北京軍工零件（jiàn）加工廠220708-中國航發北京航

時間：2022-08-29 12:25:05 點擊：600次

電解加工對 TC17 鈦合金（jīn）表（biǎo）麵完整性及振動疲勞性能的（de）影響

詹中偉 1, *，劉（liú）嘉 2 ，孫誌華 1 ，李海揚 1 ，湯小軍 2 （1.中國航發北京航空材料（liào）研究（jiū）院，航空材料******腐蝕與防（fáng）護（hù）航空科技（jì）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）

作者簡（jiǎn）介：詹中偉（1982–），男，河南人，博士，高（gāo）級工程師，航空材（cái）料腐蝕防（fáng）護技術研究。

論文編號：220708

發表期數：2022年第（dì）7期（四月（yuè）上）

文章全文

鈦合金是******航（háng）空發動機的主要金屬材料之一，其比強度高、熱穩定（dìng）性好、抗氧化及抗蠕變性能優異，是發（fā）動機風扇、壓氣機（jī）輪盤和（hé）葉片等（děng）重要構件的******材料[1-3]。目前鈦合金用量的占比已成為衡量航空（kōng）發動機******性的重要指標之一。美軍第三代發動機F100的鈦合金用量約占25%，第四代發動機F119的鈦合金用量高達40%。然而，鈦合金的切削加工性（xìng）能較（jiào）差，僅次於鎳基高溫合金，加工效率和質量（liàng）有限，在整體葉盤（pán）等整體構件加工中的劣勢更為明顯。

電解加工是實現鈦合金整體構件快（kuài）速高效加工的重要手段之一，具有成本（běn）低、效率（lǜ）高和精密度高（gāo）的突出優點[4-5]。電解加工是基於金屬材料陽極溶解原理的加工技術，理論上不存在工具（jù）陰極損（sǔn）耗問題。據統計，采（cǎi）用銑削技術加工1個中等直徑(約（yuē） 600 mm)的整體葉（yè）盤需360h左右，而電（diàn）解加工僅需要120h左右，加工周期顯著縮（suō）短。針對整體葉盤上複雜（zá）扭曲程度很高的葉片，電解加工技（jì）術能夠通過***佳工具運動軌跡識別技術，將電極準確送入（rù）狹窄的葉柵通道（dào），***終實現葉盆和葉背型麵的精（jīng）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（chóng）要加工技（jì）術（shù）之一，如 GE、羅羅和普惠公司的發動機均使用了（le）電解加工的整體葉盤等複雜結構件。國內在電解加工（gōng）領域也開展了大量基礎研究，南京航空航（háng）天大（dà）學的朱荻院士從20世紀80年代開始就對電解（jiě）加工（gōng）控製原理、陰極設計、成（chéng）型規律等進行了全麵而深入的研究，並設計製造了國內首台擁有自主知識產（chǎn）權的電解加工設備（bèi），引領了（le）國內該技術的發展[9-16]。北京航（háng）空製造工程研究所（suǒ）[17-19]、中國航發黎明（míng）[20-21] 等單位在大（dà）型電解加（jiā）工設備及應用方麵都取得了實質性突（tū）破。

然而，國內目前的研究側重於（yú）電解加工（gōng）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（xué）性能方麵的研究較少，缺乏與機械加工效果的對比。本研究以某型（xíng）號（hào）發動機整體葉盤用 TC17 鈦合金為研究對象，對比（bǐ）了電（diàn）解加工和機械加（jiā）工對其（qí）表麵完整性及振動疲勞性能的（de）影響，為電（diàn）解加工技術的工程化應用（yòng）提供（gòng）支撐。

1 實驗

1. 1 材（cái）料

TC17 鈦合金試片的尺寸為 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

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

1. 2. 2 機械加工

機械加工主要包括切削和磨削：切削深度（dù）約 15 mm，車床轉速 320 r/min，進給量約 30 mm/min；磨削深度（dù） 0.01 ~ 0.02 mm，砂輪線速度 10 ~ 20 m/s。

1. 3 性（xìng）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（yàng）品（pǐn）表麵（miàn）的顯微組（zǔ）織（zhī）結構。采用 ZYGO 公司 NeXView 型白光（guāng）幹涉三維形貌儀分析樣品的表麵輪（lún）廓，並檢測（cè）表（biǎo）麵粗糙度 (Ra)。采用 Proto iXRD 殘餘應力（lì）分析儀檢測樣品的殘餘應力（lì），正值代表（biǎo）殘（cán）餘拉應力，負值代表殘餘（yú）壓（yā）應力。

1. 3. 2 振動疲勞試驗

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工，接著按照 HB 5277–1984《發動機葉片及材料振動疲勞試驗方法》進行室溫振動疲勞試驗，試（shì）驗應力為 380 MPa，以試樣的疲勞（láo）壽（shòu）命(N)為指標來評價室溫疲勞性能。

公司在國內知名專（zhuān）家教授的引領帶動下，組建了一支國內******的超精密技術研發團隊，研發團隊（duì）在超精密機床的單元技術（shù）、切（qiē）削機理和工（gōng）藝、成套技術及應用工藝方麵具備豐富的技術經驗和實踐積累。可為（wéi）北（běi）京精密零件加（jiā）工，北（běi）京鋁合金異型件加工製（zhì）造相關（guān）產業提供優質（zhì）的技術服務（wù）。

2 結果（guǒ）與（yǔ）討（tǎo）論

2. 1 表麵完整性

零部件的表麵完整性直接影響其（qí）使用（yòng）性能，是航空領域評價零（líng）件加工表麵質量的重要指標。表麵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（tè）性[23]。本文重點研究機械加（jiā）工和電解（jiě）加工對 TC17 鈦合金表麵微觀形貌、輪（lún）廓、殘餘應力和近表麵顯微織構的影響。

2. 1. 1 表麵形（xíng）貌

從圖 2 可知，機械加工表（biǎo）麵有明顯的加工刀痕（hén），在刀具（jù）切削過程中局部還會不可避免地出現合金相脫落而造成的凹坑。電解加工表麵呈現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（biǎo）麵（miàn）局部還有明顯的（de）α相晶界，這可能是晶粒取向不同所致。

2. 1. 2 表麵粗糙度

表麵粗（cū）糙度是評估零（líng）件表麵完整性的主要參數之一。表麵粗（cū）糙度與疲勞性能之間密切聯係，一般粗糙度越大，局部應力集（jí）中越強烈（liè），越容易引發疲勞裂紋[24]。從圖 3 可知，機械加工表麵呈（chéng）現出機加刀痕的規則（zé）條紋（wén），電解加（jiā）工表麵則呈現出不規則的凹坑和尖峰。結合（hé）圖 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。機械加工後（hòu） TC17 鈦合（hé）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。機械加工是通過塑性變形、切（qiē）削作用等方式（shì）塑造表麵，與（yǔ）基體的合（hé）金相關係不大；電解加工則是依靠材料表麵的陽極溶解，不（bú）同合金相溶（róng）解速率的差異可能會導致局部表麵優先溶解。

從表麵粗糙度看，電解加工表麵更（gèng）粗糙，對 TC17 鈦合金疲勞性能的不（bú）利影響可（kě）能比機械（xiè）加工嚴重。但疲勞（láo）性能除了受到表麵粗糙度的影響，還（hái）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（ér）言，電解加工（gōng）的表麵尚未達到真正使用（yòng）的程度，還可通過後續處理（lǐ）(如振動光飾)來降（jiàng）低表麵粗糙度。

2. 1. 3 表麵殘餘應力

表麵殘（cán）餘應力對鈦合金疲勞性能的影響較大。一般而言，殘（cán）餘拉應力會顯著降低材料（liào）的疲勞極限（xiàn），令其疲勞壽命縮短；殘（cán）餘壓應力則能（néng）夠有效抑製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 可以發現，機械加工試樣表麵的殘餘應力（lì）波動較大，在壓應力和拉應力之間（jiān）跳躍，並且******值較大，說明機（jī）械加工（gōng）表麵的殘餘應力狀態不穩定。另外，機械加工試樣在距離表麵 10 ~ 20 μm 範圍內呈現殘餘拉應力（lì）狀態，***高達到了 500 MPa 左右，顯（xiǎn）然這種狀態非常不利於材料的疲勞性能。電解加工試樣（yàng）表麵基本呈殘餘壓應力，並且******值較小，說明電解加工表麵的殘餘應力較平（píng）穩，疲（pí）勞裂紋不容易形成和擴展，因此電解加工對材料的疲勞（láo）性能更有利（lì）。

2. 1. 4 晶粒取向

機械加工與電解（jiě）加工***大的區別在於材料的去除方式，對材（cái）料表麵晶粒取向造成的影（yǐng）響也就截然不同（tóng）。通過（guò）電（diàn）子背散射衍射分析零件表麵晶粒（lì）取向有助於（yú）研究兩種加工方式對材料性（xìng）能的影響。從圖 5 可知，機械加工試樣靠近表麵的區域存在大量細小晶粒，越（yuè）向內（nèi）部，晶（jīng）粒尺寸越大，直（zhí）到呈正常的板條狀 α 相晶粒組織。這表明機械加工令材（cái）料表麵發生了強烈的塑性變形，引起晶粒細化甚至破碎，變（biàn）形層深度約為 10 μm。電解加工試樣表麵（miàn）基本不存在細小晶粒區域，表明電解加工基本不會（huì）使晶粒組織產生塑性變（biàn）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（xiào）的（de）主要因素之一，其涉及到結構響（xiǎng）應、疲（pí）勞（láo）極限、疲勞壽命等。因此對於壓氣機葉片而（ér）言，室溫振動（dòng）疲勞性能是必須（xū）考察的重要性（xìng）能之一。室（shì）溫振動疲勞試（shì）驗結果表明，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（kě）見電解加工試樣的振動疲勞性（xìng）能（néng）優於機械加工試（shì）樣。為進一步研究加工方式對 TC17 鈦合金（jīn）振動疲勞的影響，采用掃描（miáo）電鏡觀察疲勞（láo）斷口（kǒu）形貌，結果如圖 6 所示（shì）。

從圖 6a 和（hé）圖 6b 可知，機械加工試樣在整個斷口上存（cún）在清晰的疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬斷區 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（láo）源（yuán）區較平（píng）整，周圍有明顯的放（fàng）射狀紋（wén）路；裂紋源則位於（yú）試樣表麵，存（cún）在明顯的（de）機（jī）械加工刀痕。結合圖 4 和圖 5，有理由認為機械加工（gōng）試樣表麵的刀痕處集中了較大的殘餘應力，是誘發疲（pí）勞裂紋的源頭。

從圖 6c 和圖 6d 可知，電解加工振動疲勞試樣的疲勞源區同樣位於試（shì）樣表麵，且表麵全區的形貌相近，未發現典型的疲勞源區和放射狀紋路。結合電解加工表（biǎo）麵基本呈現殘餘壓應力以及（jí）表麵晶粒取向與本體保持（chí）一致的情況，可以認（rèn）為電解加工試樣（yàng）的表麵不會（huì）產（chǎn）生（shēng）明顯的應（yīng）力集中，疲勞性能不受影響。

3 結論

(1) 相比於機械加工，TC17 鈦合金電解加工後的表麵不（bú）存在（zài）明顯的加工痕跡，表麵粗糙度略高，表麵殘餘應力普（pǔ）遍呈現為壓應力狀態且應（yīng）力值較為（wéi）平穩。另外，電解加工表麵不存在明顯的晶粒細化或（huò）破碎的變形層，晶粒取向（xiàng）與基體保持一致。

(2) TC17 鈦合金電解加工後的室溫振（zhèn）動疲勞壽命高於機械加工後，這可能是因為電解加工表麵在殘（cán）餘（yú）應（yīng）力及晶粒取向方麵都優於機械加工（gōng）表麵。

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