酒石酸鈉對葉片冷卻孔電解加工的影響研究*

路文文　李志永　崔慶偉　臧傳武

(山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

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酒石酸鈉對葉片冷卻孔電解加工的影響研究*

路文文李志永崔慶偉臧傳武

(山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

以航空發(fā)動機渦輪葉片常用材料Inconel718高溫鎳基合金為基材進(jìn)行氣膜冷卻孔電解加工試驗?；谧孕醒兄频臄?shù)控電解加工機床系統(tǒng)，通過30組對比試驗，分析了在不同濃度硝酸鈉電解液中添加2%濃度的酒石酸鈉添加劑后對冷卻孔加工過程穩(wěn)定性及加工精度的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明：硝酸鈉電解液添加2%濃度的酒石酸鈉后，電解加工區(qū)域的固態(tài)電解產(chǎn)物和加工過程的短路次數(shù)明顯減少，加工穩(wěn)定性得到很大改善，同時所加工冷卻孔的單邊側(cè)面間隙有所減小，酒石酸鈉的加入對提高冷卻孔加工過程的穩(wěn)定性有明確而積極的意義，對提高其加工精度也有一定的作用。

電解加工；高溫鎳基合金；冷卻孔；酒石酸鈉；管電極

航空發(fā)動機作為飛機的核心部件，直接決定著飛機的制造成本和使役性能，是一個國家科技水平和國防實力的重要體現(xiàn)。葉片作為航空發(fā)動機的關(guān)鍵零部件，主要包括風(fēng)扇葉片、壓氣機葉片和渦輪葉片等，其中渦輪葉片是典型的高溫部件，在工作狀態(tài)下需要承受1 MPa以上高壓燃?xì)夂? 000 ℃以上的高溫[1-3]，因此在其工作過程中須進(jìn)行實時冷卻以實現(xiàn)其耐高壓和耐高溫性能。目前渦輪前總溫度每年約提高25 ℃，除了依靠葉片材料(高溫鎳基合金、高溫鈦合金等)本身的耐熱性能提高外，基于氣膜冷卻技術(shù)在熱端部件表面加工數(shù)量眾多的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻孔是降低渦輪葉片表面溫度的有效途徑之一[4-5]。渦輪葉片上的氣膜冷卻孔徑一般為0.25～1.5 mm之間，常采用斜圓柱結(jié)構(gòu)，數(shù)目巨大，且空間位置復(fù)雜多變[6]。在高溫耐熱合金材料上加工數(shù)量眾多的冷卻孔使得傳統(tǒng)的機械加工方法難以為繼，而非傳統(tǒng)加工工藝是一個良好的選擇。目前常用的冷卻孔加工工藝有電火花加工(electrical discharge machining, EDM)、激光加工(laser beam machining, LBM)和電解加工(electrochemical machining, ECM)。其中EDM工藝具有較高的加工效率、良好的成型精度和重復(fù)精度，而LBM的加工效率更高，但其成型精度和重復(fù)精度相對較差。此外，EDM和LBM工藝所面臨的共性問題是：加工過程中均會產(chǎn)生熱再鑄層和熱影響區(qū)(HAZ)，加工中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力和微觀裂紋是導(dǎo)致渦輪葉片失效的主要原因之一。因此現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動機冷卻孔加工時通常須將EDM和LBM所形成的熱再鑄層除去，這無疑增加了冷卻孔的加工難度和制造成本[7]。相比較而言，ECM具有加工速度快，表面質(zhì)量好，加工不受葉片材料強度、硬度、韌性等機械物理屬性限制等優(yōu)點，適宜加工對熱再鑄層和微裂紋非常敏感的發(fā)動機熱端部件，目前已成為航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻孔加工的主流工藝之一[8]。管電極電解打孔是一種以中空金屬管作為工具陰極對葉片陽極進(jìn)行電解蝕除的制造工藝。但管電極電解打孔尚存在一些問題限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用，例如：加工過程中穩(wěn)定性差(如短路燒傷)及加工時電解液雜散腐蝕導(dǎo)致加工精度變差[9]。在管電極電解打孔過程中，極間間隙狹小是其最基本的特征[10]。狹小間隙內(nèi)易產(chǎn)生渦流區(qū)，渦流區(qū)內(nèi)電解液難以及時更新，從而形成“死水區(qū)”，不能及時帶走間隙內(nèi)的固態(tài)電解產(chǎn)物而使其滯留在間隙內(nèi)，導(dǎo)致加工環(huán)境惡化發(fā)生短路，嚴(yán)重時會引起工件及電極表面燒傷，使加工無法順利進(jìn)行。如何提高加工過程穩(wěn)定性及工件加工精度，一直是電解加工研究人員致力于解決的重要問題。

酒石酸鈉(C4H4Na2O6)具有很好的金屬離子配位性能，尤其對Ni3+、Cr3+離子具有顯著的配位絡(luò)合作用[11]。若作為電解打孔中電解液的添加劑使用，理應(yīng)能較好地解決固態(tài)電解產(chǎn)物造成短路(穩(wěn)定性差)并影響加工精度的問題[12]。基于管電極電解打孔工藝，以高溫鎳基合金Inconel 718材料為研究對象，從改變加工電壓和硝酸鈉(NaNO3)電解液濃度兩個方面入手，通過對冷卻孔加工過程中短路次數(shù)和單邊側(cè)面間隙的分析，探討了NaNO3電解液中添加2%濃度的酒石酸鈉后對冷卻孔加工穩(wěn)定性及其尺寸精度的影響規(guī)律。

1　管電極電解打孔基本原理和試驗實施

1.1管電極電解打孔基本原理

管電極電解打孔工藝是一種利用電化學(xué)陽極溶解原理，以中空金屬管作為工具陰極，通過離子蝕除的形式將工件加工成型的加工工藝。在管電極電解加工冷卻孔時，在兩極間施加一定的加工電壓，陽極材料即發(fā)生電化學(xué)腐蝕，電解液在管電極和加工間隙中流動，及時帶走加工區(qū)域的電解產(chǎn)物和熱量。圖1為管電極電解加工冷卻孔原理示意圖。

1.2試驗實施

(1)加工機床

本試驗采用自行研制的三軸聯(lián)動數(shù)控電解加工機床進(jìn)行電解加工試驗，如圖2所示。該機床由基于PC運動平臺的控制系統(tǒng)、機床進(jìn)給系統(tǒng)、電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)和過程監(jiān)測系統(tǒng)等組成。以DM2410B運動控制卡為運動控制核心，單軸進(jìn)給分辨率達(dá)1 μm/s，定位精度達(dá)1 μm，最低進(jìn)給速度為1 μm/s。通過控制程序，能夠?qū)崿F(xiàn)對機床單軸及多軸的速度控制、位置控制、直線插補和位置插補等操作。能夠有效地保證電解加工冷卻孔時對速度、精度及穩(wěn)定性的要求。

(2)試樣和管電極絕緣

試樣尺寸為20 mm×50 mm×1.5 mm，材料為高溫鎳基合金Inconel718，該合金具有良好的成型性能和耐腐蝕耐氧化性能，其主要化學(xué)成分如表1所示。試樣相對水平面傾斜45°裝夾定位。工具陰極采用黃銅管電極，直徑為0.8 mm(不含絕緣層厚度)，內(nèi)孔直徑約為0.3 mm，采用聚四氟乙烯對管電極進(jìn)行側(cè)面絕緣處理，單邊絕緣層厚度50 μm，電極絕緣后直徑為0.9 mm，浸入電解液的端面預(yù)留0.2 mm長度不做絕緣處理。

表1Inconel718高溫鎳基合金的化學(xué)成分

NiCrMnCuAlTiNbmin50172.800.20.70.006max55213.31.01.155.54.75

(3)冷卻孔電解加工對比試驗

電解加工冷卻孔試驗采用電解液正流式加工，加工參數(shù)設(shè)置：加工電壓分別取5 V、7 V、9 V、11 V和13 V；硝酸鈉為基本電解液，濃度分別取5%、7%和9%，2%濃度的酒石酸鈉為添加劑；工具電極的進(jìn)給速度為0.42 mm/min，進(jìn)行了30組對比試驗，分別為5%NaNO3和5%NaNO3+2%C4H4Na2O6(1-10組)、7%NaNO3和7%NaNO3+2%C4H4Na2O6(11-20組)及9%NaNO3和9%NaNO3+2%C4H4Na2O6(21-30組)。電解液流量為10 mL/min，電解液壓力為0.40 MPa。具體試驗參數(shù)如表2所示。每組試驗分別進(jìn)行5次冷卻孔電解加工試驗，對試驗結(jié)果取平均值。

(4)表征方法

在電解加工冷卻孔工藝中，單邊側(cè)面間隙Δs是指加工穩(wěn)定時管電極側(cè)壁與冷卻孔內(nèi)壁之間的距離。單邊側(cè)面間隙反映了電解加工所得冷卻孔的直徑大小，直接反映出孔加工精度的優(yōu)劣情況。單邊側(cè)面間隙越小，說明冷卻孔直徑越小，加工精度越高。由于其在加工過程中無法在線測量，一般在電解加工后進(jìn)行測算。采用德國蔡司Axio Lab.A1金相顯微鏡檢測試驗所得冷卻孔直徑，計算單邊側(cè)面間隙Δs，計算公式如下：

(1)

式中：D為電解加工所得冷卻孔直徑，μm；d為管電極直徑，d=0.9 mm。在電解加工工藝的小孔精加工技術(shù)要求中，該加工間隙參數(shù)一般要求為20～300 μm[10]。通過電流監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測加工電流跳變次數(shù)用以統(tǒng)計加工過程中的短路次數(shù)，進(jìn)而用于評定加工過程的穩(wěn)定性。

2　結(jié)果與討論

2.1酒石酸鈉對冷卻孔電解加工穩(wěn)定性的影響

穩(wěn)定的加工過程可獲得較高的電解加工形狀精度及優(yōu)良的表面質(zhì)量。加工短路次數(shù)是衡量電解加工過程穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。加工短路次數(shù)越多意味著電解加工穩(wěn)定性越差。在上述加工參數(shù)下，冷卻孔電解加工過程中統(tǒng)計的短路次數(shù)見表3(表中N表示連續(xù)發(fā)生短路而加工無法順利進(jìn)行)。

表2葉片冷卻孔電解加工試驗參數(shù)表

試驗序號電解液濃度/(wt.%)電壓/V進(jìn)給速度/(mm/min)試驗序號電解液濃度(wt.%)電壓/V進(jìn)給速度/(mm/min)15%NaNO350.42167%NaNO3+2%C4H4Na2O650.4225%NaNO370.42177%NaNO3+2%C4H4Na2O670.4235%NaNO390.42187%NaNO3+2%C4H4Na2O690.4245%NaNO3110.42197%NaNO3+2%C4H4Na2O6110.4255%NaNO3130.42207%NaNO3+2%C4H4Na2O6130.4265%NaNO3+2%C4H4Na2O650.42219%NaNO350.4275%NaNO3+2%C4H4Na2O670.42229%NaNO370.4285%NaNO3+2%C4H4Na2O690.42239%NaNO390.4295%NaNO3+2%C4H4Na2O6110.42249%NaNO3110.42105%NaNO3+2%C4H4Na2O6130.42259%NaNO3130.42117%NaNO350.42269%NaNO3+2%C4H4Na2O650.42127%NaNO370.42279%NaNO3+2%C4H4Na2O670.42137%NaNO390.42289%NaNO3+2%C4H4Na2O690.42147%NaNO3110.42299%NaNO3+2%C4H4Na2O6110.42157%NaNO3130.42309%NaNO3+2%C4H4Na2O6130.42

表3冷卻孔電解加工短路次數(shù)統(tǒng)計表

加工電壓/V電解液濃度 57911135%NaNO3N00215%NaNO3+2%C4H4Na2O6400007%NaNO3N00117%NaNO3+2%C4H4Na2O6300009%NaNO3500239%NaNO3+2%C4H4Na2O620000

從表3可知：在加工電壓和硝酸鈉電解液濃度相同的條件下，添加2%濃度的酒石酸鈉后電解加工過程中短路次數(shù)明顯減少，加工過程穩(wěn)定性明顯改善。例如：在9 V的加工電壓下，濃度為7%的硝酸鈉電解液電解加工過程中短路次數(shù)為N，即電解加工無法進(jìn)行，出現(xiàn)盲孔，相比之下，添加2%濃度的酒石酸鈉后電解加工過程中短路次數(shù)為0次，電解加工順利進(jìn)行；在5 V的加工電壓下，濃度為5%的硝酸鈉電解液電解加工過程中短路次數(shù)為N，即電解加工無法進(jìn)行，出現(xiàn)盲孔(見圖3a，縱剖面圖)；相比之下，添加2%酒石酸鈉后電解加工過程中短路次數(shù)為4次，此加工條件下得到冷卻孔(見圖3b)，由圖3可知在5 V加工電壓下，在濃度為5%硝酸鈉電解液中添加2%濃度的酒石酸鈉后電解加工能較為順利地進(jìn)行，有效地避免了盲孔的出現(xiàn)。

從表3中研究還發(fā)現(xiàn)：在較高的加工電壓和硝酸鈉電解液濃度(例如U= 11 V、13 V，ξ= 9%)下，添加2%濃度的酒石酸鈉后電解加工過程中短路次數(shù)明顯減少，加工過程穩(wěn)定性明顯改善。更具體地說，在11 V和13 V的加工電壓下，濃度為9%的硝酸鈉電解液電解加工過程中短路次數(shù)分別為2次、3次，相比之下，添加2%濃度的酒石酸鈉后電解加工過程中短路次數(shù)為0次，即電解加工順利進(jìn)行。

電解加工過程中短路次數(shù)明顯減少，加工穩(wěn)定性明顯得到改善。究其原因：高溫鎳基合金Inconel718在電解加工過程中主要的電解產(chǎn)物為固態(tài)Ni(OH)3、Cr(OH)3、Nb(OH)5、Mo(OH)4等，形成的絮狀沉淀較原材料固態(tài)體積擴大約400倍，另一方面較高的加工電壓和電解液濃度會加速電極間金屬的溶解，而極間間隙狹小，因此固態(tài)電解產(chǎn)物不易及時排出而滯留在間隙內(nèi)導(dǎo)致短路的發(fā)生，降低了電解加工過程的穩(wěn)定性。而酒石酸鈉具有很好的金屬離子配位性能，加入后可與上述固態(tài)電解產(chǎn)物中的金屬離子(Ni2+、Cr3+、Nb5+、Mo4+等)發(fā)生配位反應(yīng)，形成穩(wěn)定的水溶性絡(luò)合物順利排出電解加工區(qū)域，使電解加工過程可以穩(wěn)定進(jìn)行。試驗表明，硝酸鈉電解液中添加2%濃度的酒石酸鈉后，電解加工區(qū)域的固態(tài)電解產(chǎn)物均顯著減少，短路次數(shù)明顯減小，可很好地解決電解加工區(qū)域固態(tài)電解產(chǎn)物不易及時排出而導(dǎo)致短路現(xiàn)象的問題，有效地提高了電解加工的穩(wěn)定性。

2.2酒石酸鈉對冷卻孔加工精度的影響

基于上述30組試驗所加工的冷卻孔，本文采用Axio Lab.A1金相顯微鏡檢測采集到冷卻孔的直徑數(shù)據(jù)，整理計算得出冷卻孔的單邊側(cè)面間隙Δs的變化規(guī)律，如圖4所示。

由圖4可知：在相同的加工參數(shù)下，不同濃度的硝酸鈉電解液中添加2%濃度的酒石酸鈉后，單邊側(cè)面間隙值有所減小，冷卻孔直徑減小，在一定程度上提高了冷卻孔精度。例如：在加工電壓為9 V時，濃度為7%的硝酸鈉電解液電解加工后測得冷卻孔的單邊側(cè)面間隙為152 μm，添加2%濃度的酒石酸鈉后測得單邊側(cè)面間隙為141 μm，間隙縮減比為8%，此加工條件下冷卻孔表面形貌如圖5所示，添加2%濃度的酒石酸鈉后獲得冷卻孔尺寸(圖5b)小于未添加的對照組(圖5a)；在加工電壓為13 V時，濃度為9%的硝酸鈉電解液電解加工后測得冷卻孔的單邊側(cè)面間隙為267 μm，添加2%濃度的酒石酸鈉后測得單邊側(cè)面間隙為229 μm，間隙縮減比為14.2%，此加工條件下冷卻孔表面形貌圖如圖6所示，添加2%酒石酸鈉后獲得冷卻孔尺寸(圖6b)小于未添加的對照組(圖6a)。

由圖4所示的單邊間隙Δs的分布情況來看，酒石酸鈉的加入會使得Δs有所減小，其對提高冷卻孔加工精度有一定效果。主要原因在于：第一，酒石酸鈉屬弱電解質(zhì)，在電解液中未能完全電離，且加工中不斷消耗，因此其對提高電解液電導(dǎo)率的作用十分有限，不會導(dǎo)致加工間隙明顯增大；第二，在未添加酒石酸鈉的情況下，絮狀的電解固態(tài)產(chǎn)物Ni(OH)3、Cr(OH)3、Nb(OH)5、Mo(OH)4等存在于加工區(qū)，導(dǎo)致電解液電導(dǎo)率分布不均，而加入酒石酸鈉后則會形成Ni2+、Cr3+等離子的可溶性的絡(luò)合物，有利于電解液電導(dǎo)率的均勻分布；第三，可溶性的絡(luò)合物可改善狹小間隙內(nèi)的電解液流場分布，降低了渦流區(qū)和“死水區(qū)”存在的可能性，在一定程度上有利于提高冷卻孔的加工精度。

3　結(jié)語

本文針對航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻孔電解加工工藝，著重研究了酒石酸鈉對冷卻孔加工過程穩(wěn)定性和加工精度的影響。主要研究結(jié)論如下：

(1)不同濃度硝酸鈉電解液中添加2%濃度的酒石酸鈉后，電解加工區(qū)域的固態(tài)電解產(chǎn)物和加工過程的短路次數(shù)明顯減少，加工過程中穩(wěn)定性得到極大改善。

(2)加入酒石酸鈉后，可有效改善冷卻孔加工間隙內(nèi)電解液流場狀態(tài)，降低了渦流區(qū)和“死水區(qū)”出現(xiàn)的概率，有利于電解液電導(dǎo)率的均勻分布。

(3)加入酒石酸鈉后，冷卻孔單邊間隙Δs有所減小，不同工藝條件下單邊間隙Δs的縮減比介于3%～14.2%之間，冷卻孔成型精度得到一定程度的改善。

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(編輯汪藝)

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Effect of sodium tartrate on electrochemical machining of blade cooling holes

LU Wenwen, LI Zhiyong, CUI Qingwei, ZANG Chuanwu

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, CHN)

Film cooling holes were obtained by electrochemical machining using Inconel718 nickel-based superalloy which is commonly used for turbine blade of aero-engine. 30 experiments were conducted on the developed electrochemcial machining setup. The effect of adding 2% sodium tartrate into the NaNO3electrolyte with different mass fraction on the stability and dimensional accuracy of the electrochemical machining cooling holes was analyzed. Experiments results demonstrated that adding 2% sodium tartrate into the NaNO3electrolyte, the solid electrolytic product of electrochemical machining area and process of short-circuit significantly reduced, machining stability had been greatly improved, also the single side gap was smaller, and the size precision was improved, that sodium tartaric acid can effectively improve the electrochemical machining stability and slightly improve the dimensional accuracy of cooling holes.

electrolytic machining; nickel-based superalloy; cooling hole; sodium tartrate; tube electrode

TG662

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.021

路文文，女，1990年生，碩士研究生，研究方向為先進(jìn)制造技術(shù)與裝備。

2016-04-19)

160832

* 山東省自然科學(xué)基金(ZR2014EEM038，ZR2014EL032)