鈦合金TC17 電解加工試件振動疲勞試驗研究

龐曰群，朱 棟，朱 荻

（ 南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210016 ）

TC17 鈦合金具有質(zhì)輕、強度高、耐腐蝕、耐熱性好等優(yōu)點[1-2]，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，是制造航空發(fā)動機整體葉盤和葉片的主要材料[3]。 采用傳統(tǒng)的銑削加工時，由于鈦合金熱導(dǎo)率低，切削加工散熱困難，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，加工成本高[4]。 電解加工是一種非接觸式加工方式，具有加工表面無殘余應(yīng)力、無刀具損耗、生產(chǎn)效率高、加工過程不受材料硬度限制等優(yōu)點，常作為鈦合金等難加工材料的主要加工方式之一，在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[5-6]。

鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑，常溫下暴露在空氣中會形成鈍化膜而阻礙電解加工進行，這導(dǎo)致鈦合金電解加工時表面易產(chǎn)生選擇性溶解， 使工件產(chǎn)生點蝕、表面粗糙等缺陷，國內(nèi)外學(xué)者自此進行了一系列研究。 楊怡生等[7]研究了鈦合金TC4 和TC9 在電解加工過程中的點蝕影響因素，發(fā)現(xiàn)鈦合金點蝕與電解液成分、電流密度等密切相關(guān)。 GE 公司針對鈦合金TC4 在NaCl 電解液中加工后的點蝕現(xiàn)象進行研究，發(fā)現(xiàn)提高電流密度能有效減少點蝕的發(fā)生[8]。Clifton 等[9]研究了不同電解液種類對γ-TiAl 電解加工樣件表面粗糙度的影響，結(jié)果表明，采用NaCl 電解液試件可得到較低的表面粗糙度， 而采用HClO4溶液加工得到的試件表面粗糙度較差；Liu 等[10]研究了鈦合金在不同濃度的NaNO3和NaCl 溶液中的溶解特性，優(yōu)化了鈦合金的加工參數(shù)。張美麗[11]采用了輔助陽極的方式提高了鈦合金TC4 電解加工的表面質(zhì)量；劉莫邪等[12]研究了振動電解加工脈沖參數(shù)對TC17 非加工面雜散腐蝕行為的影響，研究表明，隨著脈寬的減小，非加工面的雜散腐蝕明顯減弱。

鈦合金葉片和葉盤在長時間高溫高壓下工作，易產(chǎn)生疲勞裂紋，而零件表面缺陷如點蝕、微觀裂紋等是加速疲勞裂紋產(chǎn)生和擴展的主要原因。 目前針對鈦合金電解加工技術(shù)的研究主要以降低表面粗糙度、減少點蝕和雜散腐蝕為主，對鈦合金電解加工后表面完整性和零件疲勞壽命的研究較少。 本文針對鈦合金TC17 進行了疲勞試件電解加工模型的設(shè)計及流場的仿真與優(yōu)化，開展了不同電壓下的疲勞試件電解加工試驗，分析了電壓對電解加工試件的點蝕、表面粗糙度及晶間腐蝕的影響，并對具有不同表面質(zhì)量的試件進行了振動疲勞壽命試驗，分析了表面質(zhì)量對疲勞壽命的影響關(guān)系。

1 流場仿真模型建立與結(jié)果分析

1.1 加工方式選擇

為了研究表面質(zhì)量對疲勞壽命的影響，采用電解加工的方式制作疲勞試件，振動疲勞試件為TC17板狀試件，試件長110 mm、寬20 mm、厚2 mm，兩側(cè)長邊中心圓弧R20 mm。為了加工疲勞試件，設(shè)計電解液沿試件寬度方向流動的側(cè)流式方案（圖1），試件兩側(cè)與陰極留有一定間隙，電解液自試件上方流入，通過環(huán)氧樹脂所形成的導(dǎo)流段，經(jīng)試件的分流作用流經(jīng)加工區(qū)域。

圖1 疲勞試件電解加工流動方式

在上述流動方式中，由于試件較長，若采用單路進液，加工區(qū)域沿長度方向會存在流場分布不均的情況；此外，電解液在試件上端的被動分流，會造成試件進液口附近流場紊亂，影響試件表面質(zhì)量的均一性。 為此，提出了雙路進液并在出口施加背壓的方式，改善加工區(qū)域的流場分布，同時開展不同進出液條件下的流場仿真。

1.2 流場仿真和結(jié)果分析

1.2.1 流場模型與邊界條件

根據(jù)上文流動方式的分析，設(shè)計了圖2 所示的電解加工裝置模型，該裝置主要由夾具體、電源系統(tǒng)、工具陰極、工件和過濾裝置系統(tǒng)組成。

圖2 電解加工裝置模型

為驗證雙路進液同時在出液口施加背壓的加工方式的優(yōu)越性，對單路進液、雙路進液、雙路進液帶背壓3 種方式開展流場仿真，根據(jù)電解加工裝置模型分別提取單進液口和雙進液口流道模型見圖3。 采用ANSYS 仿真軟件的fluent 模塊進行流場仿真， 選擇RNG k-ε 湍流模型并用壓力基求解器，邊界條件設(shè)置3 種加工方式的入口壓力為1 MPa，單路進液、雙路進液、雙路進液帶背壓的出口壓力分別為0、0、0.3 MPa。

圖3 流道模型對比圖

1.2.2 仿真結(jié)果分析

基于以上流體模型和邊界條件，開展了加工區(qū)域內(nèi)電解液流場仿真，獲得加工間隙內(nèi)流速和壓力分布云圖分別見圖4～圖6。

圖4 單路進液加工區(qū)流速、壓力分布

圖6 雙路進液帶背壓加工區(qū)速度、壓力分布

圖5 雙路進液加工區(qū)流速、壓力分布

由圖4～圖6 可看出，采用單路進液時，沿試件長度方向流速分布不均；采用雙路進液后，沿工件長度方向流速分布更加均勻，但沿流程方向流速變化較大，推測這是由入口處試件對電解液的分流作用和進出口壓差過大所導(dǎo)致；采用雙進液口并施加0.3 MPa 背壓后，在加工區(qū)域內(nèi)，電解液流速和壓力分布都較為均勻。

表1 是在加工區(qū)域內(nèi)均勻選取5000 個點計算所得的平均流速和流速方差。 可看出，雙路進液時加工區(qū)平均流速為43.7 m/s， 較單路進液時有較大提升，但此時流速方差187.6 m2/s2明顯高于單路進液的流速方差，說明流速波動較大，流場不穩(wěn)定；采用雙路進液并施加0.3 MPa 背壓后， 加工區(qū)平均流速為40.5 m/s，流速方差為43.2 m2/s2，與未施加背壓時相比流速方差顯著減小，說明加工區(qū)流速較高且分布均勻，則接下來采用雙路進液并施加背壓的方式開展電解加工試驗。

表1 三種模型的平均流速和流速方差

2 疲勞試件電解加工試驗與結(jié)果分析

2.1 試驗裝置與加工參數(shù)

開展疲勞試件電解加工試驗的裝置主要由夾具體、進出液口、工具陰極和引電銅塊組成，工件置于夾具體內(nèi)，通過導(dǎo)電銅塊與電源正極相連，兩陰極固定在機床主軸上并與電源負(fù)極連接。 加工時，兩側(cè)陰極以相同速度勻速進給，電解液自工件與陰極之間的間隙流出。 為了獲得具有不同表面質(zhì)量的疲勞試件，分別在不同的加工電壓下開展電解加工試驗，具體加工參數(shù)見表2。

表2 電解加工試驗參數(shù)

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 表面粗糙度

為了對流場仿真結(jié)果加以驗證， 首先取25 V電壓下加工的試件，對圖7 所示各線條沿線方向進行表面粗糙度的檢測，得到結(jié)果見表3。 可看出，加工面各區(qū)域的表面粗糙度值差距在Ra0.1 μm 左右，說明采用雙路進液并施背壓后各位置表面質(zhì)量均一性較好，與流場仿真結(jié)果吻合。

表3 不同位置表面粗糙度測量值

圖7 表面粗糙度測量位置

然后對不同參數(shù)下加工的試件進行表面粗糙度檢測，每件試樣在加工面上隨機選取3 個點進行測量，測量結(jié)果見表4。 可看出，加工電壓的變化主要影響平衡電流密度， 進而導(dǎo)致表面粗糙度的變化，在20～30 V 范圍內(nèi)表面粗糙度值隨加工電壓的增大而減小。

表4 不同參數(shù)下試件表面粗糙度

2.2.2 微觀形貌

圖8 是采用掃描電鏡對不同電壓下加工試件得到的表面形貌（放大100 倍），可見在掃描電鏡下表面主要有亮色和暗色兩種色澤。 當(dāng)電壓為20 V時，表面主要以暗色為主，表面存在的點蝕凹坑和片狀的腐蝕殘留物，隨著反應(yīng)的繼續(xù)進行，此類片狀腐蝕物將整體從基體表面脫離下來，這是由于此時電流密度較低，選擇性腐蝕較嚴(yán)重；隨著電壓升高至25 V，材料表面亮色與暗色交錯分布，此時表面的點蝕凹坑和腐蝕殘留物變少；當(dāng)電壓增至30 V時，表面主要以亮色為主，平整且無點蝕和腐蝕殘留物的存在， 這是由于該電壓下電流密度較高，材料表面溶解更加均勻。

圖8 不同電壓的電解試件表面形貌

圖9 是對上述打框的亮色區(qū)域和暗色區(qū)域放大10 倍的表面形貌對比。 可看出，亮色區(qū)域晶粒分布規(guī)律且緊密，此區(qū)域表面質(zhì)量較好；暗色區(qū)域晶粒分布雜亂且分散，高低起伏大，表面質(zhì)量差。

圖9 暗色區(qū)域與亮色區(qū)域形貌對比

2.2.3 晶間腐蝕觀察

晶間腐蝕是電解加工中易產(chǎn)生的一類表面缺陷，它與點蝕形成機理類似，都是材料選擇性溶解的結(jié)果， 晶間腐蝕的存在會破壞晶粒間的結(jié)合，降低材料的機械強度與抗疲勞性能。 為了觀察試件的晶間腐蝕情況，采用線切割將電解加工試件垂直于表面割開后得到試件剖面，經(jīng)砂紙打磨后除去表面的線切割影響層，經(jīng)腐蝕處理后采用掃描電鏡放大500 倍觀察斷面金相組織， 得到不同電壓下電解加工工件的斷面金相組織見圖10。

圖10 不同電壓下的電解加工工件剖面金相組織

由圖10 可見，電壓為20 V 時，試件出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象，深度約為15 μm；當(dāng)電壓≥25 V 時，不產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象。 這是由于晶間腐蝕本質(zhì)上是由材料的選擇性溶解導(dǎo)致的，晶粒內(nèi)部與晶粒間連接處的化學(xué)成分和原子排列方式存在差異，導(dǎo)致了二者電極電位不同， 晶粒間組織往往具有更高的位能，反應(yīng)時優(yōu)先被溶解，由此產(chǎn)生了晶間腐蝕現(xiàn)象。 當(dāng)電壓不高即電流密度較低時， 選擇性溶解現(xiàn)象嚴(yán)重，工件表面產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象；當(dāng)電流密度較高時，選擇性溶解現(xiàn)象減弱，工件表面無晶間腐蝕現(xiàn)象產(chǎn)生。 在本試驗中， 當(dāng)電流密度高于48.4 A/cm2時，不會產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象。

3 疲勞壽命檢測與分析

為了進一步分析表面質(zhì)量對試件疲勞壽命的影響， 對不同電壓下加工的試樣進行振動疲勞試驗，每組參數(shù)加工5 個試件。 在圖11 所示的電動振動試驗系統(tǒng)中開展疲勞試驗，設(shè)定應(yīng)力400 MPa、振動頻率100 Hz、環(huán)境溫度20～25 ℃。 試驗前先對不同試件進行應(yīng)力應(yīng)變對應(yīng)關(guān)系標(biāo)定，然后試件固定端通過螺栓固定在試驗平臺上，試件自由端安裝加速度傳感器采集試驗過程中加速度和位移變化，待產(chǎn)生疲勞裂紋即終止試驗。

圖11 電動振動試驗系統(tǒng)

表5 是通過試驗得到的不同試件的疲勞壽命，其通過應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越高則試件越抗疲勞。 采用20 V 電壓加工時，加工的試件表面粗糙度約為Ra1.8 μm，試件平均應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為1.62×105；當(dāng)電壓提升至25 V 時，試件表面粗糙度約Ra1.2 μm， 試件平均應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為1.24×106；當(dāng)電壓提升至30 V 時， 試件表面粗糙度穩(wěn)定在Ra0.7 μm 左右，試件平均應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為1×107?？煽闯?，隨著加工電壓的升高，表面粗糙度值逐漸降低，且材料的振動疲勞壽命得到顯著提高。

表5 加工試件疲勞壽命

綜合以上試驗結(jié)果，分析可知試件疲勞壽命主要受到表面粗糙度的影響，這是由于表面粗糙度值越大，表面凹凸起伏越大，表面細(xì)小溝槽、缺口的數(shù)量和尺寸越大，當(dāng)施加外部載荷時，這些位置極易產(chǎn)生應(yīng)力集中而引發(fā)疲勞裂紋，從而造成了零件的疲勞壽命降低。 此外，在20 V 和25 V 的低電壓下加工所產(chǎn)生的點蝕和晶間腐蝕現(xiàn)象也會降低材料的疲勞壽命。

4 結(jié)論

本文針對TC17 疲勞試件電解加工開展不同進出液方式的流場仿真與不同電壓下的電解加工試驗，并進行表面質(zhì)量檢測與振動疲勞試驗，得到以下結(jié)論：

（1）采用雙路進液并在出液口施加背壓的加工方式可得到均勻的流場分布，所加工試件表面質(zhì)量均一性好。

（2）在20～30 V 的電壓范圍內(nèi)，表面粗糙度隨加工電壓的升高而降低，點蝕和晶間腐蝕也會逐漸減弱甚至消失；在電壓為30 V 時，表面粗糙度最小僅為Ra0.7 μm 左右，無點蝕和晶間腐蝕現(xiàn)象產(chǎn)生。

（3）通過電解加工分析發(fā)現(xiàn)，試件的表面粗糙度對疲勞壽命影響較大， 表面粗糙度由Ra1.8 μm降低至Ra0.7 μm，對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由1.62×105升高至1×107。