(TiB+TiC)/TC4鈦基復合材料電解加工基礎(chǔ)試驗研究

李潔，李寒松，徐國梁

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

鈦基復合材料(TMCs)是在鈦合金基體中添加顆粒、晶須、纖維等增強相而組成的金屬基復合材料[1]，相較于鈦合金具有更好的綜合性能，是先進航空發(fā)動機及飛行器某些重要部件的候選材料[2]。然而，鈦基復合材料基體材料導熱變形系數(shù)小，增強相顆粒硬度高，用傳統(tǒng)的加工方法(例如切削或銑削)很難獲得好的加工效果[3]。

電解銑磨加工(electrochemcial mill-grinding，ECMG)是近年來在電解加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種柔性電解機械復合加工方法，它采用帶有磨粒的棒狀工具，通過類似銑削加工的方式實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的加工，較電解磨削具有更高的柔性及生產(chǎn)率。QU N S等[4]綜合電解銑削和電解磨削的優(yōu)點，首次提出外部供液的電解銑磨加工方法，采用釬焊金剛石磨料球頭棒狀工具，對Inconel 718開展電解銑磨加工試驗研究，其切削深度為0.5mm。隨后，內(nèi)部供液方式也被應(yīng)用于電解銑磨加工。LI H S等[5]在切深為3mm的電鍍金剛石磨料管狀工具陰極側(cè)壁開設(shè)單排噴液孔，在GH4169上加工出凸臺結(jié)構(gòu)。NIU S等[6]在切深為10mm的電鍍金剛石磨料管狀工具側(cè)壁開設(shè)4排出液孔，通過流場數(shù)值模擬分析與Inconel 718切削試驗驗證，發(fā)現(xiàn)相比于垂直排布，采用螺旋排布的方式能有效提高工件側(cè)面的平整度。

目前關(guān)于電解銑磨加工技術(shù)的研究主要集中于鎳基高溫合金Inconel 718/GH4169，尚無有關(guān)鈦基復合材料電解銑磨加工的報導。本文針對TC4及(TiB+TiC)/TC4復合材料展開電化學特性測量，并選擇合適的加工參數(shù)進行(TiB+TiC)/TC4復合材料電解銑磨試驗研究。

1 電化學特性測量

1.1 試樣準備

本文所使用的鈦基復合材料為TiC和TiB顆粒增強，基體材料為TC4鈦合金。(TiB+TiC)/TC4復合材料中增強相與基體材料的體積分數(shù)如表1所示。通過電火花線切割將兩種材料制成邊長為10mm的立方體試樣，并對表面進行拋光處理后用于電化學特性測量。

表1 (TiB+TiC)/TC4復合材料增強相與基體材料的體積分數(shù) 單位：vol.%

1.2 陽極極化曲線

陽極極化曲線表示電極電位與電流密度之間的關(guān)系，用于研究陽極極化的規(guī)律及金屬溶解過程。本試驗使用電化學工作站(Zennium E，Zahner，德國)測量TC4及(TiB+TiC)/TC4復合材料的極化特性曲線。測量前將試樣待測面拋光，放入封裝模具中進行密封處理，待密封膠凝固后將待測面多余膠體磨除，保持切面整齊，并用丙酮清洗表面油污。極化測量采用三電極體系，其中鉑電極為對電極，甘汞電極為參比電極。試驗在(30±1)℃的10%濃度的NaNO3溶液中進行，采用恒電位法測量極化曲線，掃描速率為10 mV/s，掃描范圍為0～13 V。

1.3 電流效率測量

法拉第定律又稱為電解定律，可用于描述電極上通過的電量和電極反應(yīng)物質(zhì)量之間的關(guān)系，即：電極界面上發(fā)生化學變化物質(zhì)的量與通入的電量成正比。然而，實際電解加工中陽極金屬的溶解量并不同于理論計算值。為了明確金屬溶解對總電量的利用率，引入電流效率概念，表征實際用于金屬溶解的電量占總電量的比值。電流效率隨電流密度的變化規(guī)律(η-j曲線)是衡量材料電解加工能力的重要指標，計算公式為

式中：M為陽極實際溶解質(zhì)量，g；ω為材料體積電化學當量，cm3/(A·min)；ρ為材料密度，g/cm3；I為加工電流值，A；t為加工時間，min。

試驗在(30±1)℃的10%濃度的NaNO3溶液中進行，加工間隙為0.1mm，電解液壓力為0.4MPa，控制并記錄反應(yīng)時間t。試驗前后用丙酮清洗，吹干并稱量，計算材料溶解質(zhì)量M。每組試驗重復3次取平均值，計算不同電流密度下的電流效率，得到電流效率曲線。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 極化曲線

TC4及(TiB+TiC)/TC4復合材料的極化曲線測量結(jié)果如圖1所示。在低電壓下的鈍化區(qū)內(nèi)，電流密度值為0，材料幾乎不會發(fā)生溶解。達到溶解電壓后，電流密度迅速增長，材料開始大量溶解。TC4的分解電壓約為10.5 V，(TiB+TiC)/TC4復合材料較高一些，約為12 V。這表明(TiB+TiC)/TC4復合材料更難溶解。究其原因，可能是由于(TiB+TiC)/TC4復合材料中增強相的存在阻礙了基體材料的溶解。

圖1 TC4及(TiB+TiC)/TC4復合材料的極化曲線

2.2 電流效率及表面形貌

圖2為TC4和(TiB+TiC)/TC4復合材料在NaNO3溶液中的電流效率曲線。隨著電流密度的增加，TC4和(TiB+TiC)/TC4復合材料在NaNO3溶液中的電流效率都呈現(xiàn)非線性變化趨勢：在低電流密度下，電流效率隨著電流密度的增加迅速增長，而在高電流密度下電流效率變化較小。電流密度為0.78 A/cm2時，TC4和(TiB+TiC)/TC4復合材料電流效率相近，兩種材料皆為微量蝕除。電流密度由0.78 A/cm2上升至8.59 A/cm2階段，TC4電流效率比(TiB+TiC)/TC4復合材料電流效率增長更快。電流密度達到8.59 A/cm2后，兩種材料電流效率趨于穩(wěn)定值，并且TC4電流效率略高于(TiB+TiC)/TC4復合材料。電流效率出現(xiàn)差值的原因可能是由于TiB增強相為纖維狀晶須[7]，隨著電解反應(yīng)的進行，基體材料被不斷去除，TiB的一部分暴露出來，但仍然固著于材料表面，并未脫落，或者少量脫落。

圖2 TC4及(TiB+TiC)/TC4復合材料的電流效率曲線

為了進一步研究TC4和(TiB+TiC)/TC4復合材料在NaNO3溶液中的電化學特性，采用掃描電子顯微鏡觀測不同電流密度下的表面形貌，結(jié)果如圖3、圖4所示。在低電流密度0.78 A/cm2時，電解反應(yīng)不充分，TC4和(TiB+TiC)/TC4復合材料反應(yīng)面都存在未溶解區(qū)域。電流密度達到8.59 A/cm2時，材料表面被充分腐蝕，其中(TiB+TiC)/TC4復合材料表面可以觀察到一些纖維狀物質(zhì)。電流密度達到46.88 A/cm2時，TC4表面較為平整，(TiB+TiC)/TC4復合材料表面呈現(xiàn)大量明顯的纖維狀晶須。

(a) 0.78 A/cm2

(a) 0.78 A/cm2

3 (TiB+TiC)/TC4復合材料電解銑磨加工試驗研究

電解銑磨加工可以通過同一工具陰極實現(xiàn)同一工件的粗、精加工。粗加工階段用于去除工件的大部分余量，精加工階段用于整平工件表面并降低表面粗糙度值，縮短加工周期的同時避免更換工具陰極帶來的裝夾定位誤差。由于(TiB+TiC)/TC4復合材料存在具有很高強度和硬度的TiB、TiC增強相，在機械切削加工過程中容易與刀刃碰撞，造成刀具磨損嚴重。因此，本文針對(TiB+TiC)/TC4復合材料開展電解銑磨試驗研究。試驗所采用的工具陰極為末端閉合的管電極，外徑和內(nèi)徑分別為10mm和8mm，側(cè)壁絕緣處理，端面電鍍170/200#金剛石磨粒并開有5個直徑為1mm的噴液孔。

根據(jù)極化曲線測量結(jié)果可知，(TiB+TiC)/TC4復合材料在NaNO3溶液中的分解電壓約為12 V，粗加工階段施加電壓應(yīng)≥12 V。根據(jù)法拉第定律，電流密度越大，材料溶解作用越強。當電壓>12 V后，電流密度隨著電壓的增大而增大，為了提高(TiB+TiC)/TC4復合材料的加工效率，選擇30 V作為加工電壓。試驗加工間隙為0.2mm，進給速度為20mm/min，電解液壓力為0.6MPa。

圖5(a)為工具陰極在預(yù)設(shè)的運動軌跡下所加工的平面結(jié)構(gòu)?？梢钥吹?，加工平面的平整性較差，能觀察到明顯的接刀痕。利用激光共聚焦顯微鏡(OLS4100,Alympus, Japan)對粗加工表面進行三維形貌掃描，并測量其表面粗糙度，結(jié)果如圖5(b)所示，表面波峰、波谷起伏明顯，黑色虛線處所測量的線粗糙度Ra為5.262 μm。如圖5(c)所示，粗加工階段的表面形貌通過掃描電子顯微鏡(S-3400,Hitachi,Japan)進行檢測，可以看到粗加工表面存在大量纖維狀增強相，部分區(qū)域基體材料溶解不均勻，形成了密集分布的片狀結(jié)構(gòu)。

圖5 (TiB+TiC)/TC4復合材料電解銑磨粗加工

在電解銑磨的粗加工階段，為了追求高的材料去除率，需要使用較高的電壓，但這也會引起嚴重的雜散腐蝕，導致已加工表面的質(zhì)量較差，無法達到精加工階段的產(chǎn)品要求。因此需要對粗加工后的工件表面進行電解銑磨精加工，從而改善工件表面質(zhì)量，提高表面平整度。由 (TiB+TiC)/TC4復合材料的極化曲線可知，當電位超過12 V后材料開始發(fā)生電化學溶解。因此，為了減少電化學溶解造成的雜散腐蝕，同時提高加工過程中的機械磨削作用，在精加工階段應(yīng)該選擇較低的加工電壓和較小的切削深度，以逐層加工的方式完成小余量材料去除過程。試驗加工電壓為1 V，進給速度為60mm/min，電解液壓力為0.2MPa。

圖6(a)為電解銑磨精加工所獲平面結(jié)構(gòu)，具有較好的平整性與均勻性，并且可以觀察到明顯的金屬光澤。三維形貌掃描結(jié)果如圖6(b)所示，精加工表面波峰波谷之間的高度差明顯小于粗加工之后的高度差，所測量的表面粗糙度Ra為0.702 μm，表面粗糙度值減少了86.7%。從圖6(c)可以看出，精加工后表面磨削痕跡明顯，可以看到隆起條紋，這是磨削加工中典型的耕犁及成屑特征[8]。由此可知，精加工過程中磨削起著主導的作用，并且在精加工過程中工件表面的成型不再受雜散腐蝕的影響。

圖6 (TiB+TiC)/TC4復合材料電解銑磨精加工

4 結(jié)語

1)溫度為30℃時，TC4及(TiB+TiC)/TC4復合材料在10%NaNO3溶液中的溶解電壓分別為10.5 V和12 V；兩種材料的電流效率都呈現(xiàn)非線性變化趨勢；相同電流密度下，(TiB+TiC)/TC4復合材料的電流效率略小于TC4。

2)使用掃描電子顯微鏡觀察腐蝕試樣的表面形貌，兩種材料在不同電流密度下分別具有不同的形貌特征。(TiB+TiC)/TC4復合材料隨著電流密度增加，越來越多的晶須狀增強相出現(xiàn)在加工表面。

3)選擇合理的加工參數(shù)對(TiB+TiC)/TC4復合材料進行電解銑磨試驗，粗加工階段由于高電壓、緩進給所造成材料去除不均勻、加工表面平整度差、表面粗糙度大的現(xiàn)象，通過精加工修整后得到顯著改善，表面粗糙度由5.262 μm降至0.702 μm。