(TiB+TiC)/TC4钛基复合材料电解加工基础试验研究

2021-10-26李洁李寒松徐国梁

机械制造与自动化 2021年5期

李洁，李寒松，徐国梁

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

0 引言

钛基复合材料(TMCs)是在钛合金基体中添加颗粒、晶须、纤维等增强相而组成的金属基复合材料[1]，相较于钛合金具有更好的综合性能，是先进航空发动机及飞行器某些重要部件的候选材料[2]。然而，钛基复合材料基体材料导热变形系数小，增强相颗粒硬度高，用传统的加工方法(例如切削或铣削)很难获得好的加工效果[3]。

电解铣磨加工(electrochemcial mill-grinding，ECMG)是近年来在电解加工技术基础上发展起来的一种柔性电解机械复合加工方法，它采用带有磨粒的棒状工具，通过类似铣削加工的方式实现复杂结构的加工，较电解磨削具有更高的柔性及生产率。QU N S等[4]综合电解铣削和电解磨削的优点，首次提出外部供液的电解铣磨加工方法，采用钎焊金刚石磨料球头棒状工具，对Inconel 718开展电解铣磨加工试验研究，其切削深度为0.5mm。随后，内部供液方式也被应用于电解铣磨加工。LI H S等[5]在切深为3mm的电镀金刚石磨料管状工具阴极侧壁开设单排喷液孔，在GH4169上加工出凸台结构。NIU S等[6]在切深为10mm的电镀金刚石磨料管状工具侧壁开设4排出液孔，通过流场数值模拟分析与Inconel 718切削试验验证，发现相比于垂直排布，采用螺旋排布的方式能有效提高工件侧面的平整度。

目前关于电解铣磨加工技术的研究主要集中于镍基高温合金Inconel 718/GH4169，尚无有关钛基复合材料电解铣磨加工的报导。本文针对TC4及(TiB+TiC)/TC4复合材料展开电化学特性测量，并选择合适的加工参数进行(TiB+TiC)/TC4复合材料电解铣磨试验研究。

1 电化学特性测量

1.1 试样准备

本文所使用的钛基复合材料为TiC和TiB颗粒增强，基体材料为TC4钛合金。(TiB+TiC)/TC4复合材料中增强相与基体材料的体积分数如表1所示。通过电火花线切割将两种材料制成边长为10mm的立方体试样，并对表面进行抛光处理后用于电化学特性测量。

表1 (TiB+TiC)/TC4复合材料增强相与基体材料的体积分数单位：vol.%

1.2 阳极极化曲线

阳极极化曲线表示电极电位与电流密度之间的关系，用于研究阳极极化的规律及金属溶解过程。本试验使用电化学工作站(Zennium E，Zahner，德国)测量TC4及(TiB+TiC)/TC4复合材料的极化特性曲线。测量前将试样待测面抛光，放入封装模具中进行密封处理，待密封胶凝固后将待测面多余胶体磨除，保持切面整齐，并用丙酮清洗表面油污。极化测量采用三电极体系，其中铂电极为对电极，甘汞电极为参比电极。试验在(30±1)℃的10%浓度的NaNO3溶液中进行，采用恒电位法测量极化曲线，扫描速率为10 mV/s，扫描范围为0～13 V。

1.3 电流效率测量

法拉第定律又称为电解定律，可用于描述电极上通过的电量和电极反应物质量之间的关系，即：电极界面上发生化学变化物质的量与通入的电量成正比。然而，实际电解加工中阳极金属的溶解量并不同于理论计算值。为了明确金属溶解对总电量的利用率，引入电流效率概念，表征实际用于金属溶解的电量占总电量的比值。电流效率随电流密度的变化规律(η-j曲线)是衡量材料电解加工能力的重要指标，计算公式为

式中：M为阳极实际溶解质量，g；ω为材料体积电化学当量，cm3/(A·min)；ρ为材料密度，g/cm3；I为加工电流值，A；t为加工时间，min。

试验在(30±1)℃的10%浓度的NaNO3溶液中进行，加工间隙为0.1mm，电解液压力为0.4MPa，控制并记录反应时间t。试验前后用丙酮清洗，吹干并称量，计算材料溶解质量M。每组试验重复3次取平均值，计算不同电流密度下的电流效率，得到电流效率曲线。

2 试验结果与分析

2.1 极化曲线

TC4及(TiB+TiC)/TC4复合材料的极化曲线测量结果如图1所示。在低电压下的钝化区内，电流密度值为0，材料几乎不会发生溶解。达到溶解电压后，电流密度迅速增长，材料开始大量溶解。TC4的分解电压约为10.5 V，(TiB+TiC)/TC4复合材料较高一些，约为12 V。这表明(TiB+TiC)/TC4复合材料更难溶解。究其原因，可能是由于(TiB+TiC)/TC4复合材料中增强相的存在阻碍了基体材料的溶解。

图1 TC4及(TiB+TiC)/TC4复合材料的极化曲线

2.2 电流效率及表面形貌

图2为TC4和(TiB+TiC)/TC4复合材料在NaNO3溶液中的电流效率曲线。随着电流密度的增加，TC4和(TiB+TiC)/TC4复合材料在NaNO3溶液中的电流效率都呈现非线性变化趋势：在低电流密度下，电流效率随着电流密度的增加迅速增长，而在高电流密度下电流效率变化较小。电流密度为0.78 A/cm2时，TC4和(TiB+TiC)/TC4复合材料电流效率相近，两种材料皆为微量蚀除。电流密度由0.78 A/cm2上升至8.59 A/cm2阶段，TC4电流效率比(TiB+TiC)/TC4复合材料电流效率增长更快。电流密度达到8.59 A/cm2后，两种材料电流效率趋于稳定值，并且TC4电流效率略高于(TiB+TiC)/TC4复合材料。电流效率出现差值的原因可能是由于TiB增强相为纤维状晶须[7]，随着电解反应的进行，基体材料被不断去除，TiB的一部分暴露出来，但仍然固着于材料表面，并未脱落，或者少量脱落。

图2 TC4及(TiB+TiC)/TC4复合材料的电流效率曲线

为了进一步研究TC4和(TiB+TiC)/TC4复合材料在NaNO3溶液中的电化学特性，采用扫描电子显微镜观测不同电流密度下的表面形貌，结果如图3、图4所示。在低电流密度0.78 A/cm2时，电解反应不充分，TC4和(TiB+TiC)/TC4复合材料反应面都存在未溶解区域。电流密度达到8.59 A/cm2时，材料表面被充分腐蚀，其中(TiB+TiC)/TC4复合材料表面可以观察到一些纤维状物质。电流密度达到46.88 A/cm2时，TC4表面较为平整，(TiB+TiC)/TC4复合材料表面呈现大量明显的纤维状晶须。

(a) 0.78 A/cm2

3 (TiB+TiC)/TC4复合材料电解铣磨加工试验研究

电解铣磨加工可以通过同一工具阴极实现同一工件的粗、精加工。粗加工阶段用于去除工件的大部分余量，精加工阶段用于整平工件表面并降低表面粗糙度值，缩短加工周期的同时避免更换工具阴极带来的装夹定位误差。由于(TiB+TiC)/TC4复合材料存在具有很高强度和硬度的TiB、TiC增强相，在机械切削加工过程中容易与刀刃碰撞，造成刀具磨损严重。因此，本文针对(TiB+TiC)/TC4复合材料开展电解铣磨试验研究。试验所采用的工具阴极为末端闭合的管电极，外径和内径分别为10mm和8mm，侧壁绝缘处理，端面电镀170/200#金刚石磨粒并开有5个直径为1mm的喷液孔。

根据极化曲线测量结果可知，(TiB+TiC)/TC4复合材料在NaNO3溶液中的分解电压约为12 V，粗加工阶段施加电压应≥12 V。根据法拉第定律，电流密度越大，材料溶解作用越强。当电压>12 V后，电流密度随着电压的增大而增大，为了提高(TiB+TiC)/TC4复合材料的加工效率，选择30 V作为加工电压。试验加工间隙为0.2mm，进给速度为20mm/min，电解液压力为0.6MPa。

图5(a)为工具阴极在预设的运动轨迹下所加工的平面结构。可以看到，加工平面的平整性较差，能观察到明显的接刀痕。利用激光共聚焦显微镜(OLS4100,Alympus, Japan)对粗加工表面进行三维形貌扫描，并测量其表面粗糙度，结果如图5(b)所示，表面波峰、波谷起伏明显，黑色虚线处所测量的线粗糙度Ra为5.262 μm。如图5(c)所示，粗加工阶段的表面形貌通过扫描电子显微镜(S-3400,Hitachi,Japan)进行检测，可以看到粗加工表面存在大量纤维状增强相，部分区域基体材料溶解不均匀，形成了密集分布的片状结构。

图5 (TiB+TiC)/TC4复合材料电解铣磨粗加工

在电解铣磨的粗加工阶段，为了追求高的材料去除率，需要使用较高的电压，但这也会引起严重的杂散腐蚀，导致已加工表面的质量较差，无法达到精加工阶段的产品要求。因此需要对粗加工后的工件表面进行电解铣磨精加工，从而改善工件表面质量，提高表面平整度。由 (TiB+TiC)/TC4复合材料的极化曲线可知，当电位超过12 V后材料开始发生电化学溶解。因此，为了减少电化学溶解造成的杂散腐蚀，同时提高加工过程中的机械磨削作用，在精加工阶段应该选择较低的加工电压和较小的切削深度，以逐层加工的方式完成小余量材料去除过程。试验加工电压为1 V，进给速度为60mm/min，电解液压力为0.2MPa。

图6(a)为电解铣磨精加工所获平面结构，具有较好的平整性与均匀性，并且可以观察到明显的金属光泽。三维形貌扫描结果如图6(b)所示，精加工表面波峰波谷之间的高度差明显小于粗加工之后的高度差，所测量的表面粗糙度Ra为0.702 μm，表面粗糙度值减少了86.7%。从图6(c)可以看出，精加工后表面磨削痕迹明显，可以看到隆起条纹，这是磨削加工中典型的耕犁及成屑特征[8]。由此可知，精加工过程中磨削起着主导的作用，并且在精加工过程中工件表面的成型不再受杂散腐蚀的影响。