孫宇博，丘珍珍

（中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300）

電解加工中電解液對(duì)鈦合金TC4型面加工質(zhì)量的影響研究

孫宇博，丘珍珍

（中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300）

研究了電解加工中不同組分電解液對(duì)鈦合金TC4工件表面成形質(zhì)量的影響。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析得出：在質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%NaBr+10%NaCl電解液中，電解加工TC4試樣可獲得較好的表面質(zhì)量，加工表面光滑且有金屬光澤，表面粗糙度為Ra1.421μm；同時(shí)，不同組分電解液對(duì)加工工件亞表面層的影響均不大。研究結(jié)果為民航發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金制的零部件維修提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

電解加工；鈦合金TC4；電解液

鈦合金具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐高溫等特性，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心零部件的主要材料之一。它屬于難切削材料，故以傳統(tǒng)機(jī)加工的銑削技術(shù)加工其型面會(huì)增大刀具損耗，且加工難度較高，還易造成工件表面燒傷、加工變形及殘余應(yīng)力過(guò)大等不良影響，這會(huì)影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性。

電解加工是基于電化學(xué)過(guò)程的陽(yáng)極溶解原理，借助預(yù)先制備成形的特殊陰極將工件按一定的形狀和尺寸加工成形的工藝方法［1-2］。其采用的工具陰極與工件以非接觸方式進(jìn)行加工，能有效避免傳統(tǒng)機(jī)加工帶來(lái)的二次損傷。近年來(lái)，電解加工技術(shù)已逐步應(yīng)用于小型精密零件加工領(lǐng)域。Kim采用微細(xì)電解加工技術(shù)加工出微細(xì)群孔、窄槽、微棱柱等結(jié)構(gòu)［3］。徐惠宇等在超短脈沖電解加工的基礎(chǔ)上，采取工具往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式及用微棒狀電極仿造數(shù)控銑削方式，在鎳板上電解加工出復(fù)雜的幾何輪廓［4］，并制造出掃描探針顯微鏡針尖和微細(xì)電火花、微細(xì)沖壓加工所需的微細(xì)棒狀工具。

本文通過(guò)試驗(yàn)研究了不同組分電解液對(duì)鈦合金TC4型面加工質(zhì)量的影響。由于鈦合金具有自鈍化特性，表面易形成鈍化膜，且具有強(qiáng)保護(hù)特點(diǎn)，因此，針對(duì)電解加工表面鈍化膜的蝕除，電解液成分及其濃度是評(píng)價(jià)電解加工表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

1 電解加工試驗(yàn)方案

試樣在電解加工試驗(yàn)前均需進(jìn)行表面打磨處理，用砂紙打磨到1500#，使其表面光滑平整，無(wú)明顯劃痕；再用酒精擦拭去除表面油跡污漬，在室溫環(huán)境中自然干燥。電解加工后，需用去離子水沖洗試樣表面，去除電解加工腐蝕產(chǎn)物，在室溫環(huán)境中自然干燥后，方可測(cè)定其表面質(zhì)量。

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了6種電解液，其成分見(jiàn)表1。電解工藝參數(shù)為：電流密度20～50 A/cm2，電源輸出頻率25 Hz，加工時(shí)間5～60 s。試樣加工表面質(zhì)量測(cè)定方法為：用激光共聚焦顯微鏡測(cè)定表面形貌及表面粗糙度；用顯微硬度計(jì)測(cè)量表面硬度，確定是否存在亞表面受擾材料層。

表1 鈦合金TC4電解加工用電解液成分

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鈦合金表面氧化膜的構(gòu)成

當(dāng)鈦合金裸露在含氧溶液或空氣中時(shí)，極易被氧化而形成一層氧化物保護(hù)膜覆蓋于金屬表面，從而導(dǎo)致金屬的化學(xué)性質(zhì)變得不活潑而成為鈍化狀態(tài)，這就是鈦合金的自鈍化特性。電解加工鈦合金時(shí)，鈦合金陽(yáng)極表面在自鈍化膜的基礎(chǔ)上進(jìn)一步被氧化成不同價(jià)態(tài)的氧化物保護(hù)膜，即陽(yáng)極鈍化膜，使其鈍性進(jìn)一步加強(qiáng)，這就是鈦合金的陽(yáng)極鈍化特性［4］。經(jīng)X射線光電子能譜分析表明，陽(yáng)極鈍化膜是包含各種價(jià)態(tài)的鈦的氧化物，如Ti3O5、TiO、Ti2O3、TiO2，且不同氧化物的多層結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的分界線。根據(jù)能譜結(jié)果獲得的鈦合金電解加工表面氧化膜的種類及成分見(jiàn)表2。

表2 鈦合金表面氧化膜的種類及成分

2.2 未電解加工的試樣表面形貌特征

未電解加工的試樣表面形貌特征見(jiàn)圖1，能清晰地發(fā)現(xiàn)試樣表面有打磨造成的微劃痕，選定區(qū)域的平均表面粗糙度值為Ra3.122μm。

圖1 未電解加工的試樣表面形貌特征

2.3 不同濃度電解液的電解加工結(jié)果及分析

（1）質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaCl溶液

圖2是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaCl電解液電解加工TC4得到的試樣表面形貌特征?？煽闯?，銀灰色膜是自鈍化氧化膜，說(shuō)明鈦合金表面的自鈍化膜在Cl-的點(diǎn)蝕作用下，電解液不斷地由表面向內(nèi)部滲透，裸露的鈦合金表面快速形成新的自鈍化膜后，又在Cl-的作用下形成新的點(diǎn)蝕坑，從而形成麻點(diǎn)很多的加工表面。從圖中還可得知，加工表面復(fù)制精度較好，平均表面粗糙度值為Ra3.281μm，與未電解加工的試樣相差不大；而表面粗糙度值略有增大主要是因表面點(diǎn)蝕嚴(yán)重所致。

圖2 10%NaCl電解液加工的試樣表面形貌特征

（2）質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaNO3溶液

圖3是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaNO3電解液電解加工TC4得到的試樣表面形貌特征?？煽闯觯嚇颖砻娉仕{(lán)紫色，局部的暗紫膜和少量黑色膜表明加工表面是以Ti2O3和Ti3O5為主的陽(yáng)極鈍化膜，且表面麻點(diǎn)很多，說(shuō)明該電解液無(wú)法有效去除加工表面的鈍化膜，阻礙了電解加工的進(jìn)行。從圖中還可得知，加工表面凹凸不平，平均表面粗糙度值為Ra6.746 μm，與前述相比明顯增大，說(shuō)明該電解液影響了電解加工陽(yáng)極表面的復(fù)制精度。

圖3 10%NaNO3電解液加工的試樣表面形貌特征

（3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaNO3+10%NaCl溶液

圖4是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaNO3+10%NaCl電解液電解加工TC4得到的試樣表面形貌特征?？煽闯?，加工表面呈棕色、蝕除凹坑直徑大、有不規(guī)則的黑色氧化膜、出現(xiàn)雜散腐蝕現(xiàn)象、無(wú)金屬光澤，且加工表面是以TiO2和Ti3O5為主的氧化膜。與質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaCl電解液加工相比，表面點(diǎn)蝕情況得以緩解，但能明顯看出表面凹坑形貌，平均表面粗糙度值達(dá)Ra10.594μm，說(shuō)明該電解液造成加工區(qū)域不均勻，陽(yáng)極型面復(fù)制精度很差。

圖4 10%NaNO3+10%NaCl電解液加工的試樣表面形貌特征

（4）質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaNO3+5%NaClO3溶液

圖5是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaNO3+5%NaClO3電解液電解加工TC4得到的試樣表面形貌特征?？煽闯觯庸け砻娉仕{(lán)色氧化膜，表明是以Ti3O5為主的陽(yáng)極鈍化膜，且表面雜散腐蝕嚴(yán)重。與質(zhì)量分?jǐn)?shù)10 %NaNO3電解液加工相比，添加NaClO3可促使更多的Ti2O3轉(zhuǎn)變?yōu)門i3O5，使加工表面呈藍(lán)色陽(yáng)極鈍化膜。從圖中還可得知，平均表面粗糙度值為Ra10.575μm，加工區(qū)域不平整，陽(yáng)極型面復(fù)制精度不高。

圖5 10%NaNO3+5%NaClO3電解液加工的試樣表面形貌特征

（5）質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaCl+15%NaClO3溶液

圖6是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaCl+15%NaClO3電解液電解加工TC4得到的試樣表面形貌特征?？煽闯?，加工表面呈黑色氧化膜，且有少量金黃色氧化膜，表明加工區(qū)域是以Ti3O5和TiO為主的陽(yáng)極鈍化膜，仍未出現(xiàn)裸露的鈦合金金屬表面。由圖還可得知，表面極不平整，平均表面粗糙度值為Ra7.372 μm，陽(yáng)極型面復(fù)制精度不高。

圖6 10%NaCl+15%NaClO3電解液加工的試樣表面形貌特征

（6）質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%NaBr+10%NaCl溶液

圖7是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%NaBr+10%NaCl電解液電解加工TC4得到的試樣表面形貌特征。可看出，表面點(diǎn)蝕較少，且呈現(xiàn)金屬光澤，說(shuō)明該電解液可有效去除鈦合金表面的自鈍化膜和陽(yáng)極鈍化膜；但電解液流痕紋路清晰可見(jiàn)。通常，流痕紋路大多產(chǎn)生于裸露的金屬表面，在有氧化膜的金屬表面會(huì)以雜散腐蝕特征出現(xiàn)，由此可說(shuō)明該電解液能提高電解加工效率。而流痕紋路的問(wèn)題主要是由于電解液出口壓力及流場(chǎng)分布不均勻所造成的，在后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)整電解液出口壓力及分析流場(chǎng)分布來(lái)解決此問(wèn)題。由圖還可知，局部加工區(qū)域表面光滑平整，平均表面粗糙度值達(dá)Ra1.5μm以下，比原始試樣降低2倍，達(dá)到了很好的加工效果。

圖7 15%NaBr+10%NaCl電解液加工的試樣表面形貌特征

經(jīng)上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Cl-的點(diǎn)蝕作用明顯，無(wú)法得到光滑平整的加工表面；Br-也屬于活性離子，且其活性比Cl-大；在Br-和Br-+Cl-的復(fù)合電解液中，鈦合金的溶解性能比在Cl-單組分電解液中效果好。NO3-和ClO3-屬于鈍化離子，在陽(yáng)極工件表面起氧化、鈍化作用；在NO3-、ClO3-的電解液中，鈦合金會(huì)受到陽(yáng)極鈍化膜的干擾進(jìn)行活化溶解，加工表面凹凸不平且粗糙，凹處呈活化態(tài)，凸處為陽(yáng)極鈍化膜。因此，單組分的電解液無(wú)法得到高質(zhì)量的電解加工表面，而復(fù)合電解液中的鈍性和活性陰離子有相互補(bǔ)償作用，極易達(dá)到均勻活化溶解或均勻超鈍化溶解狀態(tài)，且合適的配比能使電解液達(dá)到更優(yōu)的加工性能。

2.4 硬度分析

硬度分析試驗(yàn)主要考察電解加工后的工件亞表面是否有受擾材料區(qū)。分析發(fā)現(xiàn)，各組分電解液電解加工后的試件表面硬度基本在310 HV左右（圖8），說(shuō)明電解加工對(duì)亞表面區(qū)域的影響不是很大。質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaNO3+10%NaCl電解液加工后的工件表面硬度為298 HV，主要是由于加工表面粗糙度值太大、表面凹凸不平所致。后期仍需通過(guò)其他檢測(cè)手段進(jìn)一步了解亞表面的質(zhì)量情況。

圖8 各組分電解液加工的工件表面顯微硬度

3 結(jié)論

（1）質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%NaBr+10%NaCl電解液能有效去除鈦合金TC4表面的鈍化膜，得到光滑平整、具有金屬光澤的加工表面，表面粗糙度值達(dá)Ra1.421μm，且工件表面硬度基本不變。

（2）Br-、Cl-的電解液能有效溶解鈦合金TC4表面的鈍化膜；NO3-、ClO3-屬于鈍化離子，能促使工件表面起氧化、鈍化反應(yīng)。

（3）電解加工后的工件硬度基本不變，推測(cè)工件亞表面無(wú)電解加工受擾材料區(qū)。

（4）試驗(yàn)過(guò)程中，工件表面的流痕紋路主要是流場(chǎng)分布及電解液流速不當(dāng)引起的，后期可通過(guò)流場(chǎng)與電流分布模擬以及電解液出口壓力和流速的調(diào)整來(lái)解決此問(wèn)題。

［1］徐家文，趙建社.航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體構(gòu)件特種加工新技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

［2］范植堅(jiān)，李新忠，王天誠(chéng).電解加工與復(fù)合電解加工［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［3］Kim B H，Na CW，Lee Y S，et al.Micro electrochemical machining of 3Dmicro structure using dilute sulfuric acid［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2005，54（1）：191-194.

［4］徐惠宇，朱荻.微細(xì)群縫的精密電解加工研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2004，15（21）：1912-1915.

Study on Influence of Electrolyte on Surface Quality of TC4W orkpiece in Electrochem ical M achining

Sun Yubo，Qiu Zhenzhen
（Tianjin Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

The influences of different components of electrolyte on the surface quality of TC4 workpiece in electrochemicalmachining are studied.The experiments and their analysis show that in the 15%NaBr+10%NaCl，electrochemicalmachined TC4 sample have better surface quality，machined surface is smooth and have lustre of metal，surface roughness is in Ra1.421μm.Meanwhile，the influences of distinct electrolyte are low on the surface quality.The results provide the technology reserves for themaintenance of titanium alloy parts in civil aviation engine.

electrochemicalmachining；TC4 titanium alloy；electrolyte

TG662

A

1009－279X（2015）05－0031-04

2015-07-24

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（3122015L002）

孫宇博，男，1983年生，研究實(shí)習(xí)員。