電解（jiě）加工對 TC17 鈦合金表（biǎo）麵完整性及振動疲勞性能的影響
詹（zhān）中偉 1, *，劉嘉 2 ，孫誌華 1 ，李海揚 1 ，湯（tāng）小軍 2 （1.中國航（háng）發北京航空材料研究院，航空材料******腐（fǔ）蝕與防護航空科技重點實驗室，北京 100095；2.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016）
作（zuò）者簡介（jiè）：詹中偉（1982–），男，河南人，博士，高級工程師，航空材料腐蝕防護技術研（yán）究。
論文編號：220708
發表期數：2022年（nián）第7期（四（sì）月上）
文章全文
鈦合金是******航空（kōng）發動（dòng）機的主要金屬材料之（zhī）一，其比強度高、熱穩定性好、抗氧化（huà）及抗蠕變性能優異，是發動機風扇、壓氣機輪（lún）盤和葉片（piàn）等重要構件的******材（cái）料[1-3]。目前鈦合金用量的（de）占（zhàn）比已成為衡量航空發（fā）動機******性的重要指標之一。美軍第三代發動機（jī）F100的鈦合金用量約占25%，第（dì）四代發動機F119的鈦合金（jīn）用量高達40%。然而，鈦合金的切削加工性能較差，僅次於鎳（niè）基高溫合（hé）金，加工（gōng）效率和質量有限，在整體葉盤等整體構件加工中的（de）劣勢更為（wéi）明顯。
電（diàn）解加工是實現鈦（tài）合金整體構（gòu）件快速高效加工的重要手段之一，具有（yǒu）成本低、效率高和精密度高的突出優（yōu）點[4-5]。電解加工是基於金屬材料（liào）陽極溶解原（yuán）理（lǐ）的加（jiā）工技術，理論上（shàng）不（bú）存在工具陰極損耗問題。據統計，采 用銑（xǐ）削（xuē）技術加工1個中等直徑(約 600 mm)的整體葉（yè）盤需360h左右，而電解加工僅需要120h左（zuǒ）右，加工周 期顯著縮短。針對整體葉盤上複雜扭曲程度很高的（de）葉（yè）片，電解加工技術能夠通過***佳工具（jù）運動軌跡識別技術，將電極準確送入狹窄的葉柵通道，***終實現葉盆（pén）和葉背型麵的精密成型[6-8]。因此電解加工已經成為（wéi）國內外航 空發動機整體構件的重要（yào）加工（gōng）技術之一，如 GE、羅羅和普惠公司的發動（dòng）機均使用了電解加工（gōng）的整體葉盤等（děng）複 雜結（jié）構件。國內（nèi）在電解加工領域也開展（zhǎn）了大量基礎研究，南（nán）京航空航天大學的朱荻院士從20世紀（jì）80年代開始 就對電解加（jiā）工控製原（yuán）理、陰極設計、成型規律等進行了全麵而（ér）深入的研究（jiū），並設計製（zhì）造了國內首（shǒu）台擁有自主 知識產（chǎn）權的電解（jiě）加工設備（bèi），引領了（le）國內該技術的發展[9-16]。北京航空製造工程研究所[17-19]、中國航發黎明[20-21] 等單位在大型電（diàn）解加工設備及應用方（fāng）麵都取得了實質性突破。
然而，國（guó）內目前的研究側重於電解加工技術優化（huà）和零件生產，對電解加工鈦合（hé）金零件的表（biǎo）麵完整性和力（lì） 學性能方麵的研究較少，缺乏與機（jī）械加工效果的對比。本研究以（yǐ）某（mǒu）型號發動機整（zhěng）體葉盤用 TC17 鈦（tài）合金為研 究對象，對比了電解加工和機（jī）械加（jiā）工對其表麵完整性及振動疲勞性能的影響，為電解加工技術的工程化應用提供支撐。
1 實驗
1. 1 材料
TC17 鈦合（hé）金試片的尺寸為 100 mm × 50 mm × 3 mm，其名義化學成分(以質量分數計)見表 1。
1. 2 加工工藝
1. 2. 1 電解加工
電解加工（gōng）采用 10% NaCl 電解液，電壓（yā） 35 V，進給速率約 1.4 mm/min，溫度約（yuē） 30°C，電源占空比 30%， 頻率 0.6 kHz。
1. 2. 2 機械加工
機械加工主（zhǔ）要包括切削和磨削：切削深度約 15 mm，車床轉速 320 r/min，進給量約 30 mm/min；磨削深 度 0.01 ~ 0.02 mm，砂輪線速度 10 ~ 20 m/s。
1. 3 性能測試
1. 3. 1 表麵完整性分析
采用 JEOL JSM-7900F 型掃描電子顯微鏡(SEM)及其搭載的電子背散射衍射係統(EBSD)分析樣品表麵的顯微組織結構。采用 ZYGO 公司 NeXView 型白光幹涉三維形貌儀分析樣品的表（biǎo）麵輪廓，並檢測表麵粗糙度 (Ra)。采用 Proto iXRD 殘餘應（yīng）力分析儀檢測樣品的殘餘應力，正值代（dài）表殘餘拉（lā）應力，負值代表（biǎo）殘餘壓應（yīng）力。
1. 3. 2 振動疲（pí）勞試驗
采用圖 1 所示的板狀試（shì）樣，先分別進行機械加工和電解加（jiā）工，接著按照 HB 5277–1984《發動機葉片及材料振動（dòng）疲勞試驗方法》進行室溫振（zhèn）動疲勞試驗，試驗應力為 380 MPa，以試樣的疲勞壽命(N)為指標來評價室溫疲勞性能。
公司在國內（nèi）知名專家教授的（de）引領帶（dài）動下，組建了一支國內******的超精密技術研發團隊，研發團隊在超精（jīng）密機（jī）床的單元技術、切削機理（lǐ）和工藝、成套技術及應用工（gōng）藝方麵具備豐富的技（jì）術（shù）經驗和實踐積累（lèi）。可為北京精密零件加工，北京鋁（lǚ）合（hé）金異型件加工製造相關產業提供（gòng）優質的技術服務。
2 結果與討論
2. 1 表麵完整性
零部件的（de）表麵完整性直接影響其使用性能，是航空領域評價零件加工表麵質量的重要指標。表（biǎo）麵（miàn）完整性不僅包括表麵形貌特征[22]，還包括物理、冶金、化學等一係列特性[23]。本（běn）文重點研究機械加工和電解加工對 TC17 鈦合金表麵（miàn）微觀形貌、輪廓、殘餘應力和近表麵顯微織構的影響。
2. 1. 1 表麵形貌
從圖 2 可知，機械加工表麵有（yǒu）明顯的加工刀痕，在刀具切削過程中局部還（hái）會不可避免（miǎn）地出現合金（jīn）相脫落 而造成的凹坑。電（diàn）解加工（gōng）表麵呈現出（chū）明顯的針片狀形貌，這是電解加工過程中板條狀 α 相組織溶解而形成的；電解加工表麵局（jú）部（bù）還有（yǒu）明顯的α相晶（jīng）界，這可能是晶粒取向不同所致（zhì）。
2. 1. 2 表麵粗糙度
表麵粗糙度是評估零件表（biǎo）麵完整性的主要參數（shù）之一。表麵粗糙度與疲勞性（xìng）能（néng）之間密切聯係，一（yī）般粗糙度 越大，局部應力集中越強烈，越容易引（yǐn）發疲勞裂紋[24]。從圖 3 可知，機（jī）械加工表麵呈現出機加（jiā）刀痕的規則條 紋，電解加工表麵則呈現出不規則的凹坑和尖峰。結合圖 2b 可知，圖 3b 中的凹陷區域可能為（wéi）板條狀 α 相溶 解後形成的凹槽。機（jī）械加工後 TC17 鈦（tài）合金的 Ra 約為 0.567 μm，而電（diàn）解加工（gōng）後的 Ra 達到 1.164 μm，顯著大 於機械加工（gōng）表麵。機械加工是通過塑性變形、切削作用等方式塑造表麵，與基體的合金相關係不（bú）大；電解加 工則是依靠材料（liào）表麵的陽極溶解，不同合金相（xiàng）溶解速率（lǜ）的差異可能會導致局部表（biǎo）麵優先（xiān）溶解。
從表麵粗（cū）糙度看，電解加工表麵更（gèng）粗糙，對 TC17 鈦合金疲勞性能的不利影響可能比機械加工（gōng）嚴重（chóng）。但疲 勞性能除了受到表麵粗糙度（dù）的影響，還（hái）與表麵殘餘應力、晶型織構等多方麵（miàn）因素有關。另外從工程應用的角 度而言，電解加工的表麵尚未達到真正（zhèng）使用（yòng）的（de）程度，還可通過後續處理(如振動光飾)來降低表麵粗糙度。
2. 1. 3 表麵（miàn）殘餘應力（lì）
表麵殘餘應（yīng）力對鈦（tài）合金疲勞性能的影響較大（dà）。一般而言，殘餘拉應力會（huì）顯著降低材料的疲勞極限，令其 疲勞壽命縮短（duǎn）；殘餘（yú）壓應力則能夠有效抑製疲勞（láo）裂紋的萌生和發展，從而提高疲勞（láo）極限，延長疲勞壽命[25]。從圖 4 可以發現，機械加工試樣表（biǎo）麵（miàn）的（de）殘餘（yú）應力波動較大，在壓應力和（hé）拉應力之（zhī）間跳躍，並且******值較大， 說明機械加工表麵的殘餘應力狀（zhuàng）態不穩定。另外，機械加工試樣（yàng）在距離表麵（miàn） 10 ~ 20 μm 範（fàn）圍內呈現殘餘拉應 力狀態，***高達到了 500 MPa 左右，顯然這種狀態非常不利於材料的疲（pí）勞性能。電解加工試樣表麵基（jī）本呈殘 餘壓應（yīng）力（lì），並且******值（zhí）較小（xiǎo），說明電解加（jiā）工表麵的（de）殘餘應力較平穩，疲勞裂紋不容易形（xíng）成和擴展，因此電解加工對材料的疲勞（láo）性能更有利。
2. 1. 4 晶粒取向
機械加工（gōng）與電解加工***大的區別在於材料的去除方式，對材料表麵晶粒取向造成的影響也就截然不同。通過電子背散（sàn）射衍射分析零件表麵（miàn）晶粒取向有助於研（yán）究兩種加工方式對材料性能的影響。從圖（tú） 5 可知，機械 加工試樣靠近（jìn）表麵的區域存在大（dà）量（liàng）細小晶粒，越向內部，晶粒尺寸越大（dà），直到（dào）呈正常的板條狀 α 相晶粒組織。這表明機械加工令材料表麵發生了強烈的（de）塑性變形，引起晶粒細化甚至破碎（suì），變形（xíng）層深度約為 10 μm。電解加 工試（shì）樣表（biǎo）麵基本不存在細小晶粒區域，表明電解加工基本（běn）不會使晶粒組織產生塑性變形。
2. 2 振動疲勞性能
振動疲勞是引起發動機轉動部件結構破壞與失效的主要因素之一，其涉及到結（jié）構響應、疲（pí）勞極（jí）限、疲（pí）勞壽命等。因此對於壓氣機葉片而言（yán），室溫振（zhèn）動疲勞性能是必須考察的重要性能之一。室溫振動疲勞試驗結果 表明，在 380 MPa 應力下，機械加工和電解加工的 TC17 試樣振動疲勞壽命分別約為（wéi） 1.99 × 105 和 1.52 × 106 。可見電解（jiě）加工試樣的振動疲（pí）勞性（xìng）能優於機械加工試樣。為進一步研究加工方（fāng）式對 TC17 鈦合金振動疲勞（láo）的影 響（xiǎng），采用掃描電鏡觀察疲勞斷口形貌，結果如圖 6 所示（shì）。
從圖 6a 和圖 6b 可知，機械加工試樣在整個斷（duàn）口（kǒu）上存在清晰的疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬斷（duàn）區 3 種 典型的疲勞斷口，疲勞源區分布在寬度方向的兩（liǎng）側，疲勞源區較平整，周圍有明顯的放射狀紋路；裂（liè）紋源則 位於試樣表麵，存在明（míng）顯的機械加工（gōng）刀痕。結（jié）合圖 4 和圖 5，有理由認為機械加工試樣表麵的刀（dāo）痕（hén）處（chù）集中（zhōng）了較 大（dà）的殘餘應力，是誘（yòu）發疲勞裂紋的源頭。
從圖（tú） 6c 和（hé）圖（tú） 6d 可知（zhī），電解加工振動疲勞試樣的疲勞源區同（tóng）樣位於試樣表麵，且表（biǎo）麵全區（qū）的形貌相近， 未發現典型的疲勞源區和放射狀紋路（lù）。結合電解加工表麵基本呈現殘餘壓應力以（yǐ）及表麵晶粒（lì）取（qǔ）向與本體保持 一致的情況（kuàng），可以認為電解（jiě）加工試樣的表麵不會產生明顯的應力集中，疲勞性能不受影響。
3 結（jié）論
(1) 相比於機械加工（gōng），TC17 鈦合金電解加工（gōng）後的表麵（miàn）不存在明顯的加工痕跡，表麵（miàn）粗糙度略高，表麵殘（cán） 餘應力（lì）普遍呈現為壓應力狀態（tài）且應力值（zhí）較為平穩。另外，電解加工表麵不存在明顯的晶粒細化或破碎的（de）變形 層，晶粒取向與基體保持（chí）一致。
(2) TC17 鈦合金電解加工後的室溫振（zhèn）動疲勞壽命高（gāo）於機（jī）械加（jiā）工後，這可能是因為電解加（jiā）工表（biǎo）麵在殘餘應 力及晶粒取向（xiàng）方麵都優於機（jī）械加工（gōng）表（biǎo）麵。
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