TiAl 45XD電化學(xué)溶解特性分析及葉片加工試驗(yàn)*

劉 萌，張明岐，黃明濤，程小元

（中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)耐高溫力學(xué)性能和輕質(zhì)化的要求不斷增長(zhǎng)，必須采用具有優(yōu)異力學(xué)性能和輕質(zhì)特點(diǎn)的材料和結(jié)構(gòu)，并不斷發(fā)展先進(jìn)的高效、精密制造技術(shù)來(lái)保證設(shè)計(jì)，通過(guò)改進(jìn)工藝過(guò)程來(lái)提高可制造性以降低生產(chǎn)成本，而現(xiàn)有的材料和傳統(tǒng)加工技術(shù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。TiAl合金材料具有優(yōu)異的抗高溫力學(xué)性能、高比強(qiáng)度和抗蠕變性，阻燃性能幾乎與鎳基高溫合金相當(dāng)，且密度僅為后者的一半，是一種極具潛力的輕型高溫結(jié)構(gòu)材料，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)GE公司與英國(guó)羅·羅公司成功地將TiAl系金屬間化合物 （TiAl 4822）應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片來(lái)替代鎳基高溫合金，已進(jìn)行了超過(guò)數(shù)萬(wàn)小時(shí)的安全飛行工作[1–2]。GE和普惠分別采用鑄造和鍛造得到具有一定余量的TiAl毛坯，再通過(guò)機(jī)加工實(shí)現(xiàn)葉片成形。但是由于TiAl合金材料作為金屬間化合物，室溫塑性、韌性及導(dǎo)熱性差，帶來(lái)了材料切削加工性能差、刀具壽命短、成本高的難題，大大限制了TiAl合金材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用。

電解加工是一種非接觸式的冷加工工藝，利用電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理將工件按工具陰極的形狀和尺寸進(jìn)行加工成形，具有工具陰極無(wú)消耗、加工無(wú)應(yīng)力、加工效率高等特點(diǎn)，不受材料機(jī)械性能影響，適用于高溫合金、鈦合金、TiAl金屬間化合物等難加工材料的高效、精密加工[3]。Klocke等[4]對(duì)比了電子束選區(qū)熔化和精密澆鑄等不同工藝下制備的TiAl金屬間化合物與鈦合金的電化學(xué)加工特性，研究表明，TiAl的溶解速度高于普通的鈦合金材料，證明了采用電化學(xué)方法加工TiAl材料的經(jīng)濟(jì)性。張安等[5]開(kāi)展了TiAl 4822金屬間化合物和SS304不銹鋼材料在NaNO3溶液中的電化學(xué)溶解特性研究和兩種材料的葉片電解加工試驗(yàn)，對(duì)比分析了材料溶解特性差異對(duì)加工表面質(zhì)量和加工精度的影響。顧大維等[6]針對(duì)TiAl 4822金屬間化合物采用脈沖電解加工方法進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化研究，利用層次分析法優(yōu)選了多項(xiàng)工藝指標(biāo)參數(shù)組并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。Clifton等[7]對(duì)比了TiAl材料在不同電解液中的加工特性，并對(duì)同種材料電解加工和車削加工的表面物理性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。

金屬材料的電化學(xué)溶解特性主要由組成材料的各元素電極電位反應(yīng)特性決定，同時(shí)受原材料坯件的成形方式和熱處理影響。本文針對(duì)鑄態(tài)TiAl 45XD材料開(kāi)展了電化學(xué)溶解特性分析，通過(guò)改變電解加工工藝參數(shù)，研究了脈沖寬度、進(jìn)給速度和脈沖個(gè)數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響，優(yōu)化制得致密連續(xù)的電解加工表面，并在葉片上進(jìn)行了型面電解加工工藝驗(yàn)證，為TiAl 45XD材料的航空用零部件的制造提供了技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試驗(yàn)原料

TiAl 45XD材料坯件在制備小尺寸的棒材時(shí)可獲得組織較均勻，無(wú)明顯缺陷且材料性能能達(dá)到指標(biāo)的原材料坯件。試驗(yàn)采用TiAl 45XD合金的精密澆鑄圓棒，材料通過(guò)二次真空自耗熔煉和一次真空感應(yīng)熔煉澆鑄再經(jīng)熱等靜壓處理而成。材料的化學(xué)元素組成等數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。電化學(xué)溶解特性試驗(yàn)在尺寸為Φ30 mm×60 mm的毛坯試件上進(jìn)行，葉片葉身型面電解加工工藝驗(yàn)證試驗(yàn)在毛坯尺寸為65 mm×38 mm×10 mm的毛坯試件上進(jìn)行。

表1 TiAl 45XD合金材料化學(xué)元素組成、化合價(jià)、摩爾質(zhì)量和材料密度數(shù)據(jù)Table 1 Element composition, valence, molar mass and density of TiAl 45XD alloy materials

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用脈沖振動(dòng)電解的方式進(jìn)行加工，在PO250BF型多軸精密振動(dòng)電解設(shè)備上進(jìn)行，設(shè)備具有基于加工電壓和電流檢測(cè)的短路切斷系統(tǒng)，在加工過(guò)程中陰極可以振動(dòng)進(jìn)給，振動(dòng)頻率為0~50 Hz，振幅為0~0.1 mm。溶解特性試驗(yàn)中，陽(yáng)極采用圓形平面試件，陰極采用與待加工平面等間隙分布的平面電極，通過(guò)水套和工裝保證電解液采用側(cè)流方式，陰極與陽(yáng)極試件側(cè)面采取密封措施減小側(cè)向腐蝕影響，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。在其他加工參數(shù)不變的情況下，設(shè)置不同的初始加工間隙，相應(yīng)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度獲得大小不同的恒定電流密度。陽(yáng)極試件加工前后分別進(jìn)行清洗、烘干和稱重。

圖1 溶解特性試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Device sketch of dissolution behavior testing

葉片葉身型面電解加工工藝驗(yàn)證試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。采用片狀陰極對(duì)葉片的葉盆、葉背型面進(jìn)行雙面同步脈沖振動(dòng)電解加工，能夠避免已加工出表面發(fā)生雜散腐蝕，實(shí)現(xiàn)葉型和轉(zhuǎn)接R同時(shí)一次加工到位。利用電極與工件型面之間的間隙測(cè)算和擬合優(yōu)化得到電極型面，電解液同樣采用側(cè)流方式進(jìn)行加工，通過(guò)工裝夾具保證電解液從葉尖向葉根流動(dòng)，能夠避免沿流動(dòng)方向葉型型面變化較大帶來(lái)的電解液流動(dòng)不順暢的問(wèn)題。試驗(yàn)中陽(yáng)極采用葉片毛坯塊料，經(jīng)過(guò)數(shù)控預(yù)加工保留均勻的余量（單邊3 mm），加工時(shí)采用多工步連續(xù)加工的方法，設(shè)置不同的加工速度和行程，經(jīng)過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)和陰極振動(dòng)進(jìn)給，葉片型面輪廓逐漸成形。

圖2 葉片型面電解加工裝置示意圖Fig.2 Device sketch of ECM blades profiles

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)溶解當(dāng)量分析

依據(jù)法拉第第一定律，陽(yáng)極金屬溶解的克數(shù)與通過(guò)的電量成正比，即

式中，k為質(zhì)量電化當(dāng)量；M為摩爾質(zhì)量；n為電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)；I為加工電流；t為加工時(shí)間。對(duì)于合金材料來(lái)說(shuō)，元素電化學(xué)溶解時(shí)存在多種化合價(jià)，溶解過(guò)程涉及合金中各種元素原子溶解的組合，每種元素原子將按各自在合金中所占的比例和需要交換的電子數(shù)進(jìn)行溶解。

合金材料溶解的質(zhì)量電化學(xué)當(dāng)量為

體積電化當(dāng)量為

實(shí)際體積電化當(dāng)量為ηValloy，其中，η為材料的電流效率。材料的溶解速度為

式中，S為加工面積；J=I/S，為電流密度。

根據(jù)表1中TiAl 45XD的組分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算得到材料的最大和最小體積電化當(dāng)量分別為Valloy，max= 3.0572 mm3/（A·min）和Valloy，min=1.7264 mm3/（A·min），得出材料溶解速度與電流密度關(guān)系曲線的理論邊界范圍。固定加工行程1 mm，加工電壓24 V，電極振幅0.3 mm，振動(dòng)頻率30 Hz，振動(dòng)周期3 ms，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%的NaNO3溶液，電解液壓力1.0 MPa，在不同進(jìn)給速度下得到材料加工前后的質(zhì)量差與加工電流結(jié)果如表2所示。計(jì)算得到TiAl 45XD材料的實(shí)際體積電化當(dāng)量如圖3所示。

圖3 實(shí)際、理論電化學(xué)溶解速度與電流密度關(guān)系曲線圖Fig.3 Actual and theoretical curves of electrochemistry dissolution velocity and current density

可以看出，在一定的范圍內(nèi)材料溶解速度與電流密度線性相關(guān)，直線斜率代表材料的實(shí)際體積電化當(dāng)量，為2.546 mm3/（A·min），證明了材料在NaNO3溶液中進(jìn)行電解時(shí)的電流效率不隨電流密度的改變而發(fā)生明顯變化。張安等[5]指出，材料的這種溶解特性有利于減少電解過(guò)程中的雜散腐蝕作用，從而提高加工定域性。實(shí)際溶解速度與電流密度關(guān)系曲線位于理論邊界范圍內(nèi)，表明TiAl 45XD合金材料的電化學(xué)溶解過(guò)程正常，不會(huì)出現(xiàn)金屬微粒、塊狀剝落和其他明顯的副反應(yīng)影響材料的電化學(xué)溶解。

2.2 加工參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響

2.2.1 終止間隙

電解加工是有間隙加工，零件的成形精度很大程度上取決于小加工間隙的穩(wěn)定性，而陰極進(jìn)給速度和陽(yáng)極溶解速度能否較好地匹配是影響加工間隙的關(guān)鍵。固定加工電壓24 V、脈沖寬度0.36 ms、加工行程1 mm、初始加工間隙0.2 mm，不同進(jìn)給速度下所得的試件表面如圖4所示。隨著進(jìn)給速度提高試件表面附著的黑色產(chǎn)物變少，從微觀形貌結(jié)果可以看出，試件表面片狀結(jié)構(gòu)變少。進(jìn)給速度從0.05 mm/min提高到0.08 mm/min時(shí)，電流密度從79.3 A/cm2提高至93.8 A/cm2，加工終止間隙從0.241 mm降到0.11 mm。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)進(jìn)給速度進(jìn)一步提高，會(huì)因?yàn)榧庸らg隙減小和流場(chǎng)變差導(dǎo)致電解加工產(chǎn)物未能及時(shí)被沖走而附著于加工表面，從而影響加工表面質(zhì)量，有可能導(dǎo)致短路而使加工中斷[8]。

圖4 不同進(jìn)給速度下試件表面及微觀形貌Fig.4 Surfaces and micromorphology of specimens at diあerent feeding rates

2.2.2 脈沖寬度

固定加工電壓24 V、進(jìn)給速度0.08 mm/min、加工行程1 mm、初始加工間隙0.2 mm，不同脈沖寬度ton下所得的試件表面如圖5所示。結(jié)果表明，隨著脈沖寬度增加，加工完表面黑色產(chǎn)物堆積，無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻去除，原因在于脈沖寬度增加會(huì)增加實(shí)際有效加工時(shí)間，總的加工時(shí)間和溶解金屬量增加，而且脈沖間隔縮短，使前一個(gè)脈沖的加工產(chǎn)物不能在加工間隙被電解液及時(shí)沖刷即開(kāi)始進(jìn)行下一個(gè)脈沖的加工，導(dǎo)致試件表面的電解液失效，加工效果變差。脈沖寬度從0.36 ms增加到0.9 ms時(shí)，電流密度從93.8 A/cm2降低至58.4 cm2，加工結(jié)束端面間隙由0.111 mm提高到0.687 mm，對(duì)加工精度和表面質(zhì)量不利。從微觀形貌圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖寬度增加，試件表面的片層狀微結(jié)構(gòu)暴露紋理加深，存在于試件表面的不溶性TiB2變多[9]。在確保脈沖間隔內(nèi)電解產(chǎn)物能及時(shí)充分排除的條件下，縮短電解加工脈沖時(shí)間可大幅提高電流密度，實(shí)現(xiàn)小間隙加工，從而提高加工成形精度和表面質(zhì)量。此外，在窄脈沖能場(chǎng)下雙電層的極化作用被限制在電極端部極窄的范圍內(nèi)，距離電極很近的加工區(qū)極化能力強(qiáng)，相應(yīng)的電流密度大，工件蝕除量也大；較遠(yuǎn)的區(qū)域極化弱，幾乎不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)[10]，顯著提高加工定域性和精度。

圖5 不同脈沖寬度下試件表面及微觀形貌Fig.5 Surfaces and micromorphology of specimens at diあerent pulse durations

2.2.3 振動(dòng)周期

固定加工電壓24 V、脈沖寬度0.36 ms、加工行程1 mm、初始加工間隙0.2 mm，采用體視鏡觀察不同振動(dòng)周期T下所得的試件表面，結(jié)果如圖6所示。加工表面的少量黑色產(chǎn)物經(jīng)沖洗后外觀無(wú)明顯區(qū)別。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)周期較短，為1.68 ms時(shí)，電流密度為136.3 A/cm2，結(jié)束加工后對(duì)刀即接觸，說(shuō)明端面間隙較小。振動(dòng)周期增加到3 ms時(shí)，電流密度下降為93.8 A/cm2，加工過(guò)程穩(wěn)定，端面間隙為0.11 mm。振動(dòng)周期增加意味著有效的脈沖加工時(shí)間變長(zhǎng)，脈沖導(dǎo)通角增大，電流密度變小，加工間隙擴(kuò)大，會(huì)犧牲一部分加工精度。但是每個(gè)振動(dòng)周期輸出相對(duì)少的脈沖數(shù)，雖能獲得平整的加工表面，但加工效率降低，出現(xiàn)短路風(fēng)險(xiǎn)提高，無(wú)法保證加工過(guò)程穩(wěn)定進(jìn)行，因此確定振動(dòng)周期為3 ms可以兼顧表面質(zhì)量和效率。

圖6 不同振動(dòng)周期下試件表面及微觀形貌Fig.6 Surfaces and microstructures of specimens at diあerent vibrating periods

2.3 表面完整性分析

由上文分析可知，當(dāng)加工電壓24 V、脈沖寬度0.36 ms、振動(dòng)周期為3 ms、加工行程1 mm、進(jìn)給速度0.08 mm/min、初始加工間隙0.2 mm時(shí)，可以得到致密連續(xù)的電解加工表面。觀察電解加工試樣表面，未見(jiàn)晶間腐蝕及點(diǎn)蝕，如圖7所示。原因在于試驗(yàn)中的電流密度較大，達(dá)到了90 A/cm2以上，各種金相組織的溶解速度差異會(huì)變小，從而減輕了選擇性溶解，加工表面質(zhì)量較好。采用X射線應(yīng)力測(cè)定法分析材料的機(jī)加磨削和電解加工表面的殘余應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表3。在載荷0.3作用下進(jìn)行了顯微硬度測(cè)試，在距表面0~0.5 mm的距離內(nèi)，電解加工表面硬度268HV相較于機(jī)加磨削表面硬度273HV有所降低。

圖7 機(jī)加磨削表面、電解加工表面及橫截面顯微組織Fig.7 Surface and cross-sectional microstructure of machining grinding and ECM samples

表3 機(jī)加磨削和電解加工試樣表面應(yīng)力Table 3 Stress of machining grinding and ECM surfaces

2.4 葉片葉身型面電解加工工藝驗(yàn)證

在TiAl 45XD材料溶解特性分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)展TiAl 45XD材料葉片樣件加工工藝驗(yàn)證。葉片型面尺寸約為28 mm×20 mm，葉根處厚度約為1.8 mm，葉尖處厚度約為0.8 mm，要求葉盆葉背型面的表面輪廓度偏差小于0.08 mm，位置度偏差±0.1 mm，扭轉(zhuǎn)角偏差±0.25°，葉身型面表面粗糙度優(yōu)于Ra0.8 μm。

根據(jù)上文的溶解特性分析結(jié)果，確定葉片的基礎(chǔ)工藝參數(shù)組為固定加工電壓24 V，脈沖寬度0.36 ms，振動(dòng)周期3 ms，電極振幅0.3 mm，振動(dòng)頻率30 Hz，電解液壓力1.0 MPa。通過(guò)連續(xù)加工的方式將加工行程3 mm分布到粗成形和終成形加工工步中：第1步行程1.5 mm，進(jìn)給速度0.12 mm/min；第2步行程1.0 mm，進(jìn)給速度0.10 mm/min；第3步行程0.5 mm，進(jìn)給速度0.08 mm/min。加工過(guò)程從余量較大的小間隙處開(kāi)始加工，余量小處的加工間隙大、溶解速度慢，整體的加工區(qū)域面積小，加工電流不高于400 A。隨著加工進(jìn)行，小間隙處和大間隙處蝕除速度差值變小，加工區(qū)域面積擴(kuò)大到整個(gè)葉身型面，逐漸整平成形，加工電流升高到800 A左右，單個(gè)葉片的電解加工用時(shí)約30 min。加工完成后通過(guò)對(duì)刀檢測(cè)得到葉盆型面和葉背型面與陰極之間的間隙分別為0.108 mm和0.071 mm，得到的葉片表面平整且葉型輪廓完好，如圖8所示。

圖8 葉片型面電解加工實(shí)物圖Fig.8 Device sketch of ECM profiles and obtained blades

使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通過(guò)檢測(cè)基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)孔構(gòu)建工件坐標(biāo)系，分別在3個(gè)截面處截取葉型線進(jìn)行掃描，利用檢測(cè)點(diǎn)將理論曲線與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行擬合，得出實(shí)測(cè)葉型與標(biāo)準(zhǔn)葉片同一位置處輪廓、葉型截面積疊點(diǎn)的位置以及葉型角向位置之間的偏差，從而得到葉盆葉背的型面檢測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示?？梢钥闯觯~片3個(gè)截面擬合后的葉盆葉背型面輪廓度偏差為– 0.015 mm ~ + 0.022 mm，位置度偏差– 0.017 mm ~ +0.010 mm，扭轉(zhuǎn)角偏差 – 0.149° ~ – 0.087°，滿足使用要求且加工間隙小，證明了電解加工較高的成形精度水平。采用表面粗糙度儀對(duì)葉片的葉盆與葉背型面進(jìn)行粗糙度檢測(cè)，結(jié)果為0.61 μm，證明了適合采用電解加工工藝進(jìn)行TiAl 45XD材料的葉片葉身型面加工。

表4 葉片、葉盆、葉背型面檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 4 Measurement data of ECM blade concave and convex

3 結(jié)論

（1）本文針對(duì)TiAl 45XD合金材料開(kāi)展了電化學(xué)溶解特性分析，對(duì)比了材料的溶解速度與電流密度關(guān)系理論和實(shí)際溶解特性曲線，結(jié)果表明，材料在NaNO3電解液中的電流效率不隨電流密度改變而明顯發(fā)生變化，溶解速度與電流密度關(guān)系曲線位于理論邊界范圍之內(nèi)，表明TiAl 45XD合金材料具有良好的電解加工可行性。

（2）通過(guò)對(duì)終止間隙、脈沖寬度和振動(dòng)周期等沉積條件的優(yōu)化，得出具有致密連續(xù)電解加工表面的條件為加工電壓24 V，脈沖寬度0.36 ms，振動(dòng)周期為3 ms，加工行程1 mm，進(jìn)給速度0.08 mm/min，初始加工間隙0.2 mm。該條件下得到的材料加工表面無(wú)晶間腐蝕和點(diǎn)蝕。

（3）在葉片樣件上進(jìn)行了電解加工工藝驗(yàn)證，得到了葉身型面表面粗糙度為0.61 μm、葉盆葉背輪廓度偏差為– 0.015 mm ~ + 0.022 mm的葉片，為TiAl 45XD合金材料復(fù)雜型面典型構(gòu)件的電解加工奠定了基礎(chǔ)。