電解加工-振動光飾對TC17鈦合金表面完整性 及力學性能的影響

詹中偉 ，劉嘉，李海揚，孫志華

（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）

電解加工(ECM)技術(shù)作為國內(nèi)外航空航天制造業(yè)的一項關(guān)鍵技術(shù)，被廣發(fā)應(yīng)用于各種復(fù)雜零部件的加工[1-2]。然而整體構(gòu)件的電解加工一般都是分步進行的，前后道加工的表面品質(zhì)不可避免地存在一些差異，因此電解加工后的零件往往還需要進行振動光飾(VF)等處理，以保證零件表面品質(zhì)的統(tǒng)一。振動光飾是一種成熟的表面處理技術(shù)，主要用于對金屬零件去毛刺、棱邊倒圓、表面拋光等處理[3]。振動光飾常用于航空發(fā)動機葉片的加工，主要作為最后一道加工工序，以獲得所需的表面粗糙度，提高葉片近表面的氣流效率[4]。王欣等人[5]研究了TC17鈦合金葉片在制造過程中的表面完整性，發(fā)現(xiàn)振動光飾處理能夠消除葉片噴丸處理產(chǎn)生的彈坑，將鈦合金的表面粗糙度降到0.2 μm以下。楊嵩等人[6]研究了振動光飾設(shè)備、磨劑和磨料類型對鋁硅涂層葉片表面完整性的影響，在較佳工藝條件下振動光飾后鋁硅涂層葉片表面粗糙度降至0.5 μm。Zhang等人[7]研究了Ti-6Al-4V葉片在加工過程中殘余應(yīng)力的三維模型和重構(gòu)規(guī)律，分析了振動光飾在葉片加工中的作用和影響。 Wong等人[8]研究了振動頻率對Ti-6Al-4V鈦合金振動光飾加工效率和加工效果的影響，發(fā)現(xiàn)振動頻率為75 Hz時，振動光飾的加工周期約縮短80%。

本文在前期研究[9]的基礎(chǔ)上，對預(yù)先進行電解加工的某型號發(fā)動機鈦合金整體葉盤用TC17鈦合金進一步施加振動光飾處理，研究了振動光飾對TC17鈦合金表面完整性和力學性能的影響，為電解加工技術(shù)的深入應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實驗

1. 1 材料

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

表1 TC17鈦合金的化學成分 Table 1 Composition of TC17 titanium alloy

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，電源占空比30%，頻率0.6 kHz。

1. 2. 2 振動光飾

振動光飾采用直徑2 ～ 4 mm的球形剛玉磨料，振動頻率50 Hz，電機功率1.5 kW，時間約30 min。

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 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，負值代表殘余壓應(yīng)力)。

1. 3. 2 拉伸試驗

采用圖1所示的板狀試樣，先分別進行電解加工和電解加工+振動光飾處理，接著按照HB 5143-1996《金屬室溫拉伸試驗方法》進行室溫拉伸試驗，以抗拉強度(σb)和屈服強度(σ0.2)為指標來評價不同加工工藝對TC17鈦合金室溫拉伸性能的影響。

圖1 室溫拉伸試樣示意圖 Figure 1 Schematic diagram of room-temperature tensile testing specimen

1. 3. 3 振動疲勞試驗

采用圖2所示的板狀試樣，先分別進行電解加工和電解加工+振動光飾處理，接著按照HB 5277-1984 《發(fā)動機葉片及材料振動疲勞試驗方法》進行室溫振動疲勞試驗，以試樣的疲勞壽命(N)為指標來評價不同加工工藝對TC17鈦合金室溫疲勞性能的影響。

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

2 結(jié)果與討論

2. 1 表面完整性

2. 1. 1 表面形貌

從圖3可知，電解加工試樣表面密布大量針狀組織。進一步振動光飾后針狀組織消失，僅剩下輕微的劃痕和局部凹陷，整個表面較為平坦。

圖3 TC17鈦合金分別經(jīng)過電解加工(a)和電解加工+振動光飾(b)后的形貌 Figure 3 Surface morphologies of TC17 titanium alloy after ECM (a) and ECM+VF (b), respectively

2. 1. 2 表面粗糙度

從圖4可知，TC17鈦合金經(jīng)電解加工后，表面有大量凸起和凹陷，并且凸起區(qū)域呈現(xiàn)連線狀，Ra約為1.187 μm。進一步振動光飾后，表面非常平坦，僅有少量點狀凸起，Ra降低到0.346 μm。這表明振動光飾能夠有效去除電解加工后試樣表面的不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)，顯著提升了TC17鈦合金的表面品質(zhì)。

圖4 TC17鈦合金分別經(jīng)過電解加工(a)和電解加工+振動光飾(b)后的三維輪廓 Figure 4 Three-dimensional profiles of TC17 titanium alloy after ECM (a) and ECM+VF (b), respectively

2. 1. 3 表面殘余應(yīng)力

如圖5所示，電解加工后TC17鈦合金表面基本處于殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，僅在10 ～ 20 μm深度區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)拉應(yīng)力，整體應(yīng)力水平較低，縱向的變化也不大，說明電解加工試樣表面殘余應(yīng)力較平穩(wěn)。進一步振動光飾后，TC17鈦合金表面從外向內(nèi)深度約30 μm的區(qū)域內(nèi)都呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，并且相同位置的殘余壓應(yīng)力遠大于電解加工試樣，最表層的殘余壓應(yīng)力高達540 MPa。這主要是因為振動光飾過程中，磨料持續(xù)對鈦合金表面施加作用，產(chǎn)生擠壓的塑性變形。在深度為40 ～ 60 μm的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，可能是因為振動光飾的磨料作用較弱，難以深入到基體材料內(nèi)部。更深的區(qū)域內(nèi)殘余應(yīng)力逐漸回落至壓應(yīng)力狀態(tài)，最終與單純電解加工的狀態(tài)趨于一致?？傮w而言，振動光飾能夠明顯提高電解加工表面的殘余壓應(yīng)力，這將給零件的抗疲勞性能帶來有利影響。

圖5 TC17鈦合金分別經(jīng)過電解加工和電解加工+振動光飾后表面不同深度的殘余應(yīng)力 Figure 5 Residual stresses of TC17 titanium alloy at different depths after ECM and ECM+VF, respectively

2. 1. 4 晶粒取向

從圖6可知，電解加工試樣表面無明顯的細碎晶粒。進一步振動光飾后大部分區(qū)域的晶粒都維持了原有的尺寸，局部出現(xiàn)細碎晶粒，表明TC17鈦合金經(jīng)電解加工再振動光飾后只有略微的塑性變形，對晶粒取向的影響不大。

圖6 TC17鈦合金分別經(jīng)過電解加工(a)和電解加工+振動光飾(b)后的晶粒取向 Figure 6 Grain orientations of TC17 titanium alloy after ECM (a) and ECM+VF (b), respectively

2. 2 室溫拉伸性能

從表1可知，電解加工試樣和電解加工+振動光飾試樣的抗拉強度和屈服強度都非常接近，說明振動光飾對TC17鈦合金的室溫拉伸性能影響不大。

表2 TC17鈦合金分別經(jīng)過電解加工和電解加工+振動光飾后的抗拉強度和屈服強度 Table 2 Tensile strength and yield strength of TC17 titanium alloy after ECM and ECM+VF, respectively

2. 3 室溫振動疲勞性能

從表3可知，電解加工試樣在380 MPa應(yīng)力下的平均對數(shù)疲勞壽命約為6.18，電解加工+振動光飾試樣在500 MPa應(yīng)力下的平均對數(shù)疲勞壽命約為6.23，二者的相對誤差在5%以內(nèi)，可以認為它們的疲勞壽命相當。這表明在疲勞壽命相當?shù)那闆r下，電解加工+振動光飾試樣所需的應(yīng)力比單純電解加工試樣提高了約32%，也就是說前者的室溫振動疲勞性能更優(yōu)。

表3 TC17鈦合金分別經(jīng)過電解加工和電解加工+振動光飾后的室溫振動疲勞性能 Table 3 Room-temperature vibration fatigue testing results of TC17 titanium alloy after ECM and ECM+VF

通過分析振動疲勞試樣斷口形貌能夠進一步揭示振動光飾處理對電解加工試樣疲勞性能的提升效果。從圖7a和圖7b可知，電解加工試樣的疲勞斷口存在清晰的單一疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)3種典型區(qū)域。疲勞源位于邊角，如圖7a箭頭所示。將源區(qū)局部放大可見疲勞源位于試樣表面，如圖7b圓圈處所示。

進一步振動光飾后，電解加工疲勞試樣仍然為單一疲勞源區(qū)，但其位于試樣平面位置，而非邊角，如圖7c箭頭所示。將源區(qū)放大觀察可見疲勞源并非完全位于試樣表面，而是在表面以下10 ～ 20 μm處，如圖7d箭頭所示。

一般而言，板狀振動疲勞試樣的邊角區(qū)域應(yīng)力集中，往往成為疲勞裂紋萌生的位置。雖然電解加工對材料的溶解過程不會產(chǎn)生明顯的尖銳邊角，但邊緣處仍然比平坦表面更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這也是圖7a裂紋始于邊角的原因。經(jīng)過振動光飾后，良好的表面狀態(tài)顯著降低了邊角萌生裂紋的概率。另外，結(jié)合圖5可知振動光飾處理的表面具有較大的壓應(yīng)力，這也使得裂紋源發(fā)生在內(nèi)部，而非表面。

圖7 TC17鈦合金經(jīng)過電解加工(a、b)和電解加工+振動光飾(c、d)室溫振動疲勞試樣的斷口形貌 Figure 7 Fracture morphologies of TC17 vibration fatigue specimens after ECM (a, b) and ECM+VF (c, d), respectively

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)過振動光飾處理后，TC17鈦合金電解加工的表面微觀形貌更為平整，粗糙度大幅降低，表面呈現(xiàn)較大的殘余壓應(yīng)力狀態(tài)；表層塑性變形較小，對晶粒取向影響不大。

(2) 振動光飾處理對TC17鈦合金電解加工試樣的室溫拉伸性能影響不大，但電解加工+振動光飾試樣的室溫振動疲勞性能比電解加工試樣好。