張志金，張明岐，李紅英，程小元，黃明濤

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京100024）

隨著航空發(fā)動機制造技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機典型熱端部件不僅要求構(gòu)件具有長壽命、可靠性，而且對材料性能及使用溫度提出了更高的要求。因此，各種耐高溫材料（如鈦合金、鎳基高溫合金、金屬間化合物 Ti3Al、Ti2AlNb）逐漸得到廣泛應(yīng)用，大幅提高了航空發(fā)動機零部件的使用溫度和服役壽命。但是，由于材料的可加工性差，制造成本和難度均提高，而傳統(tǒng)的機械加工普遍存在成本高、周期長、變形難以控制的問題，給工程化生產(chǎn)帶來了難題。

電解加工屬于冷加工技術(shù)，是利用電化學(xué)陽極溶解的原理并借助于成形的陰極，將工件按照一定形狀和尺寸加工成形的一種加工方法[1]，具有加工范圍廣、加工效率高、加工成本低、表面完整性好等技術(shù)特點[2-4]，且能解決難加工材料在機械加工方面遇到的上述問題。然而，國內(nèi)研究機構(gòu)對電解加工技術(shù)表面完整性的重視程度不夠，相關(guān)研究工作開展較少，缺乏系統(tǒng)性的研究及完整的工藝性能數(shù)據(jù)庫，無法準(zhǔn)確評估電解加工技術(shù)對構(gòu)件表面完整性的影響。隨著電解加工技術(shù)的發(fā)展，尤其是精密電解加工技術(shù)的出現(xiàn)，難加工材料構(gòu)件的電解終成形加工成為可能。目前，先進(jìn)航空發(fā)動機的一些關(guān)重件在設(shè)計過程中已把電解加工技術(shù)作為難加工材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高效、低成本加工的一條重要途徑。因此，迫切需要深入開展電解加工技術(shù)對典型材料表面完整性的影響研究，建立電解加工技術(shù)表面完整性的評定方法，形成完善的工藝、性能數(shù)據(jù)庫，為設(shè)計、制造提供有效的數(shù)據(jù)支持。

1 電解加工技術(shù)的表面完整性

表面完整性[5]（surface integrity，SI）是表征、評價和控制加工過程中被加工零件表面層內(nèi)可能產(chǎn)生的各種變化及對最終產(chǎn)品使用性能影響的一個綜合性指標(biāo)。目前，國際通用的表面完整性評定方法主要采用最小數(shù)據(jù)組（minimum si data set）、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)組（stadard si data set）及擴展數(shù)據(jù)組（extended si data set）三種數(shù)據(jù)組表征和評價被加工表面的性能特征[6-7]。而電解加工是一個復(fù)雜的過程，影響因素較多，傳統(tǒng)機械加工工藝的表面完整性評價方法對電解加工技術(shù)并不完全適用，故需針對電解加工技術(shù)的表面完整性開展詳細(xì)、全面的研究。

按照上述國際通用的表面完整性評價方法，電解加工技術(shù)的表面完整性最小數(shù)據(jù)組包括幾何形狀誤差、低倍組織、微觀組織、表面粗糙度、顯微硬度、氫含量（鈦合金）等數(shù)據(jù)；標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)組在最小數(shù)據(jù)組的基礎(chǔ)上增加了性能測試，包括疲勞強度、疲勞極限測試及殘余應(yīng)力（大小、方向、分布情況）等；擴展數(shù)據(jù)組在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)組的基礎(chǔ)上增加了特定條件下的應(yīng)力腐蝕試驗、設(shè)計的疲勞試驗數(shù)據(jù)、各種補充的機械試驗數(shù)據(jù)（如拉伸試驗、蠕變試驗、裂紋擴展試驗、應(yīng)力破壞試驗等）。典型的表征參數(shù)及手段見表 1～表5。

表1 低倍組織（小于10倍）的表征參數(shù)及手段

表2 微觀組織的表征參數(shù)及手段

表3 表面粗糙度的表征參數(shù)及手段

表4 顯微硬度的表征參數(shù)及手段

表5 殘余應(yīng)力的表征參數(shù)及手段

值得注意的是，由于電解加工過程復(fù)雜、涉及因素眾多，故需針對典型材料（如高溫合金、鈦合金、金屬間化合物等）、典型構(gòu)件詳細(xì)分析電解加工過程中各主要加工參數(shù)對表面完整性的影響規(guī)律。同時，還應(yīng)考慮其他因素（如電解液溫度、電導(dǎo)率、原始材料的組織、熱處理狀態(tài)等）的影響，經(jīng)大量實驗驗證，確定各種典型條件下的參數(shù)選擇范圍和適用標(biāo)準(zhǔn)，從而建立電解加工技術(shù)表面完整性的評價體系，加快電解加工技術(shù)在航空發(fā)動機典型結(jié)構(gòu)件加工過程中的應(yīng)用進(jìn)程。

2 國外研究進(jìn)展

歐美等發(fā)達(dá)國家開展電解加工技術(shù)表面完整性的研究較早，美國于20世紀(jì)60年代率先提出了表面完整性的概念，不久就已形成了工藝標(biāo)準(zhǔn)，并在航空發(fā)動機整體葉盤、機匣等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的電解加工方面成功實現(xiàn)了工程化應(yīng)用。電解加工技術(shù)表面完整性的研究也主要集中在GE公司和少數(shù)高校，其中GE公司研究得較全面，其針對航空發(fā)動機典型材料（如鎳基高溫合金、鈦合金等）開展了電解加工技術(shù)表面完整性的研究[8]，形成了較完善的工藝性能數(shù)據(jù)庫，并針對鈦合金電解加工過程中的吸氫情況等做了詳細(xì)闡述。

在電解加工過程中，合理地選擇加工參數(shù)至關(guān)重要。參數(shù)選擇不合適，可能會出現(xiàn)點蝕、選擇性腐蝕、晶間腐蝕等缺陷；參數(shù)選擇合適，能獲得良好的加工表面，甚至能達(dá)到鏡面狀態(tài)。GE公司針對Udiment 500高溫合金材料，采用NaCl電解液進(jìn)行加工，明確了典型加工參數(shù)下的點蝕及晶間腐蝕情況；同時指出，即使是在鹽溶液下，鋼件表面也并不一定會出現(xiàn)點蝕和晶間腐蝕。如果加工參數(shù)合適，可獲得良好的電解加工表面（圖1a）；低電流密度或集中蝕除能力不強有可能導(dǎo)致晶間腐蝕（圖1b），進(jìn)而導(dǎo)致材料的疲勞性能急劇下降，因此應(yīng)該避免晶間腐蝕的產(chǎn)生。

圖1 Udiment 500高溫合金的電解加工

與傳統(tǒng)的機械加工不同，電解加工過程中進(jìn)給速度越快，電流密度越高，表面完整性越好。這是由于高電流密度會減小材料內(nèi)部晶粒間的微小差異，趨向于均勻溶解；而低電流密度會放大這種差異，主要體現(xiàn)在表面粗糙度的差異。針對材料在酸性電解液條件下電解加工的表面完整性研究，GE公司的研究結(jié)果指導(dǎo)了高溫合金在酸性電解液下的加工（圖 2）。

圖2 Udiment 700高溫合金的電解加工

在電解加工過程中，研究人員易忽視原材料狀態(tài)對電解加工過程及表面完整性的影響。實際上，材料的熱處理狀態(tài)對電解加工的表面完整性也有影響。GE公司針對不同熱處理狀態(tài)下的Inco718高溫合金在NaCl電解液中進(jìn)行電解加工的材料表面狀態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明材料的熱處理狀態(tài)會影響表面完整性（圖3）。

圖3 不同熱處理狀態(tài)下的選擇性腐蝕情況

針對鈦合金在NaCl電解液中進(jìn)行電解加工的表面情況，尤其是TC4鈦合金表面的點蝕情況進(jìn)行了研究（圖4），結(jié)果表明選擇合適的電解液及高電流密度，能減少甚至消除點蝕。

圖4 TC4鈦合金點蝕

電解加工參數(shù)選擇不合理，易造成短路燒傷，損傷陰極，同時燒傷區(qū)瞬間溫度過高，有可能導(dǎo)致基體出現(xiàn)裂紋和組織變化。通過合理選擇加工參數(shù)及短路保護(hù)設(shè)計可有效避免短路燒傷。GE公司針對航空發(fā)動機典型材料 （如Inco718高溫合金、TC4鈦合金、René合金等），研究了電解加工過程中短路燒傷情況下的材料表面微觀組織與微裂紋的變化情況（圖 5～圖 7）。

圖5 Inco718電解加工短路造成的微裂紋

圖6 TC4鈦合金短路燒傷形成的缺陷（×40）

圖 7 René41 短路燒傷情況（×500）

針對電解加工鈦合金過程中的工件表面吸氫情況，GE公司也做了研究，其研究結(jié)果表明：目前無證據(jù)證明在電解加工過程中會產(chǎn)生吸氫，流動的電解液會迅速帶走產(chǎn)生的氫氣，同時金屬的去除速度也會保護(hù)工件不會吸氫。另外，針對不同加工工藝對典型材料的高周疲勞性能的影響進(jìn)行了對比分析，并給出了具體的數(shù)值比較分析（圖8～圖9）。

英國學(xué)者也開展了電解加工技術(shù)表面完整性的研究。Clifton等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)不同電解液種類對γ-TiAl電解加工試樣表面粗糙度的影響很大，且高氯酸鹽電解液下獲得的表面粗糙度較差（圖10）。

圖8 Inco718在不同加工工藝時的高周疲勞性能

圖9 Inco718在不同加工工藝及后續(xù)處理后的高周疲勞性能

圖10不同電解液對表面粗糙度的影響

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)針對電解加工技術(shù)表面完整性的研究起步較晚，與國外相比存在一定的差距。目前，針對電解加工技術(shù)表面完整性的研究主要集中在少數(shù)幾家單位，且其研究只停留在最小數(shù)據(jù)組方面，研究內(nèi)容主要集中在表面粗糙度、微觀形貌的定性研究層次，尚未開展深入的研究。同時，在研究過程中缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識和規(guī)范，沒有形成完整的工藝數(shù)據(jù)庫及性能數(shù)據(jù)庫，尚未制定統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)和方法，無法為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

楊怡生等[11]針對電解加工TC4、TC9鈦合金材料的電解液進(jìn)行了初選實驗，研究了點蝕的形成及其影響因素，同時研究了TC4、TC9在電解加工后的表面形貌，未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕情況。史業(yè)君[12]對鈦合金葉片電解加工后的表面粗糙度、點蝕、燒傷及吸氫等進(jìn)行了研究，提出了改善鈦合金電解加工技術(shù)表面完整性的措施。圖11是TC4鈦合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%NaCl+10%NaNO3電解液中加工后出現(xiàn)的選擇性腐蝕現(xiàn)象。圖12是鈦合金葉片短路燒傷裂紋。

同時，對中性鹽溶液中的TC4、TC6鈦合金葉片電解加工前后的氫含量進(jìn)行測定，加工前氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.0012%～0.002%，加工后為0.0033%～0.0045%，氫含量略有增加，但未達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的鈦合金中氫含量不大于0.015%的要求。

中國航空制造技術(shù)研究院多年來一直從事電解加工技術(shù)的研究，在電解加工技術(shù)表面完整性研究方面起步相對較早，并在鈦合金、高溫合金等難加工材料電解加工技術(shù)表面完整性的研究工作中取得了一定的成果。

圖11 TC4選擇性腐蝕（×250）

圖12 TC4表面燒蝕裂紋（×1000）

（1）利用電解套料加工技術(shù)完成了TC17鈦合金整體葉盤大扭曲葉片的高效電解加工，研究了不同參數(shù)下的葉片表面微觀組織形貌，均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕、選擇性腐蝕等微觀缺陷（圖13）。

（2）利用精密振動電解加工技術(shù)，在中性鹽溶液中完成了GH4169、GH4169G高溫合金整體葉盤葉片的精密終成形加工，并對葉片表面組織形貌進(jìn)行了觀察，均未發(fā)現(xiàn)點蝕、晶間腐蝕和選擇性腐蝕等缺陷（圖 14）。

（3）針對TC17鈦合金葉片在中性鹽溶液中進(jìn)行電解加工前后的氫含量進(jìn)行了研究，電解加工前氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0016%，加工后為0.0018%，氫含量變化不大，也未見明顯的吸氫現(xiàn)象，且接近國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.015%的要求。

總之，目前國內(nèi)在電解加工技術(shù)表面完整性方面的研究成果較少，也一定程度上反映了國內(nèi)研究機構(gòu)在這方面的重視程度不夠。未來，電解加工技術(shù)要實現(xiàn)工程化應(yīng)用，必須大力開展表面完整性的研究，形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，為設(shè)計、工藝、制造提供技術(shù)支持。

4 結(jié)論與建議

航空發(fā)動機典型材料、構(gòu)件電解加工技術(shù)表面完整性研究對提高航空發(fā)動機的經(jīng)濟性、可靠性和可維修性具有重要意義，是我國先進(jìn)航空發(fā)動機研制過程中必需解決的一個重要問題。目前，國內(nèi)對電解加工技術(shù)表面完整性缺乏系統(tǒng)的研究，缺少相應(yīng)的規(guī)范及完整的數(shù)據(jù)庫。電解加工技術(shù)對組織、性能的影響模式及影響程度等數(shù)據(jù)積累很少，設(shè)計單位缺少對電解加工技術(shù)表面完整性要求的依據(jù)，影響和制約了我國電解加工技術(shù)的工程化應(yīng)用及發(fā)展。因此，針對電解加工技術(shù)表面完整性的研究提出以下幾點建議：

圖13 TC17鈦合金葉片電解加工

圖14 高溫合金葉片電解加工（中性鹽溶液）

（1）加大對電解加工技術(shù)表面完整性研究的重視程度，加強設(shè)計、工藝、制造等相關(guān)部門的溝通與交流，從設(shè)計性、科學(xué)性、合理性、工藝應(yīng)用性等方面進(jìn)行梳理，補充相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地開展電解加工技術(shù)表面完整性研究。

（2）建議以典型難加工材料（如鈦合金、高溫合金、金屬間化合物）、典型關(guān)重件（如整體葉盤、機匣、葉片）為研究對象，開展電解加工技術(shù)表面完整性研究，確定電解加工技術(shù)對典型難加工材料、典型構(gòu)件的表面完整性影響程度，并確定工藝參數(shù)的應(yīng)用范圍，從設(shè)計、工藝、制造方面制定電解加工技術(shù)表面完整性的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

（3）由于電解加工后的構(gòu)件表面為自由應(yīng)力狀態(tài)，因此必須重視并研究后續(xù)處理工藝，如噴丸強化、激光強化、振動光飾等工藝對構(gòu)件表面完整性及疲勞性能的影響，開展系統(tǒng)的對比研究，同時確定各工藝的適用范圍，制定相關(guān)工藝規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。