北京軍工零件加工廠220708-中國航發北京航

時間：2022-08-29 12:25:05 點擊：425次

電解加工對 TC17 鈦合金表面完整性及振動疲勞性能的影響

詹中偉 1, *，劉嘉 2 ，孫志華 1 ，李海揚 1 ，湯小軍 2 （1.中國航發北京航空材料研究院，航空材料******腐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，航空材料腐蝕防護技術研究。

論文編號：220708

發表期數：2022年第7期（四月上）

文章全文

鈦合金是******航空發動機的主要金屬材料之一，其比強度高、熱穩定性好、抗氧化及抗蠕變性能優異，是發動機風扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構件的******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能較差，僅次于鎳基高溫合金，加工效率和質量有限，在整體葉盤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點[4-5]。電解加工是基于金屬材料陽極溶解原理的加工技術，理論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(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。針對整體葉盤上復雜扭曲程度很高的葉片，電解加工技術能夠通過***佳工具運動軌跡識別技術，將電極準確送入狹窄的葉柵通道，***終實現葉盆和葉背型面的精密成型[6-8]。因此電解加工已經成為國內外航空發動機整體構件的重要加工技術之一，如 GE、羅羅和普惠公司的發動機均使用了電解加工的整體葉盤等復雜結構件。國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制原理、陰極設計、成型規律等進行了全面而深入的研究，并設計制造了國內首臺擁有自主知識產權的電解加工設備，引領了國內該技術的發展[9-16]。北京航空制造工程研究所[17-19]、中國航發黎明[20-21] 等單位在大型電解加工設備及應用方面都取得了實質性突破。

然而，國內目前的研究側重于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面完整性和力學性能方面的研究較少，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 鈦合金為研究對象，對比了電解加工和機械加工對其表面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 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(EBSD)分析樣品表面的顯微組織結構。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 殘余應力分析儀檢測樣品的殘余應力，正值代表殘余拉應力，負值代表殘余壓應力。

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。

公司在國內知名專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，研發團隊在超精密機床的單元技術、切削機理和工藝、成套技術及應用工藝方面具備豐富的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制造相關產業提供優質的技術服務。

2 結果與討論

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，是航空領域評價零件加工表面質量的重要指標。表面完整性不僅包括表面形貌特征[22]，還包括物理、冶金、化學等一系列特性[23]。本文重點研究機械加工和電解加工對 TC17 鈦合金表面微觀形貌、輪廓、殘余應力和近表面顯微織構的影響。

2. 1. 1 表面形貌

從圖 2 可知，機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不可避免地出現合金相脫落而造成的凹坑。電解加工表面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之一。表面粗糙度與疲勞性能之間密切聯系，一般粗糙度越大，局部應力集中越強烈，越容易引發疲勞裂紋[24]。從圖 3 可知，機械加工表面呈現出機加刀痕的規則條紋，電解加工表面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板條狀 α 相溶解后形成的凹槽。機械加工后 TC17 鈦合金的 Ra 約為 0.567 μm，而電解加工后的 Ra 達到 1.164 μm，顯著大于機械加工表面。機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導致局部表面優先溶解。

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械加工嚴重。但疲勞性能除了受到表面粗糙度的影響，還與表面殘余應力、晶型織構等多方面因素有關。另外從工程應用的角度而言，電解加工的表面尚未達到真正使用的程度，還可通過后續處理(如振動光飾)來降低表面粗糙度。

2. 1. 3 表面殘余應力

表面殘余應力對鈦合金疲勞性能的影響較大。一般而言，殘余拉應力會顯著降低材料的疲勞極限，令其疲勞壽命縮短；殘余壓應力則能夠有效抑制疲勞裂紋的萌生和發展，從而提高疲勞極限，延長疲勞壽命[25]。從圖 4 可以發現，機械加工試樣表面的殘余應力波動較大，在壓應力和拉應力之間跳躍，并且******值較大，說明機械加工表面的殘余應力狀態不穩定。另外，機械加工試樣在距離表面 10 ~ 20 μm 范圍內呈現殘余拉應力狀態，***高達到了 500 MPa 左右，顯然這種狀態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力，并且******值較小，說明電解加工表面的殘余應力較平穩，疲勞裂紋不容易形成和擴展，因此電解加工對材料的疲勞性能更有利。

2. 1. 4 晶粒取向

機械加工與電解加工***大的區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，機械加工試樣靠近表面的區域存在大量細小晶粒，越向內部，晶粒尺寸越大，直到呈正常的板條狀 α 相晶粒組織。這表明機械加工令材料表面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。電解加工試樣表面基本不存在細小晶粒區域，表明電解加工基本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，其涉及到結構響應、疲勞極限、疲勞壽命等。因此對于壓氣機葉片而言，室溫振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 1.99 × 105 和 1.52 × 106 。可見電解加工試樣的振動疲勞性能優于機械加工試樣。為進一步研究加工方式對 TC17 鈦合金振動疲勞的影響，采用掃描電鏡觀察疲勞斷口形貌，結果如圖 6 所示。

從圖 6a 和圖 6b 可知，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側，疲勞源區較平整，周圍有明顯的放射狀紋路；裂紋源則位于試樣表面，存在明顯的機械加工刀痕。結合圖 4 和圖 5，有理由認為機械加工試樣表面的刀痕處集中了較大的殘余應力，是誘發疲勞裂紋的源頭。

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于試樣表面，且表面全區的形貌相近，未發現典型的疲勞源區和放射狀紋路。結合電解加工表面基本呈現殘余壓應力以及表面晶粒取向與本體保持一致的情況，可以認為電解加工試樣的表面不會產生明顯的應力集中，疲勞性能不受影響。

3 結論

(1) 相比于機械加工，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，電解加工表面不存在明顯的晶粒細化或破碎的變形層，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疲勞壽命高于機械加工后，這可能是因為電解加工表面在殘余應力及晶粒取向方面都優于機械加工表面。

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