庞曰群，朱 栋，朱 荻

（ 南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016 ）

TC17 钛合金具有质轻、强度高、耐腐蚀、耐热性好等优点[1-2]，广泛应用于航空航天领域，是制造航空发动机整体叶盘和叶片的主要材料[3]。 采用传统的铣削加工时，由于钛合金热导率低，切削加工散热困难，导致刀具磨损严重，加工成本高[4]。 电解加工是一种非接触式加工方式，具有加工表面无残余应力、无刀具损耗、生产效率高、加工过程不受材料硬度限制等优点，常作为钛合金等难加工材料的主要加工方式之一，在航空工业中得到广泛应用[5-6]。

钛合金化学性质活泼，常温下暴露在空气中会形成钝化膜而阻碍电解加工进行，这导致钛合金电解加工时表面易产生选择性溶解， 使工件产生点蚀、表面粗糙等缺陷，国内外学者自此进行了一系列研究。 杨怡生等[7]研究了钛合金TC4 和TC9 在电解加工过程中的点蚀影响因素，发现钛合金点蚀与电解液成分、电流密度等密切相关。 GE 公司针对钛合金TC4 在NaCl 电解液中加工后的点蚀现象进行研究，发现提高电流密度能有效减少点蚀的发生[8]。Clifton 等[9]研究了不同电解液种类对γ-TiAl 电解加工样件表面粗糙度的影响，结果表明，采用NaCl 电解液试件可得到较低的表面粗糙度， 而采用HClO4溶液加工得到的试件表面粗糙度较差；Liu 等[10]研究了钛合金在不同浓度的NaNO3和NaCl 溶液中的溶解特性，优化了钛合金的加工参数。张美丽[11]采用了辅助阳极的方式提高了钛合金TC4 电解加工的表面质量；刘莫邪等[12]研究了振动电解加工脉冲参数对TC17 非加工面杂散腐蚀行为的影响，研究表明，随着脉宽的减小，非加工面的杂散腐蚀明显减弱。

钛合金叶片和叶盘在长时间高温高压下工作，易产生疲劳裂纹，而零件表面缺陷如点蚀、微观裂纹等是加速疲劳裂纹产生和扩展的主要原因。 目前针对钛合金电解加工技术的研究主要以降低表面粗糙度、减少点蚀和杂散腐蚀为主，对钛合金电解加工后表面完整性和零件疲劳寿命的研究较少。 本文针对钛合金TC17 进行了疲劳试件电解加工模型的设计及流场的仿真与优化，开展了不同电压下的疲劳试件电解加工试验，分析了电压对电解加工试件的点蚀、表面粗糙度及晶间腐蚀的影响，并对具有不同表面质量的试件进行了振动疲劳寿命试验，分析了表面质量对疲劳寿命的影响关系。

1 流场仿真模型建立与结果分析

1.1 加工方式选择

为了研究表面质量对疲劳寿命的影响，采用电解加工的方式制作疲劳试件，振动疲劳试件为TC17板状试件，试件长110 mm、宽20 mm、厚2 mm，两侧长边中心圆弧R20 mm。为了加工疲劳试件，设计电解液沿试件宽度方向流动的侧流式方案（图1），试件两侧与阴极留有一定间隙，电解液自试件上方流入，通过环氧树脂所形成的导流段，经试件的分流作用流经加工区域。

图1 疲劳试件电解加工流动方式

在上述流动方式中，由于试件较长，若采用单路进液，加工区域沿长度方向会存在流场分布不均的情况；此外，电解液在试件上端的被动分流，会造成试件进液口附近流场紊乱，影响试件表面质量的均一性。 为此，提出了双路进液并在出口施加背压的方式，改善加工区域的流场分布，同时开展不同进出液条件下的流场仿真。

1.2 流场仿真和结果分析

1.2.1 流场模型与边界条件

根据上文流动方式的分析，设计了图2 所示的电解加工装置模型，该装置主要由夹具体、电源系统、工具阴极、工件和过滤装置系统组成。

图2 电解加工装置模型

为验证双路进液同时在出液口施加背压的加工方式的优越性，对单路进液、双路进液、双路进液带背压3 种方式开展流场仿真，根据电解加工装置模型分别提取单进液口和双进液口流道模型见图3。 采用ANSYS 仿真软件的fluent 模块进行流场仿真， 选择RNG k-ε 湍流模型并用压力基求解器，边界条件设置3 种加工方式的入口压力为1 MPa，单路进液、双路进液、双路进液带背压的出口压力分别为0、0、0.3 MPa。

图3 流道模型对比图

1.2.2 仿真结果分析

基于以上流体模型和边界条件，开展了加工区域内电解液流场仿真，获得加工间隙内流速和压力分布云图分别见图4～图6。

图4 单路进液加工区流速、压力分布

图6 双路进液带背压加工区速度、压力分布

图5 双路进液加工区流速、压力分布

由图4～图6 可看出，采用单路进液时，沿试件长度方向流速分布不均；采用双路进液后，沿工件长度方向流速分布更加均匀，但沿流程方向流速变化较大，推测这是由入口处试件对电解液的分流作用和进出口压差过大所导致；采用双进液口并施加0.3 MPa 背压后，在加工区域内，电解液流速和压力分布都较为均匀。

表1 是在加工区域内均匀选取5000 个点计算所得的平均流速和流速方差。 可看出，双路进液时加工区平均流速为43.7 m/s， 较单路进液时有较大提升，但此时流速方差187.6 m2/s2明显高于单路进液的流速方差，说明流速波动较大，流场不稳定；采用双路进液并施加0.3 MPa 背压后， 加工区平均流速为40.5 m/s，流速方差为43.2 m2/s2，与未施加背压时相比流速方差显著减小，说明加工区流速较高且分布均匀，则接下来采用双路进液并施加背压的方式开展电解加工试验。

表1 三种模型的平均流速和流速方差

2 疲劳试件电解加工试验与结果分析

2.1 试验装置与加工参数

开展疲劳试件电解加工试验的装置主要由夹具体、进出液口、工具阴极和引电铜块组成，工件置于夹具体内，通过导电铜块与电源正极相连，两阴极固定在机床主轴上并与电源负极连接。 加工时，两侧阴极以相同速度匀速进给，电解液自工件与阴极之间的间隙流出。 为了获得具有不同表面质量的疲劳试件，分别在不同的加工电压下开展电解加工试验，具体加工参数见表2。

表2 电解加工试验参数

2.2 试验结果分析

2.2.1 表面粗糙度

为了对流场仿真结果加以验证， 首先取25 V电压下加工的试件，对图7 所示各线条沿线方向进行表面粗糙度的检测，得到结果见表3。 可看出，加工面各区域的表面粗糙度值差距在Ra0.1 μm 左右，说明采用双路进液并施背压后各位置表面质量均一性较好，与流场仿真结果吻合。

表3 不同位置表面粗糙度测量值

图7 表面粗糙度测量位置

然后对不同参数下加工的试件进行表面粗糙度检测，每件试样在加工面上随机选取3 个点进行测量，测量结果见表4。 可看出，加工电压的变化主要影响平衡电流密度， 进而导致表面粗糙度的变化，在20～30 V 范围内表面粗糙度值随加工电压的增大而减小。

表4 不同参数下试件表面粗糙度

2.2.2 微观形貌

图8 是采用扫描电镜对不同电压下加工试件得到的表面形貌（放大100 倍），可见在扫描电镜下表面主要有亮色和暗色两种色泽。 当电压为20 V时，表面主要以暗色为主，表面存在的点蚀凹坑和片状的腐蚀残留物，随着反应的继续进行，此类片状腐蚀物将整体从基体表面脱离下来，这是由于此时电流密度较低，选择性腐蚀较严重；随着电压升高至25 V，材料表面亮色与暗色交错分布，此时表面的点蚀凹坑和腐蚀残留物变少；当电压增至30 V时，表面主要以亮色为主，平整且无点蚀和腐蚀残留物的存在， 这是由于该电压下电流密度较高，材料表面溶解更加均匀。

图8 不同电压的电解试件表面形貌

图9 是对上述打框的亮色区域和暗色区域放大10 倍的表面形貌对比。 可看出，亮色区域晶粒分布规律且紧密，此区域表面质量较好；暗色区域晶粒分布杂乱且分散，高低起伏大，表面质量差。

图9 暗色区域与亮色区域形貌对比

2.2.3 晶间腐蚀观察

晶间腐蚀是电解加工中易产生的一类表面缺陷，它与点蚀形成机理类似，都是材料选择性溶解的结果， 晶间腐蚀的存在会破坏晶粒间的结合，降低材料的机械强度与抗疲劳性能。 为了观察试件的晶间腐蚀情况，采用线切割将电解加工试件垂直于表面割开后得到试件剖面，经砂纸打磨后除去表面的线切割影响层，经腐蚀处理后采用扫描电镜放大500 倍观察断面金相组织， 得到不同电压下电解加工工件的断面金相组织见图10。

图10 不同电压下的电解加工工件剖面金相组织

由图10 可见，电压为20 V 时，试件出现晶间腐蚀现象，深度约为15 μm；当电压≥25 V 时，不产生晶间腐蚀现象。 这是由于晶间腐蚀本质上是由材料的选择性溶解导致的，晶粒内部与晶粒间连接处的化学成分和原子排列方式存在差异，导致了二者电极电位不同， 晶粒间组织往往具有更高的位能，反应时优先被溶解，由此产生了晶间腐蚀现象。 当电压不高即电流密度较低时， 选择性溶解现象严重，工件表面产生晶间腐蚀现象；当电流密度较高时，选择性溶解现象减弱，工件表面无晶间腐蚀现象产生。 在本试验中， 当电流密度高于48.4 A/cm2时，不会产生晶间腐蚀现象。

3 疲劳寿命检测与分析

为了进一步分析表面质量对试件疲劳寿命的影响， 对不同电压下加工的试样进行振动疲劳试验，每组参数加工5 个试件。 在图11 所示的电动振动试验系统中开展疲劳试验，设定应力400 MPa、振动频率100 Hz、环境温度20～25 ℃。 试验前先对不同试件进行应力应变对应关系标定，然后试件固定端通过螺栓固定在试验平台上，试件自由端安装加速度传感器采集试验过程中加速度和位移变化，待产生疲劳裂纹即终止试验。

图11 电动振动试验系统

表5 是通过试验得到的不同试件的疲劳寿命，其通过应力循环次数表示，应力循环次数越高则试件越抗疲劳。 采用20 V 电压加工时，加工的试件表面粗糙度约为Ra1.8 μm，试件平均应力循环次数为1.62×105；当电压提升至25 V 时，试件表面粗糙度约Ra1.2 μm， 试件平均应力循环次数为1.24×106；当电压提升至30 V 时， 试件表面粗糙度稳定在Ra0.7 μm 左右，试件平均应力循环次数为1×107。可看出，随着加工电压的升高，表面粗糙度值逐渐降低，且材料的振动疲劳寿命得到显著提高。

表5 加工试件疲劳寿命

综合以上试验结果，分析可知试件疲劳寿命主要受到表面粗糙度的影响，这是由于表面粗糙度值越大，表面凹凸起伏越大，表面细小沟槽、缺口的数量和尺寸越大，当施加外部载荷时，这些位置极易产生应力集中而引发疲劳裂纹，从而造成了零件的疲劳寿命降低。 此外，在20 V 和25 V 的低电压下加工所产生的点蚀和晶间腐蚀现象也会降低材料的疲劳寿命。

4 结论

本文针对TC17 疲劳试件电解加工开展不同进出液方式的流场仿真与不同电压下的电解加工试验，并进行表面质量检测与振动疲劳试验，得到以下结论：

（1）采用双路进液并在出液口施加背压的加工方式可得到均匀的流场分布，所加工试件表面质量均一性好。

（2）在20～30 V 的电压范围内，表面粗糙度随加工电压的升高而降低，点蚀和晶间腐蚀也会逐渐减弱甚至消失；在电压为30 V 时，表面粗糙度最小仅为Ra0.7 μm 左右，无点蚀和晶间腐蚀现象产生。

（3）通过电解加工分析发现，试件的表面粗糙度对疲劳寿命影响较大， 表面粗糙度由Ra1.8 μm降低至Ra0.7 μm，对应的应力循环次数由1.62×105升高至1×107。