電解加工對 TC17 鈦合金表麵完整性及振動疲勞性能的影響
詹中偉 1, *，劉嘉（jiā） 2 ，孫誌華 1 ，李海揚 1 ，湯小軍 2 （1.中國航（háng）發北京航（háng）空材料研究院，航空（kōng）材料******腐蝕與防護航空科技（jì）重（chóng）點實驗室，北京 100095；2.南京航空航（háng）天大（dà）學機電學院，江蘇 南京 210016）
作者簡介：詹（zhān）中偉（1982–），男，河（hé）南人，博士，高級工程師，航空材料腐蝕防護技術研究。
論文編號：220708
發（fā）表期數：2022年第7期（四月上）
文章全文
鈦合金是******航空發（fā）動機（jī）的主要金屬材料之一，其比強度高、熱穩定性好、抗氧化及抗蠕變（biàn）性能優異，是發動機風扇、壓氣機輪盤和葉片等重要（yào）構件的******材料[1-3]。目前鈦合金用（yòng）量的占比已成為（wéi）衡量航（háng）空發動機******性的重要指（zhǐ）標之一。美軍第三代發動機F100的鈦合金用量約占25%，第四（sì）代（dài）發動機F119的鈦合金用量高（gāo）達40%。然（rán）而，鈦合金的切削加工（gōng）性能較差（chà），僅次於鎳基高溫合（hé）金，加工效率和質量有限，在整體葉盤等整（zhěng）體構件加工中的劣（liè）勢更（gèng）為明顯。
電解加工是實現鈦（tài）合金整體構件快速高效加工的重要手段（duàn）之一，具有成本低、效率高和精密度高的突出優點（diǎn）[4-5]。電解加工是基於金屬材料（liào）陽極溶解原理的加工技術，理論（lùn）上不存在工具陰極損耗問題。據統計，采 用銑削技術加工1個中等直徑（jìng）(約 600 mm)的整體葉盤（pán）需360h左右，而電解加工僅需要120h左右，加工（gōng）周 期顯著縮短。針對整體葉盤上複雜扭曲程（chéng）度很高的葉片，電（diàn）解加工技術能夠（gòu）通過***佳工具運（yùn）動軌跡識別（bié）技術，將電極準確送入狹窄的葉柵通道，***終實現葉盆和葉背型麵的精密成型[6-8]。因此電解加工已經成（chéng）為（wéi）國內外航 空發動（dòng）機整體構件的重要（yào）加工（gōng）技術之（zhī）一，如 GE、羅羅和普惠（huì）公司的（de）發動機均使用了電解（jiě）加工的整體葉盤等複 雜結構件。國（guó）內在電解加工領域也開展了大量基礎研究，南京航空航天大學的朱荻院士從20世紀80年代開始 就對電解加工控製原理、陰極（jí）設計（jì）、成型規律等進行了全麵而深（shēn）入的研究，並設計製造了國內首（shǒu）台擁有（yǒu）自主 知識產權的電解加工（gōng）設備，引領了國內該技（jì）術的發展[9-16]。北京航空製造工（gōng）程研究所[17-19]、中國航發黎明[20-21] 等單位（wèi）在大型電解加工設備及應用方麵都取得了實質性突破。
然而，國內目前（qián）的研究側重於電解加工技術優化和零件生產，對電解加工鈦合金零件的表麵完整性和力 學性（xìng）能方（fāng）麵的研究較少，缺乏與機械加工效果的對比。本研究以某型號發動機整體葉盤用 TC17 鈦合金為研（yán） 究對（duì）象，對比了電（diàn）解加工和機械加工對其表麵完整性及振動疲勞性能（néng）的影響，為電解加工技術的（de）工程化應用提供支撐。
1 實驗
1. 1 材料
TC17 鈦合金試片的尺寸為 100 mm × 50 mm × 3 mm，其（qí）名義化學成分(以質量分（fèn）數計)見表 1。
1. 2 加（jiā）工工藝
1. 2. 1 電解加工
電解加工采用 10% NaCl 電解液，電壓 35 V，進給速率約 1.4 mm/min，溫（wēn）度約（yuē） 30°C，電源占（zhàn）空比 30%， 頻率 0.6 kHz。
1. 2. 2 機械加工
機械加工主要（yào）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（diàn）子顯微（wēi）鏡(SEM)及其搭載的電子背（bèi）散（sàn）射衍射（shè）係統(EBSD)分析樣品表麵的顯微組織結（jié）構。采用 ZYGO 公司 NeXView 型白光幹涉三維形貌儀分析樣品的（de）表麵輪廓，並檢測表麵粗糙度 (Ra)。采用 Proto iXRD 殘餘（yú）應力分析儀檢測樣品的殘餘應力，正值代表殘餘拉應力（lì），負值（zhí）代表殘餘壓應力。
1. 3. 2 振動疲勞試驗
采用圖 1 所示的板狀試樣，先分別（bié）進行機械加工和電解加工（gōng），接著按照 HB 5277–1984《發動機葉片及材料振動疲勞試驗方法》進（jìn）行室（shì）溫振動疲勞試驗，試驗應力為 380 MPa，以（yǐ）試樣的疲勞壽命(N)為指標（biāo）來評價室溫疲勞性能。
公司在國內知名專家教授的引領帶動下（xià），組建了一支國內******的超精密技術研（yán）發（fā）團隊，研發團隊在超精密（mì）機床的單（dān）元技術、切（qiē）削機理和工藝、成套技術及應用工藝方麵具備豐富的（de）技術經驗和實踐積累。可為北京精密零件加工，北京鋁合金異型件加工（gōng）製造相（xiàng）關產業提（tí）供優（yōu）質的技術服務。
2 結果與討論
2. 1 表麵完整性
零部件的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（biǎo）麵質量的重要指標。表麵（miàn）完整性不僅包括表麵形貌特征[22]，還包括物理、冶（yě）金、化學（xué）等（děng）一係列特性[23]。本文重點研（yán）究機械加工（gōng）和電解加（jiā）工對 TC17 鈦合金表麵（miàn）微觀形（xíng）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，機械加工表麵有明顯（xiǎn）的加工（gōng）刀痕，在刀具切削過（guò）程中（zhōng）局部還會不可避免地出現合金相脫（tuō）落 而造成的凹坑。電（diàn）解加工表麵（miàn）呈現出明（míng）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；電解加工表麵局部還有明顯的α相晶界，這可能是（shì）晶粒取向不同所致。
2. 1. 2 表麵粗糙度
表麵粗糙度是評估零件表麵完（wán）整性的主要參數之（zhī）一。表麵粗糙度與疲（pí）勞性能之間密切聯係，一般粗（cū）糙度 越大，局部應力集中越強烈，越容易引發疲（pí）勞裂紋[24]。從圖 3 可知，機械（xiè）加（jiā）工表麵呈現出機（jī）加刀痕的規則條 紋，電解加工（gōng）表麵則呈現出不規則的凹坑和尖峰。結合圖（tú） 2b 可知，圖 3b 中的凹陷區域可能為板條狀（zhuàng） α 相溶 解後形成的凹槽。機械（xiè）加工後 TC17 鈦合金的 Ra 約為 0.567 μm，而電解加工後的 Ra 達到 1.164 μm，顯著大 於機械加工表麵。機械加工是通（tōng）過塑性變形、切削作用等方式（shì）塑造表（biǎo）麵，與基體的合金相關係不（bú）大；電解（jiě）加 工則是（shì）依靠材料表麵的陽極溶解，不同合金相溶解速（sù）率的差異可能會導致局部表麵優先溶解（jiě）。
從表麵粗糙度看，電解加工（gōng）表麵更粗糙，對 TC17 鈦合（hé）金疲勞性能的不利影（yǐng）響可能比機械加工嚴重（chóng）。但疲 勞性能除了受到表麵粗糙度的影響（xiǎng），還與表麵殘餘應力、晶型織構等多方麵因素有關。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）使用的程度，還可（kě）通過後續處理(如振（zhèn）動光飾)來降低表麵粗（cū）糙度。
2. 1. 3 表麵殘餘（yú）應力
表麵殘餘應力對鈦合金疲（pí）勞（láo）性能的影響較大。一般而言，殘餘拉應力會顯著（zhe）降低材料的（de）疲勞極限，令（lìng）其 疲勞壽命（mìng）縮短；殘（cán）餘（yú）壓應力則能夠有效抑製疲勞裂紋的萌生和發展，從而提高疲勞極限，延長疲勞壽（shòu）命[25]。從圖 4 可以（yǐ）發（fā）現，機械加工（gōng）試樣表麵的殘餘應力波動較大，在壓應力和拉應力之間跳躍，並且******值較（jiào）大， 說明機械加工表麵的殘（cán）餘應力狀態不穩定。另外，機械加工試樣在距離表麵 10 ~ 20 μm 範圍（wéi）內呈現殘餘拉應 力狀態，***高達到了 500 MPa 左右，顯然這（zhè）種狀態非常不利於材料的疲勞性能。電解加工試樣表麵（miàn）基本呈（chéng）殘（cán） 餘壓應力，並且******值較（jiào）小，說明電解加工表（biǎo）麵的殘餘應力較平穩，疲勞裂紋不容易形成和擴展，因此電解加工對材料的疲（pí）勞性能更（gèng）有利。
2. 1. 4 晶粒取（qǔ）向
機械加工與電解加工***大的區別在於材料（liào）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（diàn）子背散射衍射分（fèn）析零件表麵晶粒取向有（yǒu）助於研究兩種加工方式對材料性能（néng）的影響。從圖 5 可知，機械（xiè） 加工試樣靠近表麵的區域存在大量（liàng）細小晶粒，越向內部，晶粒尺寸越（yuè）大（dà），直到呈正常的板條狀（zhuàng） α 相晶粒組織。這（zhè）表明機械加工令材料表麵發生了強烈的塑性變形，引起晶粒細化甚至破碎，變形層深度約為 10 μm。電解加 工（gōng）試樣表（biǎo）麵基本不存在細（xì）小晶粒區域，表明電解加工基（jī）本不會使（shǐ）晶粒組織產生塑（sù）性變形。
2. 2 振動疲勞性能
振（zhèn）動疲勞（láo）是（shì）引起發動機轉動部件結構破（pò）壞（huài）與失效的主要因素（sù）之一，其涉及到結構響應、疲勞極限、疲勞壽命（mìng）等。因此對於壓氣機葉片而言，室溫振動疲勞性能是（shì）必須考察的重要性能之一。室溫振動疲勞試驗結果（guǒ） 表明，在 380 MPa 應力下，機械加工（gōng）和電解加工的 TC17 試樣振動疲勞壽命（mìng）分別約為 1.99 × 105 和 1.52 × 106 。可見電解加工試樣的振動疲勞性能優於機械加工試（shì）樣。為進（jìn）一步研究加工（gōng）方式對 TC17 鈦合金振動疲勞的影 響，采用掃描電鏡觀察疲勞（láo）斷口形貌（mào），結（jié）果如圖 6 所示。
從（cóng）圖 6a 和圖 6b 可（kě）知，機械加工試樣在整個斷口上存在清晰的疲勞源區、疲勞裂（liè）紋擴展區和瞬斷（duàn）區 3 種 典型的疲勞斷（duàn）口，疲勞源區分布在寬度方向的兩側，疲勞源區較平整，周圍（wéi）有明（míng）顯的放射狀紋路；裂紋源則 位於試樣表麵，存在明顯的機械加工刀痕。結合（hé）圖 4 和圖 5，有理由（yóu）認為機械加工試樣表麵（miàn）的刀痕處集中了較 大的（de）殘（cán）餘應力，是誘發疲勞裂紋（wén）的源頭。
從圖 6c 和圖 6d 可知，電解加工振動疲勞試樣的疲勞源區同（tóng）樣（yàng）位於試樣表麵，且表麵全區的形貌相近， 未發現典（diǎn）型的疲勞源區和（hé）放（fàng）射狀紋路。結（jié）合電解加工表麵基本呈現殘餘（yú）壓應（yīng）力（lì）以及表麵晶粒取向（xiàng）與（yǔ）本體保持 一致（zhì）的情（qíng）況，可以認為電解加（jiā）工試（shì）樣的表麵不會（huì）產生明顯的應力集中，疲勞（láo）性能（néng）不受影響。
3 結（jié）論
(1) 相（xiàng）比於（yú）機械加工，TC17 鈦（tài）合金電解加工後的表麵不存在明顯（xiǎn）的加工痕跡，表麵（miàn）粗糙度略高，表麵殘 餘應力普遍呈現為壓應力狀態且應力值較為平穩。另外，電解加工表麵不存在明（míng）顯的晶粒細化或破碎的變形 層（céng），晶粒取向與基體保持一致（zhì）。
(2) TC17 鈦合金（jīn）電（diàn）解加工後的室溫振動（dòng）疲勞壽（shòu）命高於機械加工（gōng）後，這可能（néng）是因為電解加工表麵在殘餘應 力及晶粒取向方麵（miàn）都（dōu）優於機械（xiè）加（jiā）工表麵。
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