電解加工對(duì) TC17 鈦合金表面完整性及振動(dòng)疲勞性能的影響

詹中偉 1, *，劉嘉 2 ，孫志華 1 ，李海揚(yáng) 1 ，湯小軍 2 （1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，航空材料******腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

作者簡(jiǎn)介：詹中偉（1982–），男，河南人，博士，高級(jí)工程師，航空材料腐蝕防護(hù)技術(shù)研究。

論文編號(hào)：220708

發(fā)表期數(shù)：2022年第7期（四月上）

文章全文

鈦合金是******航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要金屬材料之一，其比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、抗氧化及抗蠕變性能優(yōu)異，是發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)輪盤(pán)和葉片等重要構(gòu)件的******材料[1-3]。目前鈦合金用量的占比已成為衡量航空發(fā)動(dòng)機(jī)******性的重要指標(biāo)之一。美軍第三代發(fā)動(dòng)機(jī)F100的鈦合金用量約占25%，第四代發(fā)動(dòng)機(jī)F119的鈦合金用量高達(dá)40%。然而，鈦合金的切削加工性能較差，僅次于鎳基高溫合金，加工效率和質(zhì)量有限，在整體葉盤(pán)等整體構(gòu)件加工中的劣勢(shì)更為明顯。

電解加工是實(shí)現(xiàn)鈦合金整體構(gòu)件快速高效加工的重要手段之一，具有成本低、效率高和精密度高的突出優(yōu)點(diǎn)[4-5]。電解加工是基于金屬材料陽(yáng)極溶解原理的加工技術(shù)，理論上不存在工具陰極損耗問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采 用銑削技術(shù)加工1個(gè)中等直徑(約 600 mm)的整體葉盤(pán)需360h左右，而電解加工僅需要120h左右，加工周 期顯著縮短。針對(duì)整體葉盤(pán)上復(fù)雜扭曲程度很高的葉片，電解加工技術(shù)能夠通過(guò)***佳工具運(yùn)動(dòng)軌跡識(shí)別技術(shù)，將電極準(zhǔn)確送入狹窄的葉柵通道，***終實(shí)現(xiàn)葉盆和葉背型面的精密成型[6-8]。因此電解加工已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外航 空發(fā)動(dòng)機(jī)整體構(gòu)件的重要加工技術(shù)之一，如 GE、羅羅和普惠公司的發(fā)動(dòng)機(jī)均使用了電解加工的整體葉盤(pán)等復(fù) 雜結(jié)構(gòu)件。國(guó)內(nèi)在電解加工領(lǐng)域也開(kāi)展了大量基礎(chǔ)研究，南京航空航天大學(xué)的朱荻院士從20世紀(jì)80年代開(kāi)始 就對(duì)電解加工控制原理、陰極設(shè)計(jì)、成型規(guī)律等進(jìn)行了全面而深入的研究，并設(shè)計(jì)制造了國(guó)內(nèi)首臺(tái)擁有自主 知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電解加工設(shè)備，引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)該技術(shù)的發(fā)展[9-16]。北京航空制造工程研究所[17-19]、中國(guó)航發(fā)黎明[20-21] 等單位在大型電解加工設(shè)備及應(yīng)用方面都取得了實(shí)質(zhì)性突破。

然而，國(guó)內(nèi)目前的研究側(cè)重于電解加工技術(shù)優(yōu)化和零件生產(chǎn)，對(duì)電解加工鈦合金零件的表面完整性和力 學(xué)性能方面的研究較少，缺乏與機(jī)械加工效果的對(duì)比。本研究以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)用 TC17 鈦合金為研 究對(duì)象，對(duì)比了電解加工和機(jī)械加工對(duì)其表面完整性及振動(dòng)疲勞性能的影響，為電解加工技術(shù)的工程化應(yīng)用提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 材料

TC17 鈦合金試片的尺寸為 100 mm × 50 mm × 3 mm，其名義化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))見(jiàn)表 1。

1. 2 加工工藝

1. 2. 1 電解加工

電解加工采用 10% NaCl 電解液，電壓 35 V，進(jìn)給速率約 1.4 mm/min，溫度約 30°C，電源占空比 30%， 頻率 0.6 kHz。

1. 2. 2 機(jī)械加工

機(jī)械加工主要包括切削和磨削：切削深度約 15 mm，車(chē)床轉(zhuǎn)速 320 r/min，進(jìn)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(cè)試

1. 3. 1 表面完整性分析

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系統(tǒng)(EBSD)分析樣品表面的顯微組織結(jié)構(gòu)。采用 ZYGO 公司 NeXView 型白光干涉三維形貌儀分析樣品的表面輪廓，并檢測(cè)表面粗糙度 (Ra)。采用 Proto iXRD 殘余應(yīng)力分析儀檢測(cè)樣品的殘余應(yīng)力，正值代表殘余拉應(yīng)力，負(fù)值代表殘余壓應(yīng)力。

1. 3. 2 振動(dòng)疲勞試驗(yàn)

采用圖 1 所示的板狀試樣，先分別進(jìn)行機(jī)械加工和電解加工，接著按照 HB 5277–1984《發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及材料振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)應(yīng)力為 380 MPa，以試樣的疲勞壽命(N)為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)室溫疲勞性能。

公司在國(guó)內(nèi)知名專(zhuān)家教授的引領(lǐng)帶動(dòng)下，組建了一支國(guó)內(nèi)******的超精密技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在超精密機(jī)床的單元技術(shù)、切削機(jī)理和工藝、成套技術(shù)及應(yīng)用工藝方面具備豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐積累。可為北京精密零件加工，北京鋁合金異型件加工制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的技術(shù)服務(wù)。

2 結(jié)果與討論

2. 1 表面完整性

零部件的表面完整性直接影響其使用性能，是航空領(lǐng)域評(píng)價(jià)零件加工表面質(zhì)量的重要指標(biāo)。表面完整性不僅包括表面形貌特征[22]，還包括物理、冶金、化學(xué)等一系列特性[23]。本文重點(diǎn)研究機(jī)械加工和電解加工對(duì) TC17 鈦合金表面微觀形貌、輪廓、殘余應(yīng)力和近表面顯微織構(gòu)的影響。

2. 1. 1 表面形貌

從圖 2 可知，機(jī)械加工表面有明顯的加工刀痕，在刀具切削過(guò)程中局部還會(huì)不可避免地出現(xiàn)合金相脫落 而造成的凹坑。電解加工表面呈現(xiàn)出明顯的針片狀形貌，這是電解加工過(guò)程中板條狀 α 相組織溶解而形成的；電解加工表面局部還有明顯的α相晶界，這可能是晶粒取向不同所致。

2. 1. 2 表面粗糙度

表面粗糙度是評(píng)估零件表面完整性的主要參數(shù)之一。表面粗糙度與疲勞性能之間密切聯(lián)系，一般粗糙度 越大，局部應(yīng)力集中越強(qiáng)烈，越容易引發(fā)疲勞裂紋[24]。從圖 3 可知，機(jī)械加工表面呈現(xiàn)出機(jī)加刀痕的規(guī)則條 紋，電解加工表面則呈現(xiàn)出不規(guī)則的凹坑和尖峰。結(jié)合圖 2b 可知，圖 3b 中的凹陷區(qū)域可能為板條狀 α 相溶 解后形成的凹槽。機(jī)械加工后 TC17 鈦合金的 Ra 約為 0.567 μm，而電解加工后的 Ra 達(dá)到 1.164 μm，顯著大 于機(jī)械加工表面。機(jī)械加工是通過(guò)塑性變形、切削作用等方式塑造表面，與基體的合金相關(guān)系不大；電解加 工則是依靠材料表面的陽(yáng)極溶解，不同合金相溶解速率的差異可能會(huì)導(dǎo)致局部表面優(yōu)先溶解。

從表面粗糙度看，電解加工表面更粗糙，對(duì) TC17 鈦合金疲勞性能的不利影響可能比機(jī)械加工嚴(yán)重。但疲 勞性能除了受到表面粗糙度的影響，還與表面殘余應(yīng)力、晶型織構(gòu)等多方面因素有關(guān)。另外從工程應(yīng)用的角 度而言，電解加工的表面尚未達(dá)到真正使用的程度，還可通過(guò)后續(xù)處理(如振動(dòng)光飾)來(lái)降低表面粗糙度。

2. 1. 3 表面殘余應(yīng)力

表面殘余應(yīng)力對(duì)鈦合金疲勞性能的影響較大。一般而言，殘余拉應(yīng)力會(huì)顯著降低材料的疲勞極限，令其 疲勞壽命縮短；殘余壓應(yīng)力則能夠有效抑制疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，從而提高疲勞極限，延長(zhǎng)疲勞壽命[25]。從圖 4 可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)械加工試樣表面的殘余應(yīng)力波動(dòng)較大，在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力之間跳躍，并且******值較大， 說(shuō)明機(jī)械加工表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)不穩(wěn)定。另外，機(jī)械加工試樣在距離表面 10 ~ 20 μm 范圍內(nèi)呈現(xiàn)殘余拉應(yīng) 力狀態(tài)，***高達(dá)到了 500 MPa 左右，顯然這種狀態(tài)非常不利于材料的疲勞性能。電解加工試樣表面基本呈殘 余壓應(yīng)力，并且******值較小，說(shuō)明電解加工表面的殘余應(yīng)力較平穩(wěn)，疲勞裂紋不容易形成和擴(kuò)展，因此電解加工對(duì)材料的疲勞性能更有利。

2. 1. 4 晶粒取向

機(jī)械加工與電解加工***大的區(qū)別在于材料的去除方式，對(duì)材料表面晶粒取向造成的影響也就截然不同。通過(guò)電子背散射衍射分析零件表面晶粒取向有助于研究?jī)煞N加工方式對(duì)材料性能的影響。從圖 5 可知，機(jī)械 加工試樣靠近表面的區(qū)域存在大量細(xì)小晶粒，越向內(nèi)部，晶粒尺寸越大，直到呈正常的板條狀 α 相晶粒組織。這表明機(jī)械加工令材料表面發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形，引起晶粒細(xì)化甚至破碎，變形層深度約為 10 μm。電解加 工試樣表面基本不存在細(xì)小晶粒區(qū)域，表明電解加工基本不會(huì)使晶粒組織產(chǎn)生塑性變形。

2. 2 振動(dòng)疲勞性能

振動(dòng)疲勞是引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)破壞與失效的主要因素之一，其涉及到結(jié)構(gòu)響應(yīng)、疲勞極限、疲勞壽命等。因此對(duì)于壓氣機(jī)葉片而言，室溫振動(dòng)疲勞性能是必須考察的重要性能之一。室溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果 表明，在 380 MPa 應(yīng)力下，機(jī)械加工和電解加工的 TC17 試樣振動(dòng)疲勞壽命分別約為 1.99 × 105 和 1.52 × 106 ?？梢?jiàn)電解加工試樣的振動(dòng)疲勞性能優(yōu)于機(jī)械加工試樣。為進(jìn)一步研究加工方式對(duì) TC17 鈦合金振動(dòng)疲勞的影 響，采用掃描電鏡觀察疲勞斷口形貌，結(jié)果如圖 6 所示。

從圖 6a 和圖 6b 可知，機(jī)械加工試樣在整個(gè)斷口上存在清晰的疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū) 3 種 典型的疲勞斷口，疲勞源區(qū)分布在寬度方向的兩側(cè)，疲勞源區(qū)較平整，周?chē)忻黠@的放射狀紋路；裂紋源則 位于試樣表面，存在明顯的機(jī)械加工刀痕。結(jié)合圖 4 和圖 5，有理由認(rèn)為機(jī)械加工試樣表面的刀痕處集中了較 大的殘余應(yīng)力，是誘發(fā)疲勞裂紋的源頭。

從圖 6c 和圖 6d 可知，電解加工振動(dòng)疲勞試樣的疲勞源區(qū)同樣位于試樣表面，且表面全區(qū)的形貌相近， 未發(fā)現(xiàn)典型的疲勞源區(qū)和放射狀紋路。結(jié)合電解加工表面基本呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力以及表面晶粒取向與本體保持 一致的情況，可以認(rèn)為電解加工試樣的表面不會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，疲勞性能不受影響。

3 結(jié)論

(1) 相比于機(jī)械加工，TC17 鈦合金電解加工后的表面不存在明顯的加工痕跡，表面粗糙度略高，表面殘 余應(yīng)力普遍呈現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)且應(yīng)力值較為平穩(wěn)。另外，電解加工表面不存在明顯的晶粒細(xì)化或破碎的變形 層，晶粒取向與基體保持一致。

(2) TC17 鈦合金電解加工后的室溫振動(dòng)疲勞壽命高于機(jī)械加工后，這可能是因?yàn)殡娊饧庸け砻嬖跉堄鄳?yīng) 力及晶粒取向方面都優(yōu)于機(jī)械加工表面。

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