電解（jiě）加工對 TC17 鈦合（hé）金表麵完整性及振動（dòng）疲勞性（xìng）能的影響
詹（zhān）中偉 1, *，劉嘉 2 ，孫誌華 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（diǎn）實驗（yàn）室，北（běi）京 100095；2.南京航空航天大學機電學院（yuàn），江蘇 南京 210016）
作者簡介：詹中偉（1982–），男，河南人（rén），博士（shì），高級工程師（shī），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（shàng））
文章全文
鈦（tài）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（yǎng）化及抗蠕變性能優異，是發（fā）動機風扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構（gòu）件的（de）******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（sān）代（dài）發動機F100的鈦合（hé）金用量約占25%，第四代（dài）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，僅次於鎳基高溫合金，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（kuài）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（tū）出優點[4-5]。電解加工是基於金屬材料陽極溶解原理的加工技（jì）術，理論上不存在（zài）工具陰極損耗問題。據統計，采 用（yòng）銑削技術加工1個中等直徑(約 600 mm)的整體葉（yè）盤需360h左（zuǒ）右，而電（diàn）解加工僅需要120h左右，加工周 期顯著縮短。針對（duì）整體葉盤上複雜扭曲程度很高的葉片，電解（jiě）加工技術能夠（gòu）通過***佳工具運動軌跡識別技術（shù），將電極準確送入狹窄的葉柵通道，***終實（shí）現葉盆和葉（yè）背（bèi）型麵的精密成型[6-8]。因（yīn）此電解加工已（yǐ）經成為國內外航 空發動機整體構件（jiàn）的重要加工技術之（zhī）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複 雜（zá）結構件。國內在電解加工領域（yù）也（yě）開展了（le）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（jiě）加工控製原理、陰極設計、成型規律等（děng）進行了全麵而深入的研究，並設計製造了國內首台擁有（yǒu）自主 知（zhī）識（shí）產權的電（diàn）解加工設備，引領了（le）國內該技術的發展[9-16]。北京航空製造工程研究所[17-19]、中國航發黎明[20-21] 等（děng）單位在大型電（diàn）解加工設備及應用方麵都取得了實質性突破。
然而，國內目前的研究側重於（yú）電解加工技術優化和零件生產（chǎn），對電解加工鈦合金零件的表麵完整性和力 學性能方麵的研究較少，缺乏與機械加工效果的對比（bǐ）。本研究以某型（xíng）號發（fā）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麵完整性及振動疲勞性能的影（yǐng）響，為電解加工技術的工程化應用提供支（zhī）撐。
1 實驗
1. 1 材料（liào）
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（gōng）
電解加工采用 10% NaCl 電（diàn）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（jiā）工主要包括切削和（hé）磨削：切削（xuē）深度約（yuē） 15 mm，車床轉速 320 r/min，進給量（liàng）約 30 mm/min；磨削深 度 0.01 ~ 0.02 mm，砂輪線速度（dù） 10 ~ 20 m/s。
1. 3 性能測試
1. 3. 1 表麵完（wán）整性分析
采（cǎi）用 JEOL JSM-7900F 型掃描電子顯微鏡（jìng）(SEM)及其搭載的電子背（bèi）散射衍射係統(EBSD)分析樣品表麵的顯微組織結構。采用 ZYGO 公司 NeXView 型白光幹（gàn）涉三維形（xíng）貌儀分析樣品的表麵輪廓，並檢測表麵粗糙度 (Ra)。采用 Proto iXRD 殘餘應力分（fèn）析儀檢（jiǎn）測樣品（pǐn）的殘餘應力，正值代表殘餘拉（lā）應力，負值代表（biǎo）殘餘壓應力。
1. 3. 2 振（zhèn）動疲勞試驗
采用圖 1 所示（shì）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（cái）料振動疲勞試驗方（fāng）法》進行（háng）室溫振動疲勞試驗，試驗（yàn）應力為 380 MPa，以試樣的疲勞壽命(N)為指標來評價室溫疲（pí）勞性能。
公司在國內知名專家教授的（de）引領帶（dài）動下，組建（jiàn）了一支（zhī）國內******的超精密技術研發（fā）團隊，研發團隊（duì）在超精密（mì）機（jī）床的單元技術、切削機理和工藝、成套技術及應（yīng）用工藝方麵具（jù）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製造相關產業提供優質的技術服務。
2 結果與討論
2. 1 表麵完整性
零部件的表麵完整性直接影響（xiǎng）其使用（yòng）性能，是航空領域評價零件加工表麵質量的重（chóng）要指標。表麵完整性不僅包括表麵（miàn）形貌特征[22]，還包括（kuò）物理、冶金、化學等一係列特性[23]。本文重點研究機械加工和電解加工對（duì） TC17 鈦合金表麵微觀形貌、輪廓、殘餘應力和近表（biǎo）麵（miàn）顯微織（zhī）構的影響。
2. 1. 1 表麵形貌
從圖 2 可知，機械加工表麵有明顯的加工刀痕，在刀具切削過（guò）程中局部還會不可避免地出現（xiàn）合（hé）金相脫落 而造成的凹（āo）坑。電解加工表麵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；電解加工表麵局部還有明顯的α相晶界，這可能是晶粒取向不同所致。
2. 1. 2 表麵粗糙度
表麵粗糙度（dù）是評估零件表麵（miàn）完整性的主要參數之一（yī）。表麵粗糙度與疲勞（láo）性能之間密切聯係，一般粗糙度 越大，局部應力集中越強烈，越容易引發疲（pí）勞裂紋[24]。從圖 3 可知，機械加工表麵呈現出機加刀痕的規則條 紋，電解加（jiā）工表麵則呈現（xiàn）出不規則的凹坑（kēng）和尖峰。結合圖 2b 可知，圖 3b 中的凹陷區（qū）域（yù）可能為板條狀（zhuàng） α 相溶 解（jiě）後形成（chéng）的凹槽。機械加工後 TC17 鈦合金的 Ra 約為 0.567 μm，而電解加工後的 Ra 達到（dào） 1.164 μm，顯著大 於機械加工表麵。機械加工是通過塑性變形、切削作用等方式塑（sù）造（zào）表麵，與基體的合金相關係不大（dà）；電解加 工則是依（yī）靠材（cái）料表麵（miàn）的陽極（jí）溶解，不同合金（jīn）相溶解速率的差異可（kě）能會導致局（jú）部表麵優先溶解。
從表（biǎo）麵粗（cū）糙度看，電解加工表麵更（gèng）粗糙，對 TC17 鈦合金疲勞性能的不利（lì）影響（xiǎng）可能比機械（xiè）加工（gōng）嚴重。但疲 勞性能除了受到表麵粗糙度的影響，還（hái）與表麵殘餘（yú）應力、晶型織構等多方麵因（yīn）素有關。另外從工程（chéng）應用的角 度而言，電解加工的表麵尚未達到真正（zhèng）使用（yòng）的程度，還可通過後續處理（lǐ）(如振動光飾)來降低表麵粗（cū）糙度。
2. 1. 3 表麵殘餘應力
表麵殘餘應力對鈦合金疲勞性能（néng）的（de）影響較大。一（yī）般而言，殘餘拉應力會顯著降低材料的疲勞極（jí）限，令其 疲勞壽命（mìng）縮短（duǎn）；殘餘壓應（yīng）力則能夠有效抑製疲（pí）勞裂紋的萌生和發展，從而提高疲（pí）勞極限，延長疲勞壽命[25]。從圖 4 可以發現，機械加工試樣表麵的殘餘應力（lì）波動較大，在壓應力和（hé）拉應力之間跳躍，並且（qiě）******值較大， 說明機械加工表麵的殘餘應力狀態不穩定。另外，機械（xiè）加工試樣在距離表麵（miàn） 10 ~ 20 μm 範圍內呈現殘餘拉應 力狀態，***高達到了 500 MPa 左右，顯然這種狀態非常不利於材料的疲勞性能。電解加工試（shì）樣（yàng）表麵基本呈殘 餘壓應力（lì），並且******值較小（xiǎo），說明電解加工表麵的殘餘應力較平穩，疲勞裂紋不容易形成和擴展，因此電解加工對材料（liào）的疲勞性能更有利。
2. 1. 4 晶粒取向
機（jī）械加工與電解加工***大的區別（bié）在於材料的去除方（fāng）式，對材（cái）料表（biǎo）麵晶（jīng）粒（lì）取向造成的影響也就（jiù）截然不同（tóng）。通過電子背散射衍射分析零件表麵晶粒取向（xiàng）有助於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（yàng）靠（kào）近表（biǎo）麵的區域存在大量細小晶粒，越向內（nèi）部，晶粒尺寸（cùn）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麵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（shì）樣表麵基本不存在細小晶粒（lì）區（qū）域，表明（míng）電解加工基本不（bú）會使晶粒組（zǔ）織（zhī）產生（shēng）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（gòu）破壞與失效的主要（yào）因素（sù）之一，其涉及到結構響應、疲勞極限、疲（pí）勞壽命等。因（yīn）此對於壓氣機葉片而言（yán），室溫振動疲勞性能（néng）是必須考察的重要性能之一（yī）。室溫振動疲勞試（shì）驗結果 表明，在 380 MPa 應力下，機械加工和電（diàn）解加工的（de） TC17 試樣振動疲勞壽命分別約為 1.99 × 105 和 1.52 × 106 。可見電（diàn）解加工試樣的振動疲勞性能優於機械加工試樣。為進一步研究加工方式對 TC17 鈦合金振動疲勞（láo）的影 響，采用掃（sǎo）描電鏡（jìng）觀察疲勞斷口形貌（mào），結果如圖 6 所（suǒ）示。
從圖 6a 和圖 6b 可知，機械加工（gōng）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（de）疲勞斷（duàn）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（zé） 位於試樣表麵，存在明（míng）顯的（de）機械加工刀痕。結合圖 4 和圖 5，有理（lǐ）由認（rèn）為機械加工試樣表麵的刀痕處集中了較 大的殘餘（yú）應力，是誘發（fā）疲勞裂紋的源頭。
從圖 6c 和圖（tú） 6d 可知（zhī），電解加工振動疲勞試樣（yàng）的疲勞源區同樣位於試樣表麵，且表（biǎo）麵全區的形貌相近， 未發現典型的疲勞源區和放射狀紋路。結合電解（jiě）加（jiā）工表麵基（jī）本呈現殘餘壓應力以及表麵晶粒取（qǔ）向與本體保持（chí） 一致（zhì）的情況，可以認為電解加（jiā）工（gōng）試樣的（de）表（biǎo）麵不會（huì）產生明顯的應力集中，疲勞（láo）性能不受影（yǐng）響。
3 結論（lùn）
(1) 相（xiàng）比於機（jī）械加工，TC17 鈦合金（jīn）電解加工後的表麵不存在明顯的加工痕跡，表麵粗糙度略高，表麵（miàn）殘 餘應力普遍呈現為壓應力狀態且應力值（zhí）較為平穩。另外，電解加工表麵不存在明顯的晶粒細化或破碎的（de）變形 層，晶粒取向（xiàng）與基體（tǐ）保持一致。
(2) TC17 鈦合金電解加工後的室溫（wēn）振動疲勞壽命高於機（jī）械加工後（hòu），這可能是因為電解加工表麵在殘餘應 力（lì）及晶粒取向方麵都優於機械加工表麵。
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