李家寶，馬長進，朱 棟

（ 1. 南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016；

2. 西安航天發(fā)動機有限公司，陜西西安710100 ）

葉柵是航天發(fā)動機的關鍵部件， 具有葉型扭曲、葉間通道狹窄的結(jié)構(gòu)特點[1]。 TC4 鈦合金具有輕質(zhì)、高強度、耐熱抗腐等優(yōu)良性能[2]，常用于整體式葉柵來提升工作性能，但由于鈦合金葉柵加工難度高， 常規(guī)的機械銑削加工常存有工件殘余應力、刀具損耗嚴重及加工周期長等問題。 電解加工是一種非接觸式的材料去除技術，工件陽極與電源正極相連，工具陰極與負極相接，在電場、流場和化學腐蝕場的作用下發(fā)生電化學溶解進而完成工件成形，具有陰極無損耗、不受材料硬度限制、加工效率高、表面無殘余應力等優(yōu)勢，適用于鈦合金等難加工材料的大批量制造[3-5]。

但是，鈦合金的化學性質(zhì)活潑，暴露在空氣中易形成鈍化膜。 鈦合金各組分金屬的溶解電壓不一致， 在電解加工時易因選擇性溶解造成表面點蝕，從而降低表面質(zhì)量[6]。 國內(nèi)外學者在鈦合金電解加工方面開展了大量研究。 Liu 等[7]測量分析了在不同NaNO3和NaCl 電解液濃度下的鈦合金電化學溶解特性， 為開展鈦合金電解加工研究提供依據(jù)；Leese R 等[8]測量了超聲振動下的鈦合金電化學極化曲線，發(fā)現(xiàn)超聲振動可降低鈦合金的溶解電位，提高電解加工速度；黃明濤等[9]研究了鈦合金電解加工過程中出現(xiàn)褐色氧化層的原因，并對微觀表面進行了觀察分析；楊怡生等[10]分析了不同電流密度和蝕除速率對鈦合金電解加工表面質(zhì)量的影響，并研究分析了點蝕、短路、黑皮和晶間腐蝕等缺陷問題可能產(chǎn)生的原因；張美麗[11]采用輔助陽極方法提高了鈦合金電解加工表面質(zhì)量；楊振文等[12]采用NaNO3和NaCl 混合電解液實現(xiàn)了TC4 鈦合金異形型腔的電解加工。

本文以TC4 鈦合金葉柵為研究對象，針對電解加工過程易產(chǎn)生點蝕、表面質(zhì)量差的問題，進行直流和脈沖電解加工對比試驗，設計脈沖電解加工正交試驗，分析脈沖電壓、占空比、頻率和加工速度對鈦合金表面質(zhì)量的影響，并采用優(yōu)選條件進行整體葉柵葉片的電解加工。

1 鈦合金葉柵套料電解加工方法

套料電解加工是一種高效的大余量材料去除技術，在加工過程中工具陰極向工件待加工表面進給，工件預定位置發(fā)生溶解腐蝕[13]。套料電解加工有側(cè)流、反流和正流三種電解液流場方式，側(cè)流式適用于形狀扭曲度小的工件，電解液從工件一端流向另一端；反流式需要良好的密封夾具，電解液從加工間隙流向工件內(nèi)部；正流式流場設計簡單且流動性好，電解液從工件內(nèi)部流向加工間隙[14]。電解液流場對工件電化學加工表面影響大，電解液中的溶液離子影響金屬表面的化學腐蝕場，同時也用來傳遞電流；此外，流場還可帶走熱量控制加工溫升，防止電化學反應產(chǎn)物阻塞加工間隙而引發(fā)短路[15]。 圖1是鈦合金葉柵套料電解加工流場示意，葉柵葉型復雜，適用于正向流動方式，電解液流入絕緣套底部左右兩側(cè)的導流孔，然后再經(jīng)陰極頭內(nèi)表面轉(zhuǎn)角繞流后匯入陰極頭和工件相對的加工間隙，參與套料的電解加工過程。

試驗采用鈦合金葉柵套料電解加工系統(tǒng)進行鈦合金葉柵套料電解加工的參數(shù)優(yōu)化，分析試驗結(jié)果并優(yōu)化調(diào)整脈沖參數(shù)，減少鈦合金電解加工表面點蝕。 圖2 是TC4 鈦合金葉柵套料電解加工系統(tǒng)，由電源、電解液和陰極進給系統(tǒng)組成。 電源系統(tǒng)的正、負極分別與葉柵和陰極裝置相連，為電解加工提供電場；電解液系統(tǒng)不斷供給加工區(qū)域新鮮電解液， 參與加工后的電解液經(jīng)過濾后可重新使用；陰極進給系統(tǒng)由自主研發(fā)的電解加工機床組成，可實現(xiàn)陰極裝置和葉柵工件間的精確定位和進給。

2 陰極裝置及試驗設計

針對TC4 鈦合金葉柵進行陰極裝置設計，用于開展套料電解加工參數(shù)優(yōu)化試驗，并進行直流和脈沖電解加工對比試驗，探究脈沖電解加工對表面點蝕的改善，以得到最優(yōu)的脈沖電解加工參數(shù)。

2.1 陰極裝置和試驗條件

圖3 是針對TC4 鈦合金葉柵的扭曲葉型，設計的套料電解加工陰極裝置由陰極頭、絕緣套、陰極體、陰極座和屏蔽套組成。 電解液從陰極座底部流入，穿過陰極體和絕緣套兩側(cè)導流孔，然后經(jīng)陰極頭內(nèi)表面的轉(zhuǎn)角繞流進入加工間隙。 TC4 鈦合金葉柵套料電解加工試驗采用質(zhì)量分數(shù)為10%的NaCl電解液，電解液的入口壓力為1.5 MPa、入口溫度為25 ℃，初始加工間隙為0.5 mm。

2.2 套料電解加工試驗設計

2.2.1 直流和脈沖電解加工對比試驗設計

根據(jù)電解加工所用電源的不同，可分為直流和脈沖電解加工。 脈沖電解加工通過在脈寬施加電壓進行加工、脈間不施加電壓的周期性變化，可起到減少點蝕和改善表面質(zhì)量的作用。 為探究直流和脈沖電解加工對葉片點蝕的影響，設計了兩種加工的對比試驗，見表1。

表1 直流和脈沖電解加工對比試驗

2.2.2 脈沖電解加工參數(shù)優(yōu)化正交試驗設計

為深入研究脈沖參數(shù)對鈦合金表面點蝕的影響，綜合考慮表面點蝕、葉型完整性和加工穩(wěn)定性問題獲取優(yōu)化參數(shù)，進行脈沖電壓、占空比、頻率和加工速度的四因素三水平正交試驗設計，見表2。

表2 脈沖電解加工正交試驗

3 結(jié)果與討論

3.1 直流和脈沖電解加工試驗分析

加工電流是電解加工重要的過程參數(shù)，可反映加工過程的穩(wěn)定性。 圖4 是直流和脈沖電流電解加工對比試驗結(jié)果，可看出，脈沖和直流電解加工中的電流變化均較平穩(wěn)，試驗過程較穩(wěn)定；在進給量為0～2 mm 時，兩種加工方式的電流都急劇增大，處于加工的過渡階段；進給量在2 mm 后，電流變化平緩，葉片加工進入穩(wěn)態(tài)。 最終，脈沖和直流電解加工的穩(wěn)態(tài)電流分別約為60 A 和70 A， 相較而言脈沖電流較低，對已加工面造成的二次腐蝕較小，表面質(zhì)量較直流可能有所改善。

圖5 是直流和脈沖電解加工所獲得的葉片，可見，直流電解加工葉身出現(xiàn)較多的點蝕凹坑，而脈沖電解加工葉身無凹坑。 試驗結(jié)果表明，脈沖電解加工能消除鈦合金表面的點蝕凹坑， 提高表面質(zhì)量，這是由于鈦合金是自鈍化金屬，表面易生成鈍化膜，鈍化膜對選擇性溶解有抵抗作用；而周期變化的脈沖電壓下， 工件表面更易在脈間形成鈍化膜，減少點蝕凹坑。 然而，在兩種試驗條件下，葉片試件的前緣和尾緣均有缺失，說明當前的試驗參數(shù)無法成形葉片，需進一步優(yōu)化試驗參數(shù)。

3.2 脈沖電解加工正交試驗分析

圖6 是根據(jù)脈沖電解加工正交試驗獲得的電流變化圖。 可看出，試驗1、5、7 在加工穩(wěn)定后的電流均在65 A 以下，處于相對低電流密度加工；試驗2、9 在加工穩(wěn)定后的電流為75 A，處于中電流密度加工； 試驗3、6、8 在加工穩(wěn)定后的電流達到90 A以上，處于高電流密度加工；試驗4 的加工占空比為50%、加工速度為2 mm/min，在進給1 mm 后發(fā)生短路，故可知高加工速度和低占空比可能會引起短路。

圖7 是在不同正交試驗條件下加工得到的葉片。 可見，試件1、7 處于低電流密度和低占空比的加工條件，表面無點蝕，可能是鈦合金表面在低占空比下， 脈間內(nèi)更易形成保護性更強的鈍化膜，從而減少雜散腐蝕可能造成的點蝕；而試件8 處于高電流密度和中占空比的加工條件，采用更高的加工速度也可得到無點蝕表面，可能是在脈寬內(nèi)的高電流密度減輕了鈦合金的選擇性溶解，短脈間內(nèi)鈍化膜減少了雜散腐蝕。 總結(jié)以上，在鈦合金套料電解加工中，為了獲得無點蝕表面，可采用低電流密度和低占空比，或高電流密度、中占空比和高加工速度的加工參數(shù)。

表3 是脈沖電解加工正交試驗結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)低電流密度過程的加工速度慢、效率低，因此，TC4 鈦合金葉柵套料電解加工更宜采用高電流密度、中占空比和高加工速度來改善表面質(zhì)量。

3.3 脈沖電解加工參數(shù)優(yōu)選驗證

綜合脈沖電解加工正交試驗結(jié)果分析，優(yōu)選脈沖電壓22 V、脈沖占空比80%、脈沖頻率1000 Hz的參數(shù)，在2.5 mm/min 速度下進行結(jié)果驗證。 圖8是優(yōu)選參數(shù)下的加工電流圖，可見電流平穩(wěn)、加工穩(wěn)定性好。 圖9 是優(yōu)選參數(shù)下的成形葉片，可見其表面無點蝕、葉型完整、表面質(zhì)量好。 優(yōu)選后的脈沖電解加工參數(shù)提高了TC4 鈦合金葉柵電解加工的表面質(zhì)量，能以較高的效率保持穩(wěn)定加工。

表3 脈沖電解加工正交試驗結(jié)果

3 結(jié)論

常規(guī)鈦合金葉柵的套料電解加工工藝復雜且加工難度大。 經(jīng)過直流和脈沖電解加工對比試驗和脈沖電解加工正交試驗綜合分析，得到以下結(jié)論：

（1）直流和脈沖電解加工對比試驗表明，脈沖電解加工能顯著減少TC4 鈦合金葉柵電解加工中的表面點蝕，改善加工質(zhì)量。

（2）脈沖電解加工正交試驗表明，TC4 鈦合金葉柵電解加工宜選擇高電流密度、高加工速度和中占空比來減少點蝕。

（3）采用脈沖電壓22 V、脈沖占空比80%、脈沖頻率1000 Hz，在2.5 mm/min 速度下進行脈沖電解加工試驗，工件表面質(zhì)量得到提高，無點蝕凹坑且葉型完整，加工效率高。