劉 萌，張明岐，黃明濤，程小元

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

隨著先進航空發(fā)動機對耐高溫力學性能和輕質(zhì)化的要求不斷增長，必須采用具有優(yōu)異力學性能和輕質(zhì)特點的材料和結構，并不斷發(fā)展先進的高效、精密制造技術來保證設計，通過改進工藝過程來提高可制造性以降低生產(chǎn)成本，而現(xiàn)有的材料和傳統(tǒng)加工技術面臨嚴峻挑戰(zhàn)。TiAl合金材料具有優(yōu)異的抗高溫力學性能、高比強度和抗蠕變性，阻燃性能幾乎與鎳基高溫合金相當，且密度僅為后者的一半，是一種極具潛力的輕型高溫結構材料，在航空發(fā)動機領域具有廣闊的應用前景。美國GE公司與英國羅·羅公司成功地將TiAl系金屬間化合物 （TiAl 4822）應用于航空發(fā)動機低壓渦輪葉片來替代鎳基高溫合金，已進行了超過數(shù)萬小時的安全飛行工作[1–2]。GE和普惠分別采用鑄造和鍛造得到具有一定余量的TiAl毛坯，再通過機加工實現(xiàn)葉片成形。但是由于TiAl合金材料作為金屬間化合物，室溫塑性、韌性及導熱性差，帶來了材料切削加工性能差、刀具壽命短、成本高的難題，大大限制了TiAl合金材料在航空發(fā)動機中的應用。

電解加工是一種非接觸式的冷加工工藝，利用電化學陽極溶解原理將工件按工具陰極的形狀和尺寸進行加工成形，具有工具陰極無消耗、加工無應力、加工效率高等特點，不受材料機械性能影響，適用于高溫合金、鈦合金、TiAl金屬間化合物等難加工材料的高效、精密加工[3]。Klocke等[4]對比了電子束選區(qū)熔化和精密澆鑄等不同工藝下制備的TiAl金屬間化合物與鈦合金的電化學加工特性，研究表明，TiAl的溶解速度高于普通的鈦合金材料，證明了采用電化學方法加工TiAl材料的經(jīng)濟性。張安等[5]開展了TiAl 4822金屬間化合物和SS304不銹鋼材料在NaNO3溶液中的電化學溶解特性研究和兩種材料的葉片電解加工試驗，對比分析了材料溶解特性差異對加工表面質(zhì)量和加工精度的影響。顧大維等[6]針對TiAl 4822金屬間化合物采用脈沖電解加工方法進行了參數(shù)優(yōu)化研究，利用層次分析法優(yōu)選了多項工藝指標參數(shù)組并進行了試驗驗證。Clifton等[7]對比了TiAl材料在不同電解液中的加工特性，并對同種材料電解加工和車削加工的表面物理性能進行了評價分析。

金屬材料的電化學溶解特性主要由組成材料的各元素電極電位反應特性決定，同時受原材料坯件的成形方式和熱處理影響。本文針對鑄態(tài)TiAl 45XD材料開展了電化學溶解特性分析，通過改變電解加工工藝參數(shù)，研究了脈沖寬度、進給速度和脈沖個數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響，優(yōu)化制得致密連續(xù)的電解加工表面，并在葉片上進行了型面電解加工工藝驗證，為TiAl 45XD材料的航空用零部件的制造提供了技術支持。

1 試驗及方法

1.1 試驗原料

TiAl 45XD材料坯件在制備小尺寸的棒材時可獲得組織較均勻，無明顯缺陷且材料性能能達到指標的原材料坯件。試驗采用TiAl 45XD合金的精密澆鑄圓棒，材料通過二次真空自耗熔煉和一次真空感應熔煉澆鑄再經(jīng)熱等靜壓處理而成。材料的化學元素組成等數(shù)據(jù)見表1。電化學溶解特性試驗在尺寸為Φ30 mm×60 mm的毛坯試件上進行，葉片葉身型面電解加工工藝驗證試驗在毛坯尺寸為65 mm×38 mm×10 mm的毛坯試件上進行。

表1 TiAl 45XD合金材料化學元素組成、化合價、摩爾質(zhì)量和材料密度數(shù)據(jù)Table 1 Element composition, valence, molar mass and density of TiAl 45XD alloy materials

1.2 試驗方法

試驗采用脈沖振動電解的方式進行加工，在PO250BF型多軸精密振動電解設備上進行，設備具有基于加工電壓和電流檢測的短路切斷系統(tǒng)，在加工過程中陰極可以振動進給，振動頻率為0~50 Hz，振幅為0~0.1 mm。溶解特性試驗中，陽極采用圓形平面試件，陰極采用與待加工平面等間隙分布的平面電極，通過水套和工裝保證電解液采用側流方式，陰極與陽極試件側面采取密封措施減小側向腐蝕影響，試驗裝置見圖1。在其他加工參數(shù)不變的情況下，設置不同的初始加工間隙，相應調(diào)節(jié)進給速度獲得大小不同的恒定電流密度。陽極試件加工前后分別進行清洗、烘干和稱重。

圖1 溶解特性試驗裝置示意圖Fig.1 Device sketch of dissolution behavior testing

葉片葉身型面電解加工工藝驗證試驗裝置見圖2。采用片狀陰極對葉片的葉盆、葉背型面進行雙面同步脈沖振動電解加工，能夠避免已加工出表面發(fā)生雜散腐蝕，實現(xiàn)葉型和轉接R同時一次加工到位。利用電極與工件型面之間的間隙測算和擬合優(yōu)化得到電極型面，電解液同樣采用側流方式進行加工，通過工裝夾具保證電解液從葉尖向葉根流動，能夠避免沿流動方向葉型型面變化較大帶來的電解液流動不順暢的問題。試驗中陽極采用葉片毛坯塊料，經(jīng)過數(shù)控預加工保留均勻的余量（單邊3 mm），加工時采用多工步連續(xù)加工的方法，設置不同的加工速度和行程，經(jīng)過多軸聯(lián)動和陰極振動進給，葉片型面輪廓逐漸成形。

圖2 葉片型面電解加工裝置示意圖Fig.2 Device sketch of ECM blades profiles

2 結果與討論

2.1 電化學溶解當量分析

依據(jù)法拉第第一定律，陽極金屬溶解的克數(shù)與通過的電量成正比，即

式中，k為質(zhì)量電化當量；M為摩爾質(zhì)量；n為電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)；I為加工電流；t為加工時間。對于合金材料來說，元素電化學溶解時存在多種化合價，溶解過程涉及合金中各種元素原子溶解的組合，每種元素原子將按各自在合金中所占的比例和需要交換的電子數(shù)進行溶解。

合金材料溶解的質(zhì)量電化學當量為

體積電化當量為

實際體積電化當量為ηValloy，其中，η為材料的電流效率。材料的溶解速度為

式中，S為加工面積；J=I/S，為電流密度。

根據(jù)表1中TiAl 45XD的組分數(shù)據(jù)，計算得到材料的最大和最小體積電化當量分別為Valloy，max= 3.0572 mm3/（A·min）和Valloy，min=1.7264 mm3/（A·min），得出材料溶解速度與電流密度關系曲線的理論邊界范圍。固定加工行程1 mm，加工電壓24 V，電極振幅0.3 mm，振動頻率30 Hz，振動周期3 ms，電解液為質(zhì)量分數(shù)12%的NaNO3溶液，電解液壓力1.0 MPa，在不同進給速度下得到材料加工前后的質(zhì)量差與加工電流結果如表2所示。計算得到TiAl 45XD材料的實際體積電化當量如圖3所示。

圖3 實際、理論電化學溶解速度與電流密度關系曲線圖Fig.3 Actual and theoretical curves of electrochemistry dissolution velocity and current density

可以看出，在一定的范圍內(nèi)材料溶解速度與電流密度線性相關，直線斜率代表材料的實際體積電化當量，為2.546 mm3/（A·min），證明了材料在NaNO3溶液中進行電解時的電流效率不隨電流密度的改變而發(fā)生明顯變化。張安等[5]指出，材料的這種溶解特性有利于減少電解過程中的雜散腐蝕作用，從而提高加工定域性。實際溶解速度與電流密度關系曲線位于理論邊界范圍內(nèi)，表明TiAl 45XD合金材料的電化學溶解過程正常，不會出現(xiàn)金屬微粒、塊狀剝落和其他明顯的副反應影響材料的電化學溶解。

2.2 加工參數(shù)對表面質(zhì)量的影響

2.2.1 終止間隙

電解加工是有間隙加工，零件的成形精度很大程度上取決于小加工間隙的穩(wěn)定性，而陰極進給速度和陽極溶解速度能否較好地匹配是影響加工間隙的關鍵。固定加工電壓24 V、脈沖寬度0.36 ms、加工行程1 mm、初始加工間隙0.2 mm，不同進給速度下所得的試件表面如圖4所示。隨著進給速度提高試件表面附著的黑色產(chǎn)物變少，從微觀形貌結果可以看出，試件表面片狀結構變少。進給速度從0.05 mm/min提高到0.08 mm/min時，電流密度從79.3 A/cm2提高至93.8 A/cm2，加工終止間隙從0.241 mm降到0.11 mm。試驗過程中發(fā)現(xiàn)進給速度進一步提高，會因為加工間隙減小和流場變差導致電解加工產(chǎn)物未能及時被沖走而附著于加工表面，從而影響加工表面質(zhì)量，有可能導致短路而使加工中斷[8]。

圖4 不同進給速度下試件表面及微觀形貌Fig.4 Surfaces and micromorphology of specimens at diあerent feeding rates

2.2.2 脈沖寬度

固定加工電壓24 V、進給速度0.08 mm/min、加工行程1 mm、初始加工間隙0.2 mm，不同脈沖寬度ton下所得的試件表面如圖5所示。結果表明，隨著脈沖寬度增加，加工完表面黑色產(chǎn)物堆積，無法實現(xiàn)均勻去除，原因在于脈沖寬度增加會增加實際有效加工時間，總的加工時間和溶解金屬量增加，而且脈沖間隔縮短，使前一個脈沖的加工產(chǎn)物不能在加工間隙被電解液及時沖刷即開始進行下一個脈沖的加工，導致試件表面的電解液失效，加工效果變差。脈沖寬度從0.36 ms增加到0.9 ms時，電流密度從93.8 A/cm2降低至58.4 cm2，加工結束端面間隙由0.111 mm提高到0.687 mm，對加工精度和表面質(zhì)量不利。從微觀形貌圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖寬度增加，試件表面的片層狀微結構暴露紋理加深，存在于試件表面的不溶性TiB2變多[9]。在確保脈沖間隔內(nèi)電解產(chǎn)物能及時充分排除的條件下，縮短電解加工脈沖時間可大幅提高電流密度，實現(xiàn)小間隙加工，從而提高加工成形精度和表面質(zhì)量。此外，在窄脈沖能場下雙電層的極化作用被限制在電極端部極窄的范圍內(nèi)，距離電極很近的加工區(qū)極化能力強，相應的電流密度大，工件蝕除量也大；較遠的區(qū)域極化弱，幾乎不發(fā)生電化學反應[10]，顯著提高加工定域性和精度。

圖5 不同脈沖寬度下試件表面及微觀形貌Fig.5 Surfaces and micromorphology of specimens at diあerent pulse durations

2.2.3 振動周期

固定加工電壓24 V、脈沖寬度0.36 ms、加工行程1 mm、初始加工間隙0.2 mm，采用體視鏡觀察不同振動周期T下所得的試件表面，結果如圖6所示。加工表面的少量黑色產(chǎn)物經(jīng)沖洗后外觀無明顯區(qū)別。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，振動周期較短，為1.68 ms時，電流密度為136.3 A/cm2，結束加工后對刀即接觸，說明端面間隙較小。振動周期增加到3 ms時，電流密度下降為93.8 A/cm2，加工過程穩(wěn)定，端面間隙為0.11 mm。振動周期增加意味著有效的脈沖加工時間變長，脈沖導通角增大，電流密度變小，加工間隙擴大，會犧牲一部分加工精度。但是每個振動周期輸出相對少的脈沖數(shù)，雖能獲得平整的加工表面，但加工效率降低，出現(xiàn)短路風險提高，無法保證加工過程穩(wěn)定進行，因此確定振動周期為3 ms可以兼顧表面質(zhì)量和效率。

圖6 不同振動周期下試件表面及微觀形貌Fig.6 Surfaces and microstructures of specimens at diあerent vibrating periods

2.3 表面完整性分析

由上文分析可知，當加工電壓24 V、脈沖寬度0.36 ms、振動周期為3 ms、加工行程1 mm、進給速度0.08 mm/min、初始加工間隙0.2 mm時，可以得到致密連續(xù)的電解加工表面。觀察電解加工試樣表面，未見晶間腐蝕及點蝕，如圖7所示。原因在于試驗中的電流密度較大，達到了90 A/cm2以上，各種金相組織的溶解速度差異會變小，從而減輕了選擇性溶解，加工表面質(zhì)量較好。采用X射線應力測定法分析材料的機加磨削和電解加工表面的殘余應力，結果見表3。在載荷0.3作用下進行了顯微硬度測試，在距表面0~0.5 mm的距離內(nèi)，電解加工表面硬度268HV相較于機加磨削表面硬度273HV有所降低。

圖7 機加磨削表面、電解加工表面及橫截面顯微組織Fig.7 Surface and cross-sectional microstructure of machining grinding and ECM samples

表3 機加磨削和電解加工試樣表面應力Table 3 Stress of machining grinding and ECM surfaces

2.4 葉片葉身型面電解加工工藝驗證

在TiAl 45XD材料溶解特性分析的基礎上，開展TiAl 45XD材料葉片樣件加工工藝驗證。葉片型面尺寸約為28 mm×20 mm，葉根處厚度約為1.8 mm，葉尖處厚度約為0.8 mm，要求葉盆葉背型面的表面輪廓度偏差小于0.08 mm，位置度偏差±0.1 mm，扭轉角偏差±0.25°，葉身型面表面粗糙度優(yōu)于Ra0.8 μm。

根據(jù)上文的溶解特性分析結果，確定葉片的基礎工藝參數(shù)組為固定加工電壓24 V，脈沖寬度0.36 ms，振動周期3 ms，電極振幅0.3 mm，振動頻率30 Hz，電解液壓力1.0 MPa。通過連續(xù)加工的方式將加工行程3 mm分布到粗成形和終成形加工工步中：第1步行程1.5 mm，進給速度0.12 mm/min；第2步行程1.0 mm，進給速度0.10 mm/min；第3步行程0.5 mm，進給速度0.08 mm/min。加工過程從余量較大的小間隙處開始加工，余量小處的加工間隙大、溶解速度慢，整體的加工區(qū)域面積小，加工電流不高于400 A。隨著加工進行，小間隙處和大間隙處蝕除速度差值變小，加工區(qū)域面積擴大到整個葉身型面，逐漸整平成形，加工電流升高到800 A左右，單個葉片的電解加工用時約30 min。加工完成后通過對刀檢測得到葉盆型面和葉背型面與陰極之間的間隙分別為0.108 mm和0.071 mm，得到的葉片表面平整且葉型輪廓完好，如圖8所示。

圖8 葉片型面電解加工實物圖Fig.8 Device sketch of ECM profiles and obtained blades

使用三坐標測量機通過檢測基準面、基準孔構建工件坐標系，分別在3個截面處截取葉型線進行掃描，利用檢測點將理論曲線與實測曲線進行擬合，得出實測葉型與標準葉片同一位置處輪廓、葉型截面積疊點的位置以及葉型角向位置之間的偏差，從而得到葉盆葉背的型面檢測數(shù)據(jù)如表4所示。可以看出，葉片3個截面擬合后的葉盆葉背型面輪廓度偏差為– 0.015 mm ~ + 0.022 mm，位置度偏差– 0.017 mm ~ +0.010 mm，扭轉角偏差 – 0.149° ~ – 0.087°，滿足使用要求且加工間隙小，證明了電解加工較高的成形精度水平。采用表面粗糙度儀對葉片的葉盆與葉背型面進行粗糙度檢測，結果為0.61 μm，證明了適合采用電解加工工藝進行TiAl 45XD材料的葉片葉身型面加工。

表4 葉片、葉盆、葉背型面檢測數(shù)據(jù)Table 4 Measurement data of ECM blade concave and convex

3 結論

（1）本文針對TiAl 45XD合金材料開展了電化學溶解特性分析，對比了材料的溶解速度與電流密度關系理論和實際溶解特性曲線，結果表明，材料在NaNO3電解液中的電流效率不隨電流密度改變而明顯發(fā)生變化，溶解速度與電流密度關系曲線位于理論邊界范圍之內(nèi)，表明TiAl 45XD合金材料具有良好的電解加工可行性。

（2）通過對終止間隙、脈沖寬度和振動周期等沉積條件的優(yōu)化，得出具有致密連續(xù)電解加工表面的條件為加工電壓24 V，脈沖寬度0.36 ms，振動周期為3 ms，加工行程1 mm，進給速度0.08 mm/min，初始加工間隙0.2 mm。該條件下得到的材料加工表面無晶間腐蝕和點蝕。

（3）在葉片樣件上進行了電解加工工藝驗證，得到了葉身型面表面粗糙度為0.61 μm、葉盆葉背輪廓度偏差為– 0.015 mm ~ + 0.022 mm的葉片，為TiAl 45XD合金材料復雜型面典型構件的電解加工奠定了基礎。