電解加工對TC17鈦合金表面完整性及振動疲勞性能的影響

詹中偉，劉嘉，孫志華，李海揚，湯小軍

（1.中國航發北京航空材料研究院，航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京 100095；2.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016）

鈦合金是先進航空發動機的主要金屬材料之一，其比強度高、熱穩定性好、抗氧化及抗蠕變性能優異，是發動機風扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構件的首選材料[1-3]。目前鈦合金用量的占比已成為衡量航空發動機先進性的重要指標之一。美軍第三代發動機F100的鈦合金用量約占25%，第四代發動機F119的鈦合金用量高達40%。然而，鈦合金的切削加工性能較差，僅次于鎳基高溫合金，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出優點[4-5]。電解加工是基于金屬材料陽極溶解原理的加工技術，理論上不存在工具陰極損耗問題。據統計，采用銑削技術加工1個中等直徑(約600 mm)的整體葉盤需360 h左右，而電解加工僅需要120 h左右，加工周期顯著縮短。針對整體葉盤上復雜扭曲程度很高的葉片，電解加工技術能夠通過最佳工具運動軌跡識別技術，將電極準確送入狹窄的葉柵通道，最終實現葉盆和葉背型面的精密成型[6-8]。因此電解加工已經成為國內外航空發動機整體構件的重要加工技術之一，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復雜結構件。國內在電解加工領域也開展了大量基礎研究，南京航空航天大學的朱荻院士從20世紀80年代開始就對電解加工控制原理、陰極設計、成型規律等進行了全面而深入的研究，并設計制造了國內首臺擁有自主知識產權的電解加工設備，引領了國內該技術的發展[9-16]。北京航空制造工程研究所[17-19]、中國航發黎明[20-21]等單位在大型電解加工設備及應用方面都取得了實質性突破。

1 實驗

1.1 材料

TC17鈦合金試片的尺寸為100 mm × 50 mm × 3 mm，其名義化學成分(以質量分數計)見表1。

表1 TC17鈦合金的化學成分Table 1 Composition of TC17 titanium alloy（單位：%）

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

機械加工主要包括切削和磨削：切削深度約15 mm，車床轉速320 r/min，進給量約30 mm/min；磨削深度0.01 ~ 0.02 mm，砂輪線速度10 ~ 20 m/s。

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(EBSD)分析樣品表面的顯微組織結構。采用ZYGO公司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殘余應力分析儀檢測樣品的殘余應力，正值代表殘余拉應力，負值代表殘余壓應力。

2008年后，隨著中國地質調查局新一輪區域化探項目的實施[1]，青海省第五地質礦產勘查院承擔并完成了青海柴達木盆地周緣的區域化探掃面工作，并在該區新圈定了一大批面積大、強度高、具有找礦前景的化探異常[2]，通過對少數地球化學異常檢查，新發現夏日哈木等礦(床)點數十處[3]，極大的推動了該區的地質找礦工作。但該景觀區的化探方法技術研究工作較少[4-6]，這使得人們對該區的化探采樣工作更加關注。

1.3.2 振動疲勞試驗

采用圖1所示的板狀試樣，先分別進行機械加工和電解加工，接著按照HB 5277–1984《發動機葉片及材料振動疲勞試驗方法》進行室溫振動疲勞試驗，試驗應力為380 MPa，以試樣的疲勞壽命(N)為指標來評價室溫疲勞性能。

圖1 室溫振動疲勞試樣示意圖Figure 1 Schematic diagram of room-temperature vibration fatigue specimen

2 結果與討論

2.1 表面完整性

零部件的表面完整性直接影響其使用性能，是航空領域評價零件加工表面質量的重要指標。表面完整性不僅包括表面形貌特征[22]，還包括物理、冶金、化學等一系列特性[23]。本文重點研究機械加工和電解加工對TC17鈦合金表面微觀形貌、輪廓、殘余應力和近表面顯微織構的影響。

2.1.1 表面形貌

從圖2可知，機械加工表面有明顯的加工刀痕，在刀具切削過程中局部還會不可避免地出現合金相脫落而造成的凹坑。電解加工表面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；電解加工表面局部還有明顯的α相晶界，這可能是晶粒取向不同所致。

圖2 TC17鈦合金分別經過機械加工(a)和電解加工(b)后的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of TC17 titanium alloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

2.1.2 表面粗糙度

表面粗糙度是評估零件表面完整性的主要參數之一。表面粗糙度與疲勞性能之間密切聯系，一般粗糙度越大，局部應力集中越強烈，越容易引發疲勞裂紋[24]。從圖3可知，機械加工表面呈現出機加刀痕的規則條紋，電解加工表面則呈現出不規則的凹坑和尖峰。結合圖2b可知，圖3b中的凹陷區域可能為板條狀α相溶解后形成的凹槽。機械加工后TC17鈦合金的Ra約為0.567 μm，而電解加工后的Ra達到1.164 μm，顯著大于機械加工表面。機械加工是通過塑性變形、切削作用等方式塑造表面，與基體的合金相關系不大；電解加工則是依靠材料表面的陽極溶解，不同合金相溶解速率的差異可能會導致局部表面優先溶解。

圖3 TC17鈦合金分別經過機械加工(a)和電解加工(b)后的表面粗糙度Figure 3 Surface roughness of TC17 titanium alloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

從表面粗糙度看，電解加工表面更粗糙，對TC17鈦合金疲勞性能的不利影響可能比機械加工嚴重。但疲勞性能除了受到表面粗糙度的影響，還與表面殘余應力、晶型織構等多方面因素有關。另外從工程應用的角度而言，電解加工的表面尚未達到真正使用的程度，還可通過后續處理(如振動光飾)來降低表面粗糙度。

2.1.3 表面殘余應力

表面殘余應力對鈦合金疲勞性能的影響較大。一般而言，殘余拉應力會顯著降低材料的疲勞極限，令其疲勞壽命縮短；殘余壓應力則能夠有效抑制疲勞裂紋的萌生和發展，從而提高疲勞極限，延長疲勞壽命[25]。從圖4可以發現，機械加工試樣表面的殘余應力波動較大，在壓應力和拉應力之間跳躍，并且絕對值較大，說明機械加工表面的殘余應力狀態不穩定。另外，機械加工試樣在距離表面10 ~ 20 μm范圍內呈現殘余拉應力狀態，最高達到了500 MPa左右，顯然這種狀態非常不利于材料的疲勞性能。電解加工試樣表面基本呈殘余壓應力，并且絕對值較小，說明電解加工表面的殘余應力較平穩，疲勞裂紋不容易形成和擴展，因此電解加工對材料的疲勞性能更有利。

圖4 分別經機械加工和電解加工后TC17鈦合金表面不同深度的殘余應力Figure 4 Residual stress of TC17 titanium alloy at different depths after mechanical machining and electrochemical machining, respectively

2.1.4 晶粒取向

機械加工與電解加工最大的區別在于材料的去除方式，對材料表面晶粒取向造成的影響也就截然不同。通過電子背散射衍射分析零件表面晶粒取向有助于研究兩種加工方式對材料性能的影響。從圖5可知，機械加工試樣靠近表面的區域存在大量細小晶粒，越向內部，晶粒尺寸越大，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面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。電解加工試樣表面基本不存在細小晶粒區域，表明電解加工基本不會使晶粒組織產生塑性變形。

圖5 TC17鈦合金分別經過機械加工(a)和電解加工(b)后的斷面形貌和晶粒取向Figure 5 Cross-sectional morphologies and grain orientations of TC17 titanium alloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

2.2 振動疲勞性能

振動疲勞是引起發動機轉動部件結構破壞與失效的主要因素之一，其涉及到結構響應、疲勞極限、疲勞壽命等。因此對于壓氣機葉片而言，室溫振動疲勞性能是必須考察的重要性能之一。室溫振動疲勞試驗結果表明，在380 MPa應力下，機械加工和電解加工的TC17試樣振動疲勞壽命分別約為1.99 × 105和1.52 × 106?？梢婋娊饧庸ぴ嚇拥恼駝悠谛阅軆炗跈C械加工試樣。為進一步研究加工方式對TC17鈦合金振動疲勞的影響，采用掃描電鏡觀察疲勞斷口形貌，結果如圖6所示。

圖6 TC17鈦合金分別經過機械加工(a, b)和電解加工(c, d)后室溫振動疲勞試樣的斷口形貌Figure 6 Fracture morphologies of TC17 vibration fatigue specimens after mechanical machining (a, b) and electrochemical machining (c, d), respectively

從圖6a和圖6b可知，機械加工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種典型的疲勞斷口，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；裂紋源則位于試樣表面，存在明顯的機械加工刀痕。結合圖4和圖5，有理由認為機械加工試樣表面的刀痕處集中了較大的殘余應力，是誘發疲勞裂紋的源頭。

從圖6c和圖6d可知，電解加工振動疲勞試樣的疲勞源區同樣位于試樣表面，且表面全區的形貌相近，未發現典型的疲勞源區和放射狀紋路。結合電解加工表面基本呈現殘余壓應力以及表面晶粒取向與本體保持一致的情況，可以認為電解加工試樣的表面不會產生明顯的應力集中，疲勞性能不受影響。

3 結論

(1) 相比于機械加工，TC17鈦合金電解加工后的表面不存在明顯的加工痕跡，表面粗糙度略高，表面殘余應力普遍呈現為壓應力狀態且應力值較為平穩。另外，電解加工表面不存在明顯的晶粒細化或破碎的變形層，晶粒取向與基體保持一致。

(2) TC17鈦合金電解加工后的室溫振動疲勞壽命高于機械加工后，這可能是因為電解加工表面在殘余應力及晶粒取向方面都優于機械加工表面。