從表1可知，機械加工試樣的平均持久拉伸斷裂時間為33.19 h，斷裂后的平均延伸率為18.76%；電解加工試樣平均持久斷裂時間為33.89 h，斷裂后的平均延伸率為15.98%。可見兩種方式加工后GH4169G試樣的高溫持久性能相當，表明加工方式對高溫持久性能的影響不明顯。

表1 GH4169G經(jīng)過機械加工和電解加工后的高溫持久性能Table 1 High-temperature creep rupture property of GH4169G superalloy after mechanical machining and electrochemical machining, respectively

2.2.2 室溫振動疲勞性能

室溫振動疲勞性能是航空發(fā)動機渦輪葉片的重要性能之一。如圖7所示，在600 MPa和680 MPa應力下，機械加工試樣的疲勞壽命均大于電解加工試樣，但處于同一數(shù)量級。一般而言，GH4169G試樣表面粗糙度越大，表面殘余應力呈現(xiàn)拉應力狀態(tài)越明顯，應力值越大，則疲勞性能越差。結合圖4和圖5可知，表面粗糙度對GH4169G高溫合金室溫振動疲勞性能的影響更大。

圖7 GH4169G高溫合金分別經(jīng)過機械加工和電解加工后的室溫振動疲勞壽命Figure 7 Room-temperature vibration fatigue life of GH4169G superalloy after mechanical machining and electrochemical machining, respectively

3 結論

(1) 相比于機械加工，GH4169G高溫合金電解加工后的表面無明顯的機加刀痕及晶粒細化或破碎的變形層，表面粗糙度略高，且表面殘余應力變化幅度較小，基本保持在100 MPa以內。

(2) GH4169G高溫合金電解加工后的高溫持久性能與機械加工相當，而室溫振動疲勞壽命低于機械加工，這可能是由于其表面粗糙度較大。