张忠海_对加工钛合金Ti60整体叶盘电化学实验研究

1、对加工钛合金ti60整体叶盘电化学实验研究chen xuezhen, xuzhengyang, zhu dong, fang zhongdong, zhu di翻译张忠海南京航空航天大学机电工程学院关键词：整体叶盘；电化学加工；表面粗糙度；钛合金；ti60摘要ti60是一种高温钛合金，是目前飞机发动机的重要部件，电化学 加工是一种冇前途的技术，它有几个优点，如加工效率，并且可以使用在很 难加工范围广泛的材料，在本文中，进行正交试验探讨ti60的电化学加工， 口的是确定电化学工艺参数对表面粗糙度的影响，最重要的参数是脉冲电源 的频率，对屯解加工工使用适当的优化参数可以人人的降低工件的表面粗糙 度

2、,表面粗糙度大约可以得到以卜最佳参数，电解液浓度13wt%,电压为20v, 脉冲频率为0.4khz, ilf空比为0.3,温度为23°c,阳极进料速度为05毫米 毎分钟，此外，利用这些优化参数已经成功处理整体叶盘叶片，生产和托管 由elsevier公司对csaa和北航的代表，这是cc by-nc-nd许可下的开放获取 文章。1引言电化学加工是特种加工过程，耍使用极其坚硬材料的机器，用传统机 械加工方法切削是困难的，电化学加工不产生毛刺并且没冇压力，并捉供长 的刀具寿命，并口具有一个无损伤加工表面，高材料去除率，良好的表面质 量。电解加工过程最初发展是为了制造国防和航空航天屮的复杂形状

3、的零件, 并延伸到许多其他行业，如汽车和外科手术的组件的制造，磨具的锻造，最 近还有小型制造，最近，止在研究新的复合材料的电化学加工。钛合金电解加工，如点蚀和表而粗糙度差等缺陷往往出现。另外，在电 化学加工中容易产生钝化膜，导致高分解电压，此外，电化学加工中的电解 产物大多数形成附着在阳极表面的不溶性氧化物，导致在基板和阳极表面的 溶解行为差异，因此，钛合金电化学加工中获得良好的表面质量是很困难的， clifton等人使用高氯酸盐和氯离了研究ytial电化学加工的表面特性和完整 性，大而积的品界出现在表而上，为高完整性没有结构缺陷的证据， dhobeshirish等人使用氯化钠电解质（20g/

4、l）、进给率为0.1毫米每分钟的刀 具对商业纯钛的电解加工进行了实验，该氯化钠分层的表面粗糙度是 2.4-2.93|im的范围适用于钛植入而不需要进一步的表面准备，报道了用轴向 电解质冲洗金刚丝电解加工來加工钛合金。taguchi使用氯化钠溶液和硝酸 钠电解液来优化加工参数，zaytsev等人用微秒脉冲电流对ti-6al-4v饮合金 的电化学加工提岀优化条件，在那里似乎没有表面层氢也没有点蚀klocke等 人发现在一个详细的横a相的部分稍微更快速溶解，ti-6al-4v的表面具有较 高的放大倍率呈现小幅波动但没有任何边缘带上述结果表明，不同的处理参数常常应用于不同钛合金，很少研究ti60 新型

5、钛合金电化学加工，仅仅在航空航天领域被关注，因此，研究调查外 加电压，电解质浓度，脉冲频率，占空比，进给速度对表面粗糙度的影响， 来优化工艺参数，最后，整体叶盘叶片完成具有良好的表面的制造。2实验程序为了获得良好的表面光洁度，电化学加工系统和一个加工夹 具是必需的。此外，适当水平和因素止交试验非常重要。2.1电化学加工系统电化学加工系统非常复杂，为了保证每个测试的可 靠性，加工过程参数的稳定性，如电解质温度，电解液流速，浓度，主轴运动精度，必须被保证。因此，在这个系统，清洁电解质的温度偏差通过热交换器控制在 0.5+0.5c在电化学加工中，用可编程逻辑控制器控制干净电解质的流量, 电化学加工的

6、大量电解产物立刻聚集在电解质槽，为了确保电解质的清洁流 入，在该罐中的电解液通过一个帧滤波器每隔几分钟过滤到干净的电解槽, 如果在几个月后的电解产品的体积是显着，帧筛选器将运行，为了压缩电解 产品成碎片。脉冲电源和主轴的运动是由一个独立的系统控制。在这些研究 中所用的电化学加工装置示于图1.2.2加工夹具在电化学加工过程屮，工件固定的向阴极移动，阴极和阳 极的连杆由不锈钢制造，夹具加工原理图如图2所示。工件是ti60用1050°c /2h的空气热处理冷却接着700°c/2h吹风冷却，工件是直径20mm的i员i柱形, 电化学加工测试前，出去工件表而氧化膜，抛光其端而，工件如图

7、3所示。加工表面粗糙度是o.olm的精度和分辨率o.oolm表面测量粗糙度仪 测量，（perthometer马尔1,德国），使用扫描电子显微镜（sem日立s3400n 口本）检测电化学加工之后的表面上的主要部件，2. 3正交试验设计在电化学加工屮，钛合金表面容易产生氧化膜，随着氧 化膜厚度的增加，表面粗糙度变得更差，然而，氧化膜使用卤化物电解质可减 刍厚度这昱有很西的活化能力，对一些常用的离了激活能力排序br->cr>i >cio3_>no3>so4 2_,同吋，设备在漠化钠和漠化钾屯解液下易被腐蚀，因此， 氯化钠是最合适的电解质，在这些实验中，在4wt% - 1

8、6wt%的浓度范围是适用 于nacl电解液。因为在钛合金电化学加工屮有高的电极电势，工艺参数比较 大，在实验屮使用电压范围20-40v,温度范围为23-55c,另外，脉冲电源在电 解加工间/过程屮能及时清除产品，因此，脉冲电源是有必要的，并h.它必须有足够 的时间去清除絮状物产品，脉冲电源的频率和占空比分别是0. 2-1. 011z和0. 2-0. 6, 经过试验和错误测定后0.2 - 0.6毫米/分钟的范围内的进料速率被使用，在这项研 究中，一个适当的l25 （56）正交阵列被应用。六个加工参数和五个水平在表1中二 十五个实验被执行。3报告结果实验参数和结果显示在表2,此外，每个实验结果被测

9、试两次以提高 测试结果的可靠性，表3中的范闱的分析表明，优选的案是a2b1c2d2e1f4,并且进行 验证测试。具体参数和实验结果显示在表4中。图4显示加工参数对表而粗糙度的影控制系统响，每个影响表面粗糙度的因素将在下面小节描述。硬入口图一钛合金电化学加工系统夹具顶兰阳极空白图2加工工件3.1.电解液的浓度对表面粗糙度的影响如图4 (a)所示，表面粗糙度随在4wt%-12wt%浓度范围增加而增加,这是因为 电解质浓度越高，活化作用越强，随着浓度的增加氧化膜对电化学加工影响很小，合 金中元索的溶出度是一致的，表面粗糙度较好，然而，当浓度超过13wt%时，粗糙度 值儿乎不变，当浓度超过13毗时电解

10、质的活化能力足够好，此后表而粗糙度没有显 著提高，其后。作为电解质的浓度进一步增加，电解质的导电率的提高，从而导致更 多的电解产甜和加工间隙增加。电解质电导率得到改善，导致更多的电解产物增加了 加工间隙，相对大的加工间隙导致更低的流速，然后，在阴极表面的电解产物很难去除，造成表面不均匀溶解，因此，当浓度超过13毗时，表面粗糙度不会升高。图3实验工件3. 2.频率对表面粗糙度的影响如图4 (b)所示，当频率小于0. 4khz时,表面粗糙度差,频率高于0. 4khz时,表面粗糙度大约为1.2um,脉冲电源的主要优点是电解加t-过程中的间歇腐蚀，在钛合金电化学加工中，电 解产品大多数是不溶性氢氧化物

11、，如果脉冲电源的频率太低，没有足够的时间去除产 物，因此它积累在处理区，导致差的粗糙度，当频率超过0.4khz时，受脉冲作用影 响的电解加工得到充分体现，当电源频率升高，电源周期变短，单脉冲时间更短，导 致更少的点解产物在脉冲间隔内被冲走，然后，加工过程更加稳定，表而有较好的表 面粗糙度，当电源频率超过0.4hkz时，虽然除去产物脉冲间隔较短，但所产生的电 解产物的数量在每个电源周期也较小。电化学加工产物，如氢氧化物沉淀，热，气体 气泡，可以从加工间隙排除，电解质电导率可以保持一致，因此，加工表面粗糙度仍 保持良好。3. 3.占空比对表面粗糙度的影响除了频率，占空比也是脉冲电源的一个主要参数占

12、空比为0.3时，表面有更好的粗 糙度，如图4所示，在低占空比悄况下，在每个电源供应周期中，处理时间相对较短，所以，有足够的时间除去电解产物，加工过程中的电化学溶解更简单，表面粗糙度提髙， 然而，如果占空比极低(0.2),平均电压变得很低，加工间隙变得很小当其他工艺参数 不变时，电化学加工产物将堆积在加工间隙并r很难被移除，因此，占空比为0. 3为最 好的选表1实验加工参数编号电解液浓 度(wt%)电压(v)频率(kiiz)占空比温度(°c)进给速度(mm/min)116200.20.2230.2213250.40.3310.2310300.60.4390.447350.80.5470

13、.5544010.6550.6表2 l25 (56)正交矩阵布置和测试结果编 号电解液浓度(a)电压(b)占空 比(d)温度(e)进给速 度(f)表而粗糙度 (u m)i111i1i1.33212>2221.21631333331.20741444441.23451555551.2626213451.14672>34511.349823451>1.1592451231.078)0251分341.26811313541.1461237£41351.i7s13335411.315143413522.1181535*>4131.12616414531.3521742

14、53140.923184314251.9971944753i1.2912045314>1.291215154321.177 5>15432.297235321541.70724543150.97825554311.241表4根据表3优选方案电解液浓电压(b)频率(c)占空比温度(e)进给速度表面粗度(a)(d)(f)糙度(u m)13wt%20v0. 4kiiz0.323 °c0. 5mni/min0.912表3实验结果分析6.2496.1519.016.5x15.5076.5265.9916.965.4<156.1296.67k6.9526.sh7.3765.97

15、16.6356.1827.066.8546.699& .1526.8s36.6936.2787.46j8r>7557.1467.78k6.5581.249«1.2302i.ku2l3i621.1014i. ao52k2ij9821.3921.0811.225x1.335&1.39041.3761.47521.194213271.23641.4121.370«l339k12304137661.33x61.2556*5i.4k1.23761.1511.42921.55761.31160.28180.2450.7210.20340.45620.1564范围a

16、 丸 a b > d > f 垂要性排序最佳组台 h4e"浓度圖的频率(khz)图4加工参数对表面粗糙度的影响3. 4.温度对表面粗糙度的影响如图4所示，随着温度的升高表面粗糙度变并此外，当电解质温度高于50摄氏度, 表而质量劣化，正如已经提到的，在电解加工钛合金产品大多是不溶性氢氧化物和水合 氧化物，fl温度越高，氧化作用越强。用氯化钠电解质产甜主要是ti (oh) 3, ti (oh) 4, ti3+,和ti4+。不过，当温度太高，一些三价钛离了(离了)在阳极继续反应得到四 价离子(ti4+),如下面的公式所示：ti3+ti4+4- e (1)ti3+的另一部分形成不

17、溶性氢氧化物如卜面方程：ti3+ + 3oittti (oh) 3(2)ti (oh) 3是被氧气氧化成h2tio3,如下方程所示：2ti (oh) 3+l/2o22h2tio3+h2o(3)四价钛离子形成ti (oh) 4如i下:ti4+4oh_->ti (oh) 4(4)更高的温度促进一(4)反应，ti (oh) 3. h2tio3. ti (oh) 4全都不溶于水且易附着 于表血，因此，温度在2355°c内增加表面粗糙度恶化。方程式(1) (4)如图5表示。 利用扫描电了显微镜确定了电解加工表面组成部分，主要是钛氧化物，由于铝，锡，和 zr的峰值来白基材的组合物，一个it

18、lna体现nacl溶液。3.5.电压对表面粗糙度的影响如图4 (e)所示，随着电压在20-30v内增加，表面粗糙度更差，然而，当电压超 过30v时，表血粗糙度变得较好，随着电压升高，电解反应变得更加剧烈，大量的电解产物将生成，此同时，电解 质的速度基本保持不变，电解产物去除的量相对较小，大量的产物聚集在加工区，结果， 电导率在加工间隙中变得不均匀，导致氧化膜的产牛和不均匀的表面溶出度，增加电压 至2o-3ov是导致更差粗糙度的原因，然而，当电压进一步升高，电解活性增强，充分 克服产物形成的增加，从而减少氧化膜的厚度，另外，工件表而溶出度更均匀，因此, 随着电压在2030v范禺内增加,表面粗糙度

19、增加。流动电解质钛阳极c1"cr2ti(oh)3+l/2o2->2h2 tio3+h2otp+3ohjti(ohhti3+->ti4+eti4 +40h ->ti(oh)4o cl-oo° 0ci-通过氧化膜的细几ti->ti3 +3eti>ti4+4e图5在阳极表面上形成氧化层的示意图电化学加工电源图7 扇形坯料的电解加工方法表5ti60表面加工成分用索相对原子质址原子组成(at%)ti44.27o842.93al134.37sn506,65zr400.52na110.6436进给速度对表面粗糙度的影响表3和图4 (f)表明进给速度对表面粗糙

20、度的影响小于其他参数，如示于图4(f)中,在0. 2-0. 6毫米的进料速率/分钟,表面粗糙度是大约1.25-1. 41 um,进给 速度为0.5毫米每分钟时，表面有最好的表面粗糙度，在加工中，人量的电化学产物 生成将影响电解质电导率的分布，因此 电解产物必须及时有效的清除，为了容易的 去除产物，加工间隙一般通过较低进给速度来获得，如图4(f)所示，当进给速度高 于0.5毫米每分钟时，表面粗糙度更差，主要的原因是，当进给速度升高时，加t间 隙变得很小，且处理区内电解质电导率不均匀，导致表而元素不均匀溶解，和更差的 表血粗糙度，当进给速度更低小t 0. 4毫米每分钟时，加工间隙太大，导致电流密度

21、 明显减少，表面上的电解质活化能力也减少，表面不均匀溶解，导致表面粗糙度更差， 在进给速度为0.5毫米每分钟时，农而粗糙度最好，原因是电解液以适当的流速及时 带走电解产物，同时，加工间隙要足够大，电流密度也要高。4. 制造实验4.1实验方法在屯化学加工中，整体叶盘是以一定角度固定于转盘，由丁叶片间狭 窄的通道，凸的和凹的阳极全部被使用，该片的阳极设计成通过在阳极连接杆的运动 的叶片和机器之间的通道进料，在加工区的主要电解质是通过横向流动的方法，加工 方法和流场方式如图7所示，v是阳极的进料速度。353025201510502468101214161820energy (kev)图6在电化学加工后工件來口扫描电镜的光谱图8为叶片电化学加工系统映像图9 ti60叶盘叶片电化学加工的毛坯4. 2.机床和机械加工工件山于这种加工过程的新颖性，六个坐标轴的精密机床必须山西门了可编程控制器自动 运动控制系统特别开发，加工工具如图8所示，为了保证加工区充足的电解质，止确 的流场和一个合理的夹具是必耍的，这个夹具不仅要有良好的强度，也耍没有传导性， 因此，夹具的材料是特种坏氧树脂，ti60的整体叶盘叶片在电解加工中的夹具，如图 8 (b)所示，用不锈钢材料制作阴极通过计算机仿真和电解加工原理，如图8 (c)所 示，毛坯也是通过电化学加工获得，如图9所示，同时，叶片表面加工前的主耍余量 约 3