TiAl合金精密振動電解加工表面質(zhì)量的研究

北京航空制造工程研究所 周玉鳳 程小元 張志金 王洪國

TiAl合金具有低密度、高比彈性模量以及良好的高溫強度、蠕變抗力和抗氧化能力等優(yōu)點[1]，已成為新一代航空發(fā)動機材料，可用于制造壓氣機高壓葉片，燃氣渦輪機的中、低壓葉片，壓氣機定子擋風(fēng)板，定子機座以及其他形狀復(fù)雜的大尺寸整體結(jié)構(gòu)，已部分替代鎳基高溫合金[2]。

特種加工技術(shù)在難切削材料加工中發(fā)揮了重要作用，解決了許多常規(guī)加工過程中出現(xiàn)的困難。電解加工技術(shù)是特種加工技術(shù)中的一種重要方法，已成功應(yīng)用于航空發(fā)動機難切削材料整體葉盤、葉片和機匣等整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工，在批量生產(chǎn)中具有高品質(zhì)、低成本的優(yōu)勢。TiAl合金在機械加工中屬難切削材料，開展電解相關(guān)試驗具有較大的實用意義。

本文針對TiAl合金開展了精密振動電解加工的試驗研究。通過對不同加工工藝參數(shù)下試件表面質(zhì)量的觀測和分析，掌握其基本電解加工特性和工藝參數(shù)，為精密振動電解加工工藝應(yīng)用于TiAl合金結(jié)構(gòu)件的加工奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗方法及材料

1.1 試驗材料

本試驗中使用的TiAl合金材料由北京鋼鐵研究總院提供，試驗材料尺寸為φ30mm的圓形試塊。

1.2 試驗方法

試驗在精密振動電解加工機床上進行，該機床配置了高頻窄脈沖電源。加工電極的進給運動采用了振動進給，即加工電極進給加工時，附加了一個機械振動。當(dāng)陰極振動到最低點時，加工脈沖開啟，進行加工；當(dāng)陰極振動離開最低點后，加工脈沖關(guān)閉停止加工，如此循環(huán)往復(fù)完成最終加工。試驗中的電解液為15%NaNO3溶液，振動頻率為 20～100Hz，加工電壓為 15～35V，脈沖頻率為25～6000Hz，陰極進給速度為 0.05～0.35 mm/min。

本試驗中，試件表面粗糙度用PGI 1240粗糙儀測定，按照國標(biāo)GB/T 7998-2005在光學(xué)顯微鏡下觀察不同參數(shù)下的試件表面的晶間腐蝕狀況。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 表面粗糙度

表面粗糙度是衡量電解加工表面質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。電解加工表面粗糙度的形成可以從2個方面說明：一方面，在電解加工過程中，由于工件陽極的電化學(xué)溶解使工件原有不平整表面得到整平；另一方面，在陽極金屬的電化學(xué)溶解過程中，由于工件金相組織含有不同金屬元素晶粒，而且不同金屬元素晶粒的電化學(xué)當(dāng)量不同，又加上間隙通道內(nèi)流場的非均勻變化，使陽極工件表面各處的溶解速度不一致，導(dǎo)致加工表面上出現(xiàn)微觀上的凹凸不平現(xiàn)象[3]。

2.1.1 電流密度對表面粗糙度的影響

圖1是TiAl合金電解加工時表面粗糙度與電流密度的關(guān)系曲線?？梢钥闯鲭娏髅芏葘iAl合金電解加工表面粗糙度的影響非常大，隨著加工電流密度的提高，表面粗糙度Ra迅速降低。當(dāng)電流密度從30A/cm2增大到110A/cm2時，表面粗糙度從1.1μm一直減小到0.47μm。這是因為TiAl合金內(nèi)部金相組織眾多，常見的金相組織主要有γ相、α2相[4]等，這些金相組織的溶解速度在不同電流密度下有著較大的差異。電流密度低時，組織之間的溶解速度差異較大，造成了多相組織的不均勻溶解，工件表面粗糙度Ra較大；電流密度高時，組織的溶解速度差異變小，且保持相對的穩(wěn)定，因此表面粗糙度Ra會相應(yīng)地減小。

圖1 電解加工表面粗糙度與電流密度的關(guān)系曲線Fig.1 Current density-surface roughness curve for electrochemical machining

2.1.2 脈沖頻率對表面粗糙度的影響

圖2是TiAl合金電解加工時表面粗糙度與脈沖頻率的關(guān)系曲線?？梢钥闯鲈谄渌に噮?shù)相同的情況下，隨著脈沖頻率的提高，表面粗糙度呈迅速下降的趨勢；而隨著脈沖頻率的繼續(xù)提高，表面粗糙度基本保持不變。當(dāng)脈沖頻率從20Hz增大到3000Hz時，表面粗糙度從0.98μm減小到0.47μm；隨著脈沖頻率從3000Hz增大到6000Hz時，表面粗糙度從0.47μm緩慢變化到0.49μm。在相同時間內(nèi)，脈沖頻率不斷提高，則加工過程中間歇沖刷作用得到增強，可及時清除電解產(chǎn)物，改善了流場，脈沖加工中產(chǎn)生的熱量會在脈間時散出，這樣間隙熱交換條件也得到了改善[5]。這使得加工過程中的流場分布更加均勻，表面粗糙度會隨之下降。而隨著脈沖頻率的繼續(xù)增加、間隙沖刷作用和間隙熱交換有所增強，但是在相同的加工時間內(nèi)脈沖數(shù)增加，脈寬變窄，而脈沖電源的特性決定了脈沖電流的上升沿和下降沿是傾斜的，峰值電流越大，傾斜角越大，如圖3所示。因此脈沖數(shù)的增加意味著相同的加工時間內(nèi)低電流密度的脈沖上升沿和下降沿所占的時間增加，加工表面處于高電流密度的時間減少，使得表面粗糙度不再降低，反而會有升高的趨勢。此外，在相同的工藝參數(shù)條件下，高頻脈沖加工時加工間隙更小，對加工流場的要求更高，由于電解液流速不夠大，電解液分布不均勻，將使加工后的表面粗糙度有升高趨勢。

圖2 電解加工表面粗糙度與脈沖頻率的關(guān)系曲線Fig.2 Pulse frequency-surface roughness curve for electrochemical machining

圖3 電解加工時一個脈沖電流示意圖Fig.3 Machining current in one pulse during electrochemical machining

資料表明：TiAl合金經(jīng)車削加工后,表面粗糙度可達到Ra=1.6μm,粗磨試樣表面粗糙度可達到Ra=0.8μm,精磨試樣表面粗糙度可達到Ra=0.4μm[6]。本文試驗中的TiAl合金試樣經(jīng)精密振動電解加工后表面粗糙度最小可達Ra=0.47μm，達到了精磨的水平。

精密振動電解加工中，陰極的往復(fù)振動和脈沖電流的間歇作用強化、均勻了間隙流場。由于間隙流場的均勻化，在很小的加工間隙下，加工表面各處的陽極溶解速度仍能趨于一致，從而消除了各種選擇性腐蝕并降低了各處微觀腐蝕的不均勻性，小加工間隙下易達到較高的電流密度，獲得較低的表面粗糙度。

2.2 晶間腐蝕

在電解加工過程中，如果使用不合適的電解液或者選用較低的電流密度，顯微觀察加工表面的金相組織可以發(fā)現(xiàn)，晶粒間的分界面可能被腐蝕出縫隙，這種現(xiàn)象稱為晶間腐蝕[7]。

晶間腐蝕的產(chǎn)生原因一般可解釋為：晶粒間分界面的成分常常與晶?；w的成分有差別；晶間原子受到周圍不同晶粒中的晶格位向不同原子的作用，晶間中的原子排列就不像晶粒內(nèi)部的原子排列那樣有規(guī)則，即晶間中的原子具有更高的位能而使其電極電位更負，因而更容易優(yōu)先被陽極溶解，即形成晶間優(yōu)先腐蝕。

晶間腐蝕是電解加工所特有的表面質(zhì)量問題之一。晶間腐蝕破壞晶粒間的結(jié)合，大大降低金屬的機械強度，對工件的疲勞壽命有破壞性影響。按照國標(biāo)GB/T 7998-2005將精密振動電解加工的試樣制成金相試樣，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察是否出現(xiàn)晶間腐蝕。不同工藝參數(shù)下試件表面，都沒有出現(xiàn)晶間腐蝕。這是由于：

(1)活性電解液如NaCl電解液容易產(chǎn)生晶間腐蝕，而鈍性電解液如NaNO3、Na2SO4電解液則不容易甚至不會產(chǎn)生晶間腐蝕。當(dāng)電解液成分相同時，濃度越高，越容易產(chǎn)生晶間腐蝕。本文試驗中使用的電解液為15%的NaNO3，這種低濃度的鈍性電解液可以減小甚至防止晶間腐蝕的發(fā)生。

(2)精密振動電解加工可以實現(xiàn)小間隙加工、大間隙沖刷，加工電解液得到不斷的更新，使每次加工時都能獲得新的電解液，保證了每次加工時電解液的一致性，使間隙流場均勻分布，可以消除各種選擇性腐蝕。精密振動電解加工有利于減小甚至防止晶間腐蝕的發(fā)生。

3 結(jié)論

針對在航空航天上具有較大發(fā)展前景的TiAl合金，本文進行了精密振動電解加工試驗研究，通過對加工后的試件表面質(zhì)量分析，可得到以下結(jié)論：

(1)在一定的條件下，隨著加工電流密度及脈沖頻率的提高，表面粗糙度Ra迅速降低；精密振動電解加工可以達到較高的電流密度和穩(wěn)定的加工過程，有利于降低表面粗糙度。

(2)在不同參數(shù)下精密振動電解加工的TiAl合金，在光學(xué)顯微鏡下觀察表面，都沒有出現(xiàn)晶間腐蝕。

(3)在振動頻率為50Hz，加工電壓為24V，陰極進給速度為0.2mm/min，脈沖頻率為6000Hz的加工參數(shù)下，精密振動電解加工的TiAl合金可以得到較好的表面質(zhì)量，表面粗糙度Ra可達到0.47μm。

[1] 陳玉勇,張樹志,孔凡濤,等. 新型 β-γ TiAl 合金的研究進展 .稀有金屬 , 2012,36(1)：154-160.

[2] 張翥,王群驕,莫畏.鈦的金屬學(xué)和熱處理.北京：冶金工業(yè)出版社, 2009：155.

[3] 夏勁武.高溫合金GH4169電解加工和電火花加工表面質(zhì)量研究[D].南京：南京航空大學(xué), 2007.

[4] 崔靜萍,隋曼齡,李斗星. 脈沖電流作用下TiAl合金中形成的魏氏體組織.電子顯微學(xué)報,2007, 26(5)：400-403.

[5] 朱永偉,徐家文, 朱樹敏. 振動進給、脈沖電流提高電解加工精度的探討. 南京：南京航空航天大學(xué)學(xué)報,1998, 30(6)：702-706.

[6] 劉紅蘋,李增民,王新英,等.鑄造γ-TiAl合金表面狀態(tài)的研究.特種鑄造及有色合金, 2007, 27(5)：382-384.

[7] 徐家文,云乃彰,王建業(yè),等.電化學(xué)加工技術(shù)—原理工藝及應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社, 2008：221.