表面狀態(tài)及電解液對(duì) Ti6Al4V EJM加工質(zhì)量的影響

（航空工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065）

鈦合金作為一種優(yōu)良的金屬材料，具有強(qiáng)度高、密度低、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用十分廣泛。同時(shí)，鈦合金具有的低導(dǎo)熱性與高化學(xué)活潑性等特點(diǎn)使其很難運(yùn)用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行機(jī)械加工[1]。

電解液噴射加工技術(shù)（Electrochemical Jet Machining，EJM）作為一種新型的加工方法，具有發(fā)熱少、無殘余應(yīng)力、加工范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可用于加工導(dǎo)電的各種材料，加工后的零件表面質(zhì)量好、無毛刺，是目前較為熱門的研究內(nèi)容之一[2]。本研究選用鈦合金Ti6Al4V作為研究對(duì)象，通過比較鈦合金樣件的加工表現(xiàn)，對(duì)不同的原始表面狀態(tài)、電解液以及電解液的使用順序?qū)JM加工質(zhì)量的影響進(jìn)行研究分析。

EJM加工技術(shù)

EJM源于電化學(xué)加工技術(shù)（Electro-Chemical Machining, ECM），具體過程如圖1所示，樣件固定于工作臺(tái)上，電解液通過泵從存儲(chǔ)箱中抽出后以一定的速度噴射至工件表面。系統(tǒng)中，工件為陽極，噴嘴為陰極，金屬原子在電極的作用下失去電子被氧化，進(jìn)而溶解于電解液，實(shí)現(xiàn)材料的去除與加工[3-6]。EJM加工中常用的電解液有氯化鈉（NaCl）溶液和硝酸鈉（NaNO3）溶液[7-8]，不同的電解質(zhì)溶液以及電解質(zhì)溶液使用的先后順序和待加工工件的表面質(zhì)量等因素對(duì)最終的加工精度可能具有一定的影響。

EJM精密加工試驗(yàn)

1 鈦合金試件準(zhǔn)備

為研究鈦合金原始表面質(zhì)量對(duì)最終加工精度的影響，本文拋光處理了兩組20×20（mm）試件，在去除表面氧化層和污染物的同時(shí)，確保其具有不同的表面狀態(tài)。拋光后的試件如圖2所示，表面粗糙度值（Sa）分別為0.177μm和1.066μm。

圖1 電解液噴射加工示意Fig.1 Sketch map of EJM

圖2 粗拋和精拋后的鈦合金試件表面狀態(tài)Fig.2 Surface condition of test pieces after cursory polishing and excellent polishing

2 加工參數(shù)選定

基于Dan等[3]的研究成果，設(shè)備優(yōu)選參數(shù)分別為：噴嘴直徑φ=250μm ；電流密度=550A/cm；噴嘴移動(dòng)速度0.5mm/s；由噴嘴處測得的電解液流速70 ml/min；噴嘴與待加工表面間距離0.5 mm。并在系列加工試驗(yàn)中穩(wěn)定不變，以保證不同試件加工狀態(tài)的穩(wěn)定性與一致性。本文選用的NaCl電解液與NaNO3電解液的濃度均為2.5mol/L[7-8]。

3 試驗(yàn)系列1

3.1 設(shè)計(jì)思路

兩種鈦合金試件上分別用NaCl電解液和NaNO3電解液各加工兩個(gè)矩形樣槽，通過樣槽底面的氧化物百分比、表面粗糙度值（Sa）和樣槽的深寬比定量分析試件的加工表現(xiàn)，并對(duì)加工后表面的微觀形貌進(jìn)行定性分析。確保第二條樣槽數(shù)據(jù)的重復(fù)性，具體思路如表1所示。

表1 試驗(yàn)系列1

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

本文應(yīng)用系列檢測與分析技術(shù)對(duì)鈦合金試件在EJM加工中的表現(xiàn)進(jìn)行研究與評(píng)估，流程如圖3所示。

（1）表面氧化物比例分析。

大原子質(zhì)量的成分可產(chǎn)生更多的背閃電子，故在背閃電子方式下拍攝的SEM照片中氧化物的顏色較深，鈦合金基體的顏色較亮，如圖4所示。這些黑白照片經(jīng)開源軟件ImageJ的顏色閥值功能處理后（設(shè)置合適的亮度值），可將樣槽表面覆蓋的氧化物從鈦合金基體中區(qū)分出來，標(biāo)紅高亮顯示的同時(shí)計(jì)算出該區(qū)域占總面積的百分比。為保證數(shù)值的準(zhǔn)確性，分析過程中對(duì)樣槽兩側(cè)參差不齊的邊緣進(jìn)行了修剪，如圖5所示。

每個(gè)樣槽上選取5處不同的區(qū)域，依上述流程分別計(jì)算氧化物占表面積的百分比，最終以均值表征樣槽表面氧化物比例。氧化物占比越高，繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的趨勢越小，EJM加工越困難。

（2）表面氧化物的去除。

完成氧化物占比分析后，用樹脂毛刷在流動(dòng)活水下手工去除氧化物，超聲清洗 25min（全信號(hào)，80℃）。雖然氧化物硬度較高，在不損傷試件基體的情況下很難完全去除，但經(jīng)過該流程可以更準(zhǔn)確地評(píng)估樣槽的深寬比與表面粗糙度值。

（3）幾何特征檢測。

將3D光學(xué)顯微鏡Alicona掃描已加工表面所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件MountainsMap。

·樣槽深寬比（深度/寬度）。

每個(gè)樣槽隨機(jī)選取3個(gè)截面，分別測量每個(gè)截面上樣槽的寬度與深度，計(jì)算得出各截面處的深寬比，最終以平均值表征該樣槽的深寬比。

·表面粗糙度（Sa）。

每個(gè)樣槽隨機(jī)選取3處區(qū)域，分別得到各區(qū)域的Sa后，以平均值表征樣槽底面的粗糙度。

（4）微觀形貌分析。

通過二次電子下拍攝的SEM照片對(duì)樣槽底面的微觀形貌進(jìn)行分析。

4 試驗(yàn)系列2

4.1 設(shè)計(jì)思路

通過樣槽的深寬比和底面的粗糙度值（Sa）定量分析試件的加工表現(xiàn)，并定性分析加工后表面的微觀形貌，定量與定性相結(jié)合，確定出最佳的電解液組合應(yīng)用順序。第二條樣槽數(shù)據(jù)的重復(fù)性，具體思路如表2所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與處理流程Fig.3 Flow of data collection and disposal

圖4 粗面試件上使用NaNO3電解液加工出的樣槽的SEM照片（背閃電子）Fig.4 SEM image of the groove machined on rough sample with UA using NaNO3(BSM)

圖5 鈦合金基體上氧化物的提取Fig.5 Extracting of oxide on Ti-alloy

表2 試驗(yàn)系列2

4.2 數(shù)據(jù)采集與處理

本系列試驗(yàn)中應(yīng)用的檢測與分析技術(shù)與試驗(yàn)系列1中相同，但不分析試件表面氧化物的比例，故直接手工去除附著在樣槽表面的氧化物后，應(yīng)用3D光學(xué)顯微鏡獲取樣槽的三維形貌，分析獲得樣槽的深寬比與底面粗糙度值，最后通過二次電子下拍攝的SEM照片對(duì)加工表面的微觀形貌進(jìn)行分析。

試驗(yàn)結(jié)果與討論

1 試驗(yàn)系列1

1.1 表面氧化物百分比

圖6為兩種鈦合金試件EJM加工后表面氧化物所占面積的百分比。電解液一定時(shí)，鏡面試件的氧化物占比較高，其中NaNO3電解液下為53.62%，NaCl電解液為46.69%，相比于粗面試件分別高出2.38%和4.99%。而同一試件上，電解液為NaNO3溶液時(shí)氧化物占比更高，其中粗面高出9.54%，鏡面高出6.94%。

1.2 槽深寬比

如圖7所示，電解液一定時(shí)，鏡面試件樣槽的深寬比較小，其中NaNO3電解液下為0.118，NaCl電解液為0.138，相對(duì)于粗面試件分別減少了18.3%和21.9%。而同一試件時(shí)，NaNO3電解液加工所得樣槽的深寬較小，相比于NaCl電解液分別減少了14.8%和18.5%。

1.3 表面粗糙度Sa

如圖8所示，電解液一定時(shí)，鏡面試件樣槽的Sa值較小，其中NaNO3電解液下為0.837，NaCl電解液為1.163，相比于粗面試件分別改善了73.6%和73.9%。而同一試件時(shí)，NaNO3電解液下Sa值較小，相比于NaCl電解液粗面和鏡面試件分別改善了28%和28.8%。

1.4 表面微觀形貌

用掃描電子顯微鏡通過二次電子的方式對(duì)樣槽的微觀形貌進(jìn)行觀察分析，普通倍率下所得的圖像如表3所示。

同種電解液下，鏡面試件樣槽邊緣的整齊度顯著好于粗面試件（因數(shù)控程序的問題，鏡面試件僅得到一條樣槽）。相同加工參數(shù)下，粗面試件與鏡面試件上各條樣槽的微觀結(jié)構(gòu)非常相似，本文選取鏡面試件上的樣槽進(jìn)行放大。如圖9所示，電解液為NaNO3溶液時(shí)，樣槽表面覆蓋有更多的多孔且均勻的氧化物薄層，樣槽的邊緣更為光滑整齊。而當(dāng)電解液為NaCl溶液時(shí)，樣槽的寬度顯然更窄，這就意味著加工主要發(fā)生在樣槽底部，這也是其能獲得更大的樣槽深寬比的原因。

粗面試件的加工過程穩(wěn)定性較差，無論選用哪種電解液都可在樣槽上觀察到因電弧放電導(dǎo)致的斑塊。圖10與圖11為粗面試件樣槽中放電區(qū)域的SEM照片。相比于NaCl電解液，NaNO3電解液會(huì)導(dǎo)致更為頻繁的放電，如圖11所示，在加工粗面試件上的第二條樣槽時(shí)，甚至出現(xiàn)了持續(xù)放電現(xiàn)象。

若需進(jìn)一步降低EJM加工過程中放電發(fā)生的可能性，并提高加工過程的穩(wěn)定性，需對(duì)包括噴嘴到試件的距離、電解液流速和噴嘴的移動(dòng)速度等加工參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)、優(yōu)化。

圖6 氧化物占槽底總面積的百分比Fig.6 Oxide percentage of machined grooves

圖7 槽深寬比Fig.7 Aspect ratio of machined grooves

圖8 槽底部的表面粗糙度Fig.8 Sa of machined grooves

表3 加工表面SEM照片

圖9 樣槽表面微觀形貌Fig.9 Surface topography of the machined groove

2 試驗(yàn)系列2

2.1 槽深寬比

如圖12所示，當(dāng)先用NaNO3電解液后用NaCl電解液時(shí)所得樣槽的深寬比為0.24，相比于另一組合下的0.26，減少7.7%，即此種組合下加工效率降低了7.7%。

2.2 表面粗糙度

如圖13所示，當(dāng)先用NaNO3電解液后用NaCl電解液時(shí)所得樣槽的Sa值為21.1μm，相比于另一組合下的14.6μm，增加了44.5%，表面質(zhì)量嚴(yán)重下降。

圖10 應(yīng)用NaCl電解液進(jìn)行EJM加工過程中的放電現(xiàn)象Fig.10 Arcing during EJM using NaCl

圖11 應(yīng)用NaNO3電解液EJM加工中的放電現(xiàn)象Fig.11 Arcing during EJM using NaNO3

2.3 表面微觀形貌

用掃描電子顯微鏡通過二次電子的方式對(duì)樣槽的微觀形貌進(jìn)行觀察分析，如圖14所示，先NaCl電解液后NaNO3電解液的順序下，樣槽表面質(zhì)量與邊緣的整齊度有非常明顯的改觀。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 NaNO3電解液與NaCl電解液的效果

試驗(yàn)系列1所得結(jié)果證明，鈦合金EJM加工中應(yīng)用NaNO3電解液可獲得更好的表面質(zhì)量，但NaCl電解液可以產(chǎn)生更少的氧化物與更高的深寬比。而NaCl電解液之所以能夠產(chǎn)生更少的氧化物，主要是加工界面上形成了能夠發(fā)生水解的TiCl4，TiCl4在發(fā)生反應(yīng)式（1）所示的水解的同時(shí)被電解液沖走。隨后新生成的TiOCl2繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)式（2）所示的水解，在排出的廢液中生成不溶的。

因此，應(yīng)用NaCl電解液時(shí)加工主要發(fā)生在樣槽的底部，如圖15所示。而在應(yīng)用NaNO3電解液時(shí)，迅速反應(yīng)生成的TiO2會(huì)粘附在樣槽底部，阻礙底部材料的繼續(xù)去除，所以加工會(huì)向側(cè)面偏移，最終獲得較小的深寬比。

綜上所述，鈦合金進(jìn)行EJM加工時(shí)，NaCl電解液相比于NaNO3電解液，在試件加工表面生成鈍化層的趨勢更低，所以能夠以更高的速度加工出更窄、定位性更好的矩形樣槽。

3.2 工件表面原始狀態(tài)的影響

試驗(yàn)系列1所得結(jié)果證明，鏡面試件與粗面試件的加工表現(xiàn)顯著不同。同樣參數(shù)下，鏡面試件可獲得更低的表面粗糙度與更規(guī)整的槽邊，但粗面試件上檢測到的氧化物比例更低，深寬比更大。究其原因，粗面試件由于粗糙度較高，從而使鈦合金基體和電解液的接觸面積更大，這也就意味著同時(shí)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的界面更大，于是較高的材料去除率導(dǎo)致加工出更大的深寬比。氧化物的百分比指水平基面上樣槽表面被氧化物覆蓋的面積所占的比重，因此名義上的氧化物百分比要比實(shí)際值略小，表面粗糙度也會(huì)由于加工表面的不平整而更差。此外，因表面不平整，一些電解液會(huì)停留在加工區(qū)域附近，從而導(dǎo)致樣槽的邊緣輪廓齊整性變差。

粗面試件進(jìn)行EJM加工時(shí)，可觀察到頻繁的電弧放電現(xiàn)象。結(jié)合前面的分析，粗面試件相比于鏡面試件能夠獲得更高的加工效率，故單位時(shí)間內(nèi)加工區(qū)域會(huì)產(chǎn)生更多的氧化物，而加工所用的電流密度較高（550A/cm2），一旦不導(dǎo)電的氧化物覆蓋了較多的加工區(qū)域，就可能發(fā)生電弧放電。NaNO3電解液相比于NaCl電解液更易生成氧化物，故放電的機(jī)率更高。通過增大噴嘴與待加工表面間的距離，可以減少放電現(xiàn)象，試驗(yàn)系列2可以有效地證明這一點(diǎn)：第一種電解液加工完成后，樣槽表面已非常粗糙，但在應(yīng)用第二種電解液繼續(xù)進(jìn)行加工時(shí)因噴嘴與工件的距離實(shí)際上已得到了增大，故基本沒有觀測到電弧放電現(xiàn)象。

3.3 電解液使用順序的分析

試驗(yàn)系列2所得結(jié)果表明，先NaCl后NaNO3電解液順序下鈦合金的加工效果較相反的使用順序更好，其深寬比和表面質(zhì)量分別提高了7.7%和44.5%。當(dāng)先使用NaCl電解液時(shí)，加工表面附著的氧化物更少，后面的NaNO3電解液能夠進(jìn)一步提升表面質(zhì)量并繼續(xù)向下加工；相反地，先使用NaNO3電解液得到寬且淺的槽后再使用NaCl電解液，槽底氧化物較多，阻礙繼續(xù)向下加工，且樣槽的邊緣會(huì)被腐蝕，導(dǎo)致邊緣輪廓質(zhì)量下降。

圖12 不同電解液順序下樣槽的深寬比Fig.12 Aspect ratio of grooves machined in different processes

圖13 不同電解液順序下樣槽底面的Sa值Fig.13 Surface roughness of grooves machined in different processes

圖14 不同電解液順序下樣槽的微觀形貌Fig.14 Surface topography of the machined groove in different processes

圖15 加工過程原理圖Fig.15 Schematics of machining process

結(jié)論

（1）當(dāng)電解液一定時(shí)，鈦合金表面的原始狀態(tài)越好，EJM加工效率越低（表面氧化物占比高，樣槽深寬比小），但獲得的表面質(zhì)量越高。

（2）當(dāng)鈦合金表面的原始狀態(tài)一定時(shí)，電解液為NaNO3溶液時(shí)所得的表面質(zhì)量和邊緣光整度更好。而當(dāng)電解液為NaCl溶液時(shí)，EJM加工效率更高（氧化物占比低，深寬比大）。

（3）當(dāng)其他狀態(tài)參數(shù)一定時(shí)，先NaCl電解液后NaNO3電解液順序下，加工表面可得到更低的粗糙度值與更整齊的邊緣，且加工效率更高。

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