孫宇博，丘珍珍

（中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津300300）

電解加工中電解液對鈦合金TC4型面加工質量的影響研究

孫宇博，丘珍珍

（中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津300300）

研究了電解加工中不同組分電解液對鈦合金TC4工件表面成形質量的影響。通過試驗對比分析得出：在質量分數(shù)15%NaBr+10%NaCl電解液中，電解加工TC4試樣可獲得較好的表面質量，加工表面光滑且有金屬光澤，表面粗糙度為Ra1.421μm；同時，不同組分電解液對加工工件亞表面層的影響均不大。研究結果為民航發(fā)動機鈦合金制的零部件維修提供了技術儲備。

電解加工；鈦合金TC4；電解液

鈦合金具有強度高、耐蝕性好、耐高溫等特性，是航空發(fā)動機核心零部件的主要材料之一。它屬于難切削材料，故以傳統(tǒng)機加工的銑削技術加工其型面會增大刀具損耗，且加工難度較高，還易造成工件表面燒傷、加工變形及殘余應力過大等不良影響，這會影響航空發(fā)動機運行的穩(wěn)定性及安全性。

電解加工是基于電化學過程的陽極溶解原理，借助預先制備成形的特殊陰極將工件按一定的形狀和尺寸加工成形的工藝方法［1-2］。其采用的工具陰極與工件以非接觸方式進行加工，能有效避免傳統(tǒng)機加工帶來的二次損傷。近年來，電解加工技術已逐步應用于小型精密零件加工領域。Kim采用微細電解加工技術加工出微細群孔、窄槽、微棱柱等結構［3］。徐惠宇等在超短脈沖電解加工的基礎上，采取工具往復運動方式及用微棒狀電極仿造數(shù)控銑削方式，在鎳板上電解加工出復雜的幾何輪廓［4］，并制造出掃描探針顯微鏡針尖和微細電火花、微細沖壓加工所需的微細棒狀工具。

本文通過試驗研究了不同組分電解液對鈦合金TC4型面加工質量的影響。由于鈦合金具有自鈍化特性，表面易形成鈍化膜，且具有強保護特點，因此，針對電解加工表面鈍化膜的蝕除，電解液成分及其濃度是評價電解加工表面質量的關鍵因素。

1 電解加工試驗方案

試樣在電解加工試驗前均需進行表面打磨處理，用砂紙打磨到1500#，使其表面光滑平整，無明顯劃痕；再用酒精擦拭去除表面油跡污漬，在室溫環(huán)境中自然干燥。電解加工后，需用去離子水沖洗試樣表面，去除電解加工腐蝕產(chǎn)物，在室溫環(huán)境中自然干燥后，方可測定其表面質量。

試驗共設計了6種電解液，其成分見表1。電解工藝參數(shù)為：電流密度20～50 A/cm2，電源輸出頻率25 Hz，加工時間5～60 s。試樣加工表面質量測定方法為：用激光共聚焦顯微鏡測定表面形貌及表面粗糙度；用顯微硬度計測量表面硬度，確定是否存在亞表面受擾材料層。

表1 鈦合金TC4電解加工用電解液成分

2 試驗結果分析

2.1 鈦合金表面氧化膜的構成

當鈦合金裸露在含氧溶液或空氣中時，極易被氧化而形成一層氧化物保護膜覆蓋于金屬表面，從而導致金屬的化學性質變得不活潑而成為鈍化狀態(tài)，這就是鈦合金的自鈍化特性。電解加工鈦合金時，鈦合金陽極表面在自鈍化膜的基礎上進一步被氧化成不同價態(tài)的氧化物保護膜，即陽極鈍化膜，使其鈍性進一步加強，這就是鈦合金的陽極鈍化特性［4］。經(jīng)X射線光電子能譜分析表明，陽極鈍化膜是包含各種價態(tài)的鈦的氧化物，如Ti3O5、TiO、Ti2O3、TiO2，且不同氧化物的多層結構沒有明顯的分界線。根據(jù)能譜結果獲得的鈦合金電解加工表面氧化膜的種類及成分見表2。

表2 鈦合金表面氧化膜的種類及成分

2.2 未電解加工的試樣表面形貌特征

未電解加工的試樣表面形貌特征見圖1，能清晰地發(fā)現(xiàn)試樣表面有打磨造成的微劃痕，選定區(qū)域的平均表面粗糙度值為Ra3.122μm。

圖1 未電解加工的試樣表面形貌特征

2.3 不同濃度電解液的電解加工結果及分析

（1）質量分數(shù)10%NaCl溶液

圖2是用質量分數(shù)10%NaCl電解液電解加工TC4得到的試樣表面形貌特征。可看出，銀灰色膜是自鈍化氧化膜，說明鈦合金表面的自鈍化膜在Cl-的點蝕作用下，電解液不斷地由表面向內(nèi)部滲透，裸露的鈦合金表面快速形成新的自鈍化膜后，又在Cl-的作用下形成新的點蝕坑，從而形成麻點很多的加工表面。從圖中還可得知，加工表面復制精度較好，平均表面粗糙度值為Ra3.281μm，與未電解加工的試樣相差不大；而表面粗糙度值略有增大主要是因表面點蝕嚴重所致。

圖2 10%NaCl電解液加工的試樣表面形貌特征

（2）質量分數(shù)10%NaNO3溶液

圖3是用質量分數(shù)10%NaNO3電解液電解加工TC4得到的試樣表面形貌特征?？煽闯?，試樣表面呈藍紫色，局部的暗紫膜和少量黑色膜表明加工表面是以Ti2O3和Ti3O5為主的陽極鈍化膜，且表面麻點很多，說明該電解液無法有效去除加工表面的鈍化膜，阻礙了電解加工的進行。從圖中還可得知，加工表面凹凸不平，平均表面粗糙度值為Ra6.746 μm，與前述相比明顯增大，說明該電解液影響了電解加工陽極表面的復制精度。

圖3 10%NaNO3電解液加工的試樣表面形貌特征

（3）質量分數(shù)10%NaNO3+10%NaCl溶液

圖4是用質量分數(shù)10%NaNO3+10%NaCl電解液電解加工TC4得到的試樣表面形貌特征?？煽闯觯庸け砻娉首厣?、蝕除凹坑直徑大、有不規(guī)則的黑色氧化膜、出現(xiàn)雜散腐蝕現(xiàn)象、無金屬光澤，且加工表面是以TiO2和Ti3O5為主的氧化膜。與質量分數(shù)10%NaCl電解液加工相比，表面點蝕情況得以緩解，但能明顯看出表面凹坑形貌，平均表面粗糙度值達Ra10.594μm，說明該電解液造成加工區(qū)域不均勻，陽極型面復制精度很差。

圖4 10%NaNO3+10%NaCl電解液加工的試樣表面形貌特征

（4）質量分數(shù)10%NaNO3+5%NaClO3溶液

圖5是用質量分數(shù)10%NaNO3+5%NaClO3電解液電解加工TC4得到的試樣表面形貌特征?？煽闯觯庸け砻娉仕{色氧化膜，表明是以Ti3O5為主的陽極鈍化膜，且表面雜散腐蝕嚴重。與質量分數(shù)10 %NaNO3電解液加工相比，添加NaClO3可促使更多的Ti2O3轉變?yōu)門i3O5，使加工表面呈藍色陽極鈍化膜。從圖中還可得知，平均表面粗糙度值為Ra10.575μm，加工區(qū)域不平整，陽極型面復制精度不高。

圖5 10%NaNO3+5%NaClO3電解液加工的試樣表面形貌特征

（5）質量分數(shù)10%NaCl+15%NaClO3溶液

圖6是用質量分數(shù)10%NaCl+15%NaClO3電解液電解加工TC4得到的試樣表面形貌特征?？煽闯觯庸け砻娉屎谏趸?，且有少量金黃色氧化膜，表明加工區(qū)域是以Ti3O5和TiO為主的陽極鈍化膜，仍未出現(xiàn)裸露的鈦合金金屬表面。由圖還可得知，表面極不平整，平均表面粗糙度值為Ra7.372 μm，陽極型面復制精度不高。

圖6 10%NaCl+15%NaClO3電解液加工的試樣表面形貌特征

（6）質量分數(shù)15%NaBr+10%NaCl溶液

圖7是用質量分數(shù)15%NaBr+10%NaCl電解液電解加工TC4得到的試樣表面形貌特征。可看出，表面點蝕較少，且呈現(xiàn)金屬光澤，說明該電解液可有效去除鈦合金表面的自鈍化膜和陽極鈍化膜；但電解液流痕紋路清晰可見。通常，流痕紋路大多產(chǎn)生于裸露的金屬表面，在有氧化膜的金屬表面會以雜散腐蝕特征出現(xiàn)，由此可說明該電解液能提高電解加工效率。而流痕紋路的問題主要是由于電解液出口壓力及流場分布不均勻所造成的，在后續(xù)試驗過程中，可通過調整電解液出口壓力及分析流場分布來解決此問題。由圖還可知，局部加工區(qū)域表面光滑平整，平均表面粗糙度值達Ra1.5μm以下，比原始試樣降低2倍，達到了很好的加工效果。

圖7 15%NaBr+10%NaCl電解液加工的試樣表面形貌特征

經(jīng)上述試驗發(fā)現(xiàn)，Cl-的點蝕作用明顯，無法得到光滑平整的加工表面；Br-也屬于活性離子，且其活性比Cl-大；在Br-和Br-+Cl-的復合電解液中，鈦合金的溶解性能比在Cl-單組分電解液中效果好。NO3-和ClO3-屬于鈍化離子，在陽極工件表面起氧化、鈍化作用；在NO3-、ClO3-的電解液中，鈦合金會受到陽極鈍化膜的干擾進行活化溶解，加工表面凹凸不平且粗糙，凹處呈活化態(tài)，凸處為陽極鈍化膜。因此，單組分的電解液無法得到高質量的電解加工表面，而復合電解液中的鈍性和活性陰離子有相互補償作用，極易達到均勻活化溶解或均勻超鈍化溶解狀態(tài)，且合適的配比能使電解液達到更優(yōu)的加工性能。

2.4 硬度分析

硬度分析試驗主要考察電解加工后的工件亞表面是否有受擾材料區(qū)。分析發(fā)現(xiàn)，各組分電解液電解加工后的試件表面硬度基本在310 HV左右（圖8），說明電解加工對亞表面區(qū)域的影響不是很大。質量分數(shù)10%NaNO3+10%NaCl電解液加工后的工件表面硬度為298 HV，主要是由于加工表面粗糙度值太大、表面凹凸不平所致。后期仍需通過其他檢測手段進一步了解亞表面的質量情況。

圖8 各組分電解液加工的工件表面顯微硬度

3 結論

（1）質量分數(shù)15%NaBr+10%NaCl電解液能有效去除鈦合金TC4表面的鈍化膜，得到光滑平整、具有金屬光澤的加工表面，表面粗糙度值達Ra1.421μm，且工件表面硬度基本不變。

（2）Br-、Cl-的電解液能有效溶解鈦合金TC4表面的鈍化膜；NO3-、ClO3-屬于鈍化離子，能促使工件表面起氧化、鈍化反應。

（3）電解加工后的工件硬度基本不變，推測工件亞表面無電解加工受擾材料區(qū)。

（4）試驗過程中，工件表面的流痕紋路主要是流場分布及電解液流速不當引起的，后期可通過流場與電流分布模擬以及電解液出口壓力和流速的調整來解決此問題。

［1］徐家文，趙建社.航空發(fā)動機整體構件特種加工新技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.

［2］范植堅，李新忠，王天誠.電解加工與復合電解加工［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［3］Kim B H，Na CW，Lee Y S，et al.Micro electrochemical machining of 3Dmicro structure using dilute sulfuric acid［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2005，54（1）：191-194.

［4］徐惠宇，朱荻.微細群縫的精密電解加工研究［J］.中國機械工程，2004，15（21）：1912-1915.

Study on Influence of Electrolyte on Surface Quality of TC4W orkpiece in Electrochem ical M achining

Sun Yubo，Qiu Zhenzhen
（Tianjin Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

The influences of different components of electrolyte on the surface quality of TC4 workpiece in electrochemicalmachining are studied.The experiments and their analysis show that in the 15%NaBr+10%NaCl，electrochemicalmachined TC4 sample have better surface quality，machined surface is smooth and have lustre of metal，surface roughness is in Ra1.421μm.Meanwhile，the influences of distinct electrolyte are low on the surface quality.The results provide the technology reserves for themaintenance of titanium alloy parts in civil aviation engine.

electrochemicalmachining；TC4 titanium alloy；electrolyte

TG662

A

1009－279X（2015）05－0031-04

2015-07-24

中央高校基本科研業(yè)務費資助項目（3122015L002）

孫宇博，男，1983年生，研究實習員。