詹中偉 ，劉嘉，李海揚(yáng)，孫志華

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點實驗室，北京 100095； 2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

電解加工(ECM)技術(shù)作為國內(nèi)外航空航天制造業(yè)的一項關(guān)鍵技術(shù)，被廣發(fā)應(yīng)用于各種復(fù)雜零部件的加工[1-2]。然而整體構(gòu)件的電解加工一般都是分步進(jìn)行的，前后道加工的表面品質(zhì)不可避免地存在一些差異，因此電解加工后的零件往往還需要進(jìn)行振動光飾(VF)等處理，以保證零件表面品質(zhì)的統(tǒng)一。振動光飾是一種成熟的表面處理技術(shù)，主要用于對金屬零件去毛刺、棱邊倒圓、表面拋光等處理[3]。振動光飾常用于航空發(fā)動機(jī)葉片的加工，主要作為最后一道加工工序，以獲得所需的表面粗糙度，提高葉片近表面的氣流效率[4]。王欣等人[5]研究了TC17鈦合金葉片在制造過程中的表面完整性，發(fā)現(xiàn)振動光飾處理能夠消除葉片噴丸處理產(chǎn)生的彈坑，將鈦合金的表面粗糙度降到0.2 μm以下。楊嵩等人[6]研究了振動光飾設(shè)備、磨劑和磨料類型對鋁硅涂層葉片表面完整性的影響，在較佳工藝條件下振動光飾后鋁硅涂層葉片表面粗糙度降至0.5 μm。Zhang等人[7]研究了Ti-6Al-4V葉片在加工過程中殘余應(yīng)力的三維模型和重構(gòu)規(guī)律，分析了振動光飾在葉片加工中的作用和影響。 Wong等人[8]研究了振動頻率對Ti-6Al-4V鈦合金振動光飾加工效率和加工效果的影響，發(fā)現(xiàn)振動頻率為75 Hz時，振動光飾的加工周期約縮短80%。

本文在前期研究[9]的基礎(chǔ)上，對預(yù)先進(jìn)行電解加工的某型號發(fā)動機(jī)鈦合金整體葉盤用TC17鈦合金進(jìn)一步施加振動光飾處理，研究了振動光飾對TC17鈦合金表面完整性和力學(xué)性能的影響，為電解加工技術(shù)的深入應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)見表1。

表1 TC17鈦合金的化學(xué)成分 Table 1 Composition of TC17 titanium alloy

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 振動光飾

振動光飾采用直徑2 ～ 4 mm的球形剛玉磨料，振動頻率50 Hz，電機(jī)功率1.5 kW，時間約30 min。

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 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 拉伸試驗

采用圖1所示的板狀試樣，先分別進(jìn)行電解加工和電解加工+振動光飾處理，接著按照HB 5143-1996《金屬室溫拉伸試驗方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗，以抗拉強(qiáng)度(σb)和屈服強(qiáng)度(σ0.2)為指標(biāo)來評價不同加工工藝對TC17鈦合金室溫拉伸性能的影響。

圖1 室溫拉伸試樣示意圖 Figure 1 Schematic diagram of room-temperature tensile testing specimen

1. 3. 3 振動疲勞試驗

采用圖2所示的板狀試樣，先分別進(jìn)行電解加工和電解加工+振動光飾處理，接著按照HB 5277-1984 《發(fā)動機(jī)葉片及材料振動疲勞試驗方法》進(jìn)行室溫振動疲勞試驗，以試樣的疲勞壽命(N)為指標(biāo)來評價不同加工工藝對TC17鈦合金室溫疲勞性能的影響。

圖2 室溫振動疲勞試樣示意圖 Figure 2 Schematic diagram of room-temperature vibration fatigue testing specimen

2 結(jié)果與討論

2. 1 表面完整性

2. 1. 1 表面形貌

從圖3可知，電解加工試樣表面密布大量針狀組織。進(jìn)一步振動光飾后針狀組織消失，僅剩下輕微的劃痕和局部凹陷，整個表面較為平坦。

圖3 TC17鈦合金分別經(jīng)過電解加工(a)和電解加工+振動光飾(b)后的形貌 Figure 3 Surface morphologies of TC17 titanium alloy after ECM (a) and ECM+VF (b), respectively

2. 1. 2 表面粗糙度

從圖4可知，TC17鈦合金經(jīng)電解加工后，表面有大量凸起和凹陷，并且凸起區(qū)域呈現(xiàn)連線狀，Ra約為1.187 μm。進(jìn)一步振動光飾后，表面非常平坦，僅有少量點狀凸起，Ra降低到0.346 μm。這表明振動光飾能夠有效去除電解加工后試樣表面的不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)，顯著提升了TC17鈦合金的表面品質(zhì)。

圖4 TC17鈦合金分別經(jīng)過電解加工(a)和電解加工+振動光飾(b)后的三維輪廓 Figure 4 Three-dimensional profiles of TC17 titanium alloy after ECM (a) and ECM+VF (b), respectively

2. 1. 3 表面殘余應(yīng)力

如圖5所示，電解加工后TC17鈦合金表面基本處于殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，僅在10 ～ 20 μm深度區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)拉應(yīng)力，整體應(yīng)力水平較低，縱向的變化也不大，說明電解加工試樣表面殘余應(yīng)力較平穩(wěn)。進(jìn)一步振動光飾后，TC17鈦合金表面從外向內(nèi)深度約30 μm的區(qū)域內(nèi)都呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，并且相同位置的殘余壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于電解加工試樣，最表層的殘余壓應(yīng)力高達(dá)540 MPa。這主要是因為振動光飾過程中，磨料持續(xù)對鈦合金表面施加作用，產(chǎn)生擠壓的塑性變形。在深度為40 ～ 60 μm的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，可能是因為振動光飾的磨料作用較弱，難以深入到基體材料內(nèi)部。更深的區(qū)域內(nèi)殘余應(yīng)力逐漸回落至壓應(yīng)力狀態(tài)，最終與單純電解加工的狀態(tài)趨于一致?？傮w而言，振動光飾能夠明顯提高電解加工表面的殘余壓應(yīng)力，這將給零件的抗疲勞性能帶來有利影響。

圖5 TC17鈦合金分別經(jīng)過電解加工和電解加工+振動光飾后表面不同深度的殘余應(yīng)力 Figure 5 Residual stresses of TC17 titanium alloy at different depths after ECM and ECM+VF, respectively

2. 1. 4 晶粒取向

從圖6可知，電解加工試樣表面無明顯的細(xì)碎晶粒。進(jìn)一步振動光飾后大部分區(qū)域的晶粒都維持了原有的尺寸，局部出現(xiàn)細(xì)碎晶粒，表明TC17鈦合金經(jīng)電解加工再振動光飾后只有略微的塑性變形，對晶粒取向的影響不大。

圖6 TC17鈦合金分別經(jīng)過電解加工(a)和電解加工+振動光飾(b)后的晶粒取向 Figure 6 Grain orientations of TC17 titanium alloy after ECM (a) and ECM+VF (b), respectively

2. 2 室溫拉伸性能

從表1可知，電解加工試樣和電解加工+振動光飾試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都非常接近，說明振動光飾對TC17鈦合金的室溫拉伸性能影響不大。

表2 TC17鈦合金分別經(jīng)過電解加工和電解加工+振動光飾后的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度 Table 2 Tensile strength and yield strength of TC17 titanium alloy after ECM and ECM+VF, respectively

2. 3 室溫振動疲勞性能

從表3可知，電解加工試樣在380 MPa應(yīng)力下的平均對數(shù)疲勞壽命約為6.18，電解加工+振動光飾試樣在500 MPa應(yīng)力下的平均對數(shù)疲勞壽命約為6.23，二者的相對誤差在5%以內(nèi)，可以認(rèn)為它們的疲勞壽命相當(dāng)。這表明在疲勞壽命相當(dāng)?shù)那闆r下，電解加工+振動光飾試樣所需的應(yīng)力比單純電解加工試樣提高了約32%，也就是說前者的室溫振動疲勞性能更優(yōu)。

表3 TC17鈦合金分別經(jīng)過電解加工和電解加工+振動光飾后的室溫振動疲勞性能 Table 3 Room-temperature vibration fatigue testing results of TC17 titanium alloy after ECM and ECM+VF

通過分析振動疲勞試樣斷口形貌能夠進(jìn)一步揭示振動光飾處理對電解加工試樣疲勞性能的提升效果。從圖7a和圖7b可知，電解加工試樣的疲勞斷口存在清晰的單一疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3種典型區(qū)域。疲勞源位于邊角，如圖7a箭頭所示。將源區(qū)局部放大可見疲勞源位于試樣表面，如圖7b圓圈處所示。

進(jìn)一步振動光飾后，電解加工疲勞試樣仍然為單一疲勞源區(qū)，但其位于試樣平面位置，而非邊角，如圖7c箭頭所示。將源區(qū)放大觀察可見疲勞源并非完全位于試樣表面，而是在表面以下10 ～ 20 μm處，如圖7d箭頭所示。

一般而言，板狀振動疲勞試樣的邊角區(qū)域應(yīng)力集中，往往成為疲勞裂紋萌生的位置。雖然電解加工對材料的溶解過程不會產(chǎn)生明顯的尖銳邊角，但邊緣處仍然比平坦表面更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這也是圖7a裂紋始于邊角的原因。經(jīng)過振動光飾后，良好的表面狀態(tài)顯著降低了邊角萌生裂紋的概率。另外，結(jié)合圖5可知振動光飾處理的表面具有較大的壓應(yīng)力，這也使得裂紋源發(fā)生在內(nèi)部，而非表面。

圖7 TC17鈦合金經(jīng)過電解加工(a、b)和電解加工+振動光飾(c、d)室溫振動疲勞試樣的斷口形貌 Figure 7 Fracture morphologies of TC17 vibration fatigue specimens after ECM (a, b) and ECM+VF (c, d), respectively

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)過振動光飾處理后，TC17鈦合金電解加工的表面微觀形貌更為平整，粗糙度大幅降低，表面呈現(xiàn)較大的殘余壓應(yīng)力狀態(tài)；表層塑性變形較小，對晶粒取向影響不大。

(2) 振動光飾處理對TC17鈦合金電解加工試樣的室溫拉伸性能影響不大，但電解加工+振動光飾試樣的室溫振動疲勞性能比電解加工試樣好。