電解加工對TC17鈦合金表面完整性及振動疲勞性能的影響

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(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點實驗室，北京 100095；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

鈦合金是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的主要金屬材料之一，其比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、抗氧化及抗蠕變性能優(yōu)異，是發(fā)動機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)輪盤和葉片等重要構(gòu)件的首選材料[1-3]。目前鈦合金用量的占比已成為衡量航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。美軍第三代發(fā)動機(jī)F100的鈦合金用量約占25%，第四代發(fā)動機(jī)F119的鈦合金用量高達(dá)40%。然而，鈦合金的切削加工性能較差，僅次于鎳基高溫合金，加工效率和質(zhì)量有限，在整體葉盤等整體構(gòu)件加工中的劣勢更為明顯。

電解加工是實現(xiàn)鈦合金整體構(gòu)件快速高效加工的重要手段之一，具有成本低、效率高和精密度高的突出優(yōu)點[4-5]。電解加工是基于金屬材料陽極溶解原理的加工技術(shù)，理論上不存在工具陰極損耗問題。據(jù)統(tǒng)計，采用銑削技術(shù)加工1個中等直徑(約600 mm)的整體葉盤需360 h左右，而電解加工僅需要120 h左右，加工周期顯著縮短。針對整體葉盤上復(fù)雜扭曲程度很高的葉片，電解加工技術(shù)能夠通過最佳工具運動軌跡識別技術(shù)，將電極準(zhǔn)確送入狹窄的葉柵通道，最終實現(xiàn)葉盆和葉背型面的精密成型[6-8]。因此電解加工已經(jīng)成為國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)整體構(gòu)件的重要加工技術(shù)之一，如GE、羅羅和普惠公司的發(fā)動機(jī)均使用了電解加工的整體葉盤等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。國內(nèi)在電解加工領(lǐng)域也開展了大量基礎(chǔ)研究，南京航空航天大學(xué)的朱荻院士從20世紀(jì)80年代開始就對電解加工控制原理、陰極設(shè)計、成型規(guī)律等進(jìn)行了全面而深入的研究，并設(shè)計制造了國內(nèi)首臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的電解加工設(shè)備，引領(lǐng)了國內(nèi)該技術(shù)的發(fā)展[9-16]。北京航空制造工程研究所[17-19]、中國航發(fā)黎明[20-21]等單位在大型電解加工設(shè)備及應(yīng)用方面都取得了實質(zhì)性突破。

1 實驗

1.1 材料

TC17鈦合金試片的尺寸為100 mm × 50 mm × 3 mm，其名義化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)見表1。

表1 TC17鈦合金的化學(xué)成分Table 1 Composition of TC17 titanium alloy（單位：%）

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(jìn)給速率約1.4 mm/min，溫度約30 °C，電源占空比30%，頻率0.6 kHz。

1.2.2 機(jī)械加工

機(jī)械加工主要包括切削和磨削：切削深度約15 mm，車床轉(zhuǎn)速320 r/min，進(jìn)給量約30 mm/min；磨削深度0.01 ~ 0.02 mm，砂輪線速度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(jié)構(gòu)。采用ZYGO公司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(Ra)。采用Proto iXRD殘余應(yīng)力分析儀檢測樣品的殘余應(yīng)力，正值代表殘余拉應(yīng)力，負(fù)值代表殘余壓應(yīng)力。

2008年后，隨著中國地質(zhì)調(diào)查局新一輪區(qū)域化探項目的實施[1]，青海省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院承擔(dān)并完成了青海柴達(dá)木盆地周緣的區(qū)域化探掃面工作，并在該區(qū)新圈定了一大批面積大、強(qiáng)度高、具有找礦前景的化探異常[2]，通過對少數(shù)地球化學(xué)異常檢查，新發(fā)現(xiàn)夏日哈木等礦(床)點數(shù)十處[3]，極大的推動了該區(qū)的地質(zhì)找礦工作。但該景觀區(qū)的化探方法技術(shù)研究工作較少[4-6]，這使得人們對該區(qū)的化探采樣工作更加關(guān)注。

1.3.2 振動疲勞試驗

采用圖1所示的板狀試樣，先分別進(jìn)行機(jī)械加工和電解加工，接著按照HB 5277–1984《發(fā)動機(jī)葉片及材料振動疲勞試驗方法》進(jìn)行室溫振動疲勞試驗，試驗應(yīng)力為380 MPa，以試樣的疲勞壽命(N)為指標(biāo)來評價室溫疲勞性能。

圖1 室溫振動疲勞試樣示意圖Figure 1 Schematic diagram of room-temperature vibration fatigue specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 表面完整性

零部件的表面完整性直接影響其使用性能，是航空領(lǐng)域評價零件加工表面質(zhì)量的重要指標(biāo)。表面完整性不僅包括表面形貌特征[22]，還包括物理、冶金、化學(xué)等一系列特性[23]。本文重點研究機(jī)械加工和電解加工對TC17鈦合金表面微觀形貌、輪廓、殘余應(yīng)力和近表面顯微織構(gòu)的影響。

2.1.1 表面形貌

從圖2可知，機(jī)械加工表面有明顯的加工刀痕，在刀具切削過程中局部還會不可避免地出現(xiàn)合金相脫落而造成的凹坑。電解加工表面呈現(xiàn)出明顯的針片狀形貌，這是電解加工過程中板條狀α相組織溶解而形成的；電解加工表面局部還有明顯的α相晶界，這可能是晶粒取向不同所致。

圖2 TC17鈦合金分別經(jīng)過機(jī)械加工(a)和電解加工(b)后的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of TC17 titanium alloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

2.1.2 表面粗糙度

表面粗糙度是評估零件表面完整性的主要參數(shù)之一。表面粗糙度與疲勞性能之間密切聯(lián)系，一般粗糙度越大，局部應(yīng)力集中越強(qiáng)烈，越容易引發(fā)疲勞裂紋[24]。從圖3可知，機(jī)械加工表面呈現(xiàn)出機(jī)加刀痕的規(guī)則條紋，電解加工表面則呈現(xiàn)出不規(guī)則的凹坑和尖峰。結(jié)合圖2b可知，圖3b中的凹陷區(qū)域可能為板條狀α相溶解后形成的凹槽。機(jī)械加工后TC17鈦合金的Ra約為0.567 μm，而電解加工后的Ra達(dá)到1.164 μm，顯著大于機(jī)械加工表面。機(jī)械加工是通過塑性變形、切削作用等方式塑造表面，與基體的合金相關(guān)系不大；電解加工則是依靠材料表面的陽極溶解，不同合金相溶解速率的差異可能會導(dǎo)致局部表面優(yōu)先溶解。

圖3 TC17鈦合金分別經(jīng)過機(jī)械加工(a)和電解加工(b)后的表面粗糙度Figure 3 Surface roughness of TC17 titanium alloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

從表面粗糙度看，電解加工表面更粗糙，對TC17鈦合金疲勞性能的不利影響可能比機(jī)械加工嚴(yán)重。但疲勞性能除了受到表面粗糙度的影響，還與表面殘余應(yīng)力、晶型織構(gòu)等多方面因素有關(guān)。另外從工程應(yīng)用的角度而言，電解加工的表面尚未達(dá)到真正使用的程度，還可通過后續(xù)處理(如振動光飾)來降低表面粗糙度。

2.1.3 表面殘余應(yīng)力

表面殘余應(yīng)力對鈦合金疲勞性能的影響較大。一般而言，殘余拉應(yīng)力會顯著降低材料的疲勞極限，令其疲勞壽命縮短；殘余壓應(yīng)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[25]。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)械加工試樣表面的殘余應(yīng)力波動較大，在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力之間跳躍，并且絕對值較大，說明機(jī)械加工表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)不穩(wěn)定。另外，機(jī)械加工試樣在距離表面10 ~ 20 μm范圍內(nèi)呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力狀態(tài)，最高達(dá)到了500 MPa左右，顯然這種狀態(tài)非常不利于材料的疲勞性能。電解加工試樣表面基本呈殘余壓應(yīng)力，并且絕對值較小，說明電解加工表面的殘余應(yīng)力較平穩(wěn)，疲勞裂紋不容易形成和擴(kuò)展，因此電解加工對材料的疲勞性能更有利。

圖4 分別經(jīng)機(jī)械加工和電解加工后TC17鈦合金表面不同深度的殘余應(yīng)力Figure 4 Residual stress of TC17 titanium alloy at different depths after mechanical machining and electrochemical machining, respectively

2.1.4 晶粒取向

機(jī)械加工與電解加工最大的區(qū)別在于材料的去除方式，對材料表面晶粒取向造成的影響也就截然不同。通過電子背散射衍射分析零件表面晶粒取向有助于研究兩種加工方式對材料性能的影響。從圖5可知，機(jī)械加工試樣靠近表面的區(qū)域存在大量細(xì)小晶粒，越向內(nèi)部，晶粒尺寸越大，直到呈正常的板條狀α相晶粒組織。這表明機(jī)械加工令材料表面發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形，引起晶粒細(xì)化甚至破碎，變形層深度約為10 μm。電解加工試樣表面基本不存在細(xì)小晶粒區(qū)域，表明電解加工基本不會使晶粒組織產(chǎn)生塑性變形。

圖5 TC17鈦合金分別經(jīng)過機(jī)械加工(a)和電解加工(b)后的斷面形貌和晶粒取向Figure 5 Cross-sectional morphologies and grain orientations of TC17 titanium alloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

2.2 振動疲勞性能

振動疲勞是引起發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動部件結(jié)構(gòu)破壞與失效的主要因素之一，其涉及到結(jié)構(gòu)響應(yīng)、疲勞極限、疲勞壽命等。因此對于壓氣機(jī)葉片而言，室溫振動疲勞性能是必須考察的重要性能之一。室溫振動疲勞試驗結(jié)果表明，在380 MPa應(yīng)力下，機(jī)械加工和電解加工的TC17試樣振動疲勞壽命分別約為1.99 × 105和1.52 × 106?？梢婋娊饧庸ぴ嚇拥恼駝悠谛阅軆?yōu)于機(jī)械加工試樣。為進(jìn)一步研究加工方式對TC17鈦合金振動疲勞的影響，采用掃描電鏡觀察疲勞斷口形貌，結(jié)果如圖6所示。

圖6 TC17鈦合金分別經(jīng)過機(jī)械加工(a, b)和電解加工(c, d)后室溫振動疲勞試樣的斷口形貌Figure 6 Fracture morphologies of TC17 vibration fatigue specimens after mechanical machining (a, b) and electrochemical machining (c, d), respectively

從圖6a和圖6b可知，機(jī)械加工試樣在整個斷口上存在清晰的疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3種典型的疲勞斷口，疲勞源區(qū)分布在寬度方向的兩側(cè)，疲勞源區(qū)較平整，周圍有明顯的放射狀紋路；裂紋源則位于試樣表面，存在明顯的機(jī)械加工刀痕。結(jié)合圖4和圖5，有理由認(rèn)為機(jī)械加工試樣表面的刀痕處集中了較大的殘余應(yīng)力，是誘發(fā)疲勞裂紋的源頭。

從圖6c和圖6d可知，電解加工振動疲勞試樣的疲勞源區(qū)同樣位于試樣表面，且表面全區(qū)的形貌相近，未發(fā)現(xiàn)典型的疲勞源區(qū)和放射狀紋路。結(jié)合電解加工表面基本呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力以及表面晶粒取向與本體保持一致的情況，可以認(rèn)為電解加工試樣的表面不會產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，疲勞性能不受影響。

3 結(jié)論

(1) 相比于機(jī)械加工，TC17鈦合金電解加工后的表面不存在明顯的加工痕跡，表面粗糙度略高，表面殘余應(yīng)力普遍呈現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)且應(yīng)力值較為平穩(wěn)。另外，電解加工表面不存在明顯的晶粒細(xì)化或破碎的變形層，晶粒取向與基體保持一致。

(2) TC17鈦合金電解加工后的室溫振動疲勞壽命高于機(jī)械加工后，這可能是因為電解加工表面在殘余應(yīng)力及晶粒取向方面都優(yōu)于機(jī)械加工表面。