電解加工對 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）

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

論文編號：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，在整體葉盤等整體構(gòu)件加工中的劣勢更為明顯。

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極溶解原理的加工技術(shù)，理論上不存在工具陰極損耗問題。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。針對整體葉盤上復(fù)雜扭曲程度很高的葉片，電解加工技術(shù)能夠通過***佳工具運(yùn)動(dòng)軌跡識別技術(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等復(fù) 雜結(jié)構(gòu)件。國內(nèi)在電解加工領(lǐng)域也開展了大量基礎(chǔ)研究，南京航空航天大學(xué)的朱荻院士從20世紀(jì)80年代開始 就對電解加工控制原理、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)制造了國內(nèi)首臺擁有自主 知識產(chǎn)權(quán)的電解加工設(shè)備，引領(lǐng)了國內(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)械加工效果的對比。本研究以某型號發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤用 TC17 鈦合金為研 究對象，對比了電解加工和機(jī)械加工對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，并檢測表面粗糙度 (Ra)。采用 Proto iXRD 殘余應(yīng)力分析儀檢測樣品的殘余應(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)來評價(jià)室溫疲勞性能。

公司在國內(nèi)知名專家教授的引領(lǐng)帶動(dòng)下，組建了一支國內(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?？蔀?a href="http://uomoo.com.cn/">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 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 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，還可通過后續(xù)處理(如振動(dòng)光飾)來降低表面粗糙度。

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，對材料表面晶粒取向造成的影響也就截然不同。通過電子背散射衍射分析零件表面晶粒取向有助于研究兩種加工方式對材料性能的影響。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 。可見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 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，周圍有明顯的放射狀紋路；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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