刘 萌，张明岐，黄明涛，程小元

（中国航空制造技术研究院，北京 100024）

随着先进航空发动机对耐高温力学性能和轻质化的要求不断增长，必须采用具有优异力学性能和轻质特点的材料和结构，并不断发展先进的高效、精密制造技术来保证设计，通过改进工艺过程来提高可制造性以降低生产成本，而现有的材料和传统加工技术面临严峻挑战。TiAl合金材料具有优异的抗高温力学性能、高比强度和抗蠕变性，阻燃性能几乎与镍基高温合金相当，且密度仅为后者的一半，是一种极具潜力的轻型高温结构材料，在航空发动机领域具有广阔的应用前景。美国GE公司与英国罗·罗公司成功地将TiAl系金属间化合物 （TiAl 4822）应用于航空发动机低压涡轮叶片来替代镍基高温合金，已进行了超过数万小时的安全飞行工作[1–2]。GE和普惠分别采用铸造和锻造得到具有一定余量的TiAl毛坯，再通过机加工实现叶片成形。但是由于TiAl合金材料作为金属间化合物，室温塑性、韧性及导热性差，带来了材料切削加工性能差、刀具寿命短、成本高的难题，大大限制了TiAl合金材料在航空发动机中的应用。

电解加工是一种非接触式的冷加工工艺，利用电化学阳极溶解原理将工件按工具阴极的形状和尺寸进行加工成形，具有工具阴极无消耗、加工无应力、加工效率高等特点，不受材料机械性能影响，适用于高温合金、钛合金、TiAl金属间化合物等难加工材料的高效、精密加工[3]。Klocke等[4]对比了电子束选区熔化和精密浇铸等不同工艺下制备的TiAl金属间化合物与钛合金的电化学加工特性，研究表明，TiAl的溶解速度高于普通的钛合金材料，证明了采用电化学方法加工TiAl材料的经济性。张安等[5]开展了TiAl 4822金属间化合物和SS304不锈钢材料在NaNO3溶液中的电化学溶解特性研究和两种材料的叶片电解加工试验，对比分析了材料溶解特性差异对加工表面质量和加工精度的影响。顾大维等[6]针对TiAl 4822金属间化合物采用脉冲电解加工方法进行了参数优化研究，利用层次分析法优选了多项工艺指标参数组并进行了试验验证。Clifton等[7]对比了TiAl材料在不同电解液中的加工特性，并对同种材料电解加工和车削加工的表面物理性能进行了评价分析。

金属材料的电化学溶解特性主要由组成材料的各元素电极电位反应特性决定，同时受原材料坯件的成形方式和热处理影响。本文针对铸态TiAl 45XD材料开展了电化学溶解特性分析，通过改变电解加工工艺参数，研究了脉冲宽度、进给速度和脉冲个数对加工表面质量的影响，优化制得致密连续的电解加工表面，并在叶片上进行了型面电解加工工艺验证，为TiAl 45XD材料的航空用零部件的制造提供了技术支持。

1 试验及方法

1.1 试验原料

TiAl 45XD材料坯件在制备小尺寸的棒材时可获得组织较均匀，无明显缺陷且材料性能能达到指标的原材料坯件。试验采用TiAl 45XD合金的精密浇铸圆棒，材料通过二次真空自耗熔炼和一次真空感应熔炼浇铸再经热等静压处理而成。材料的化学元素组成等数据见表1。电化学溶解特性试验在尺寸为Φ30 mm×60 mm的毛坯试件上进行，叶片叶身型面电解加工工艺验证试验在毛坯尺寸为65 mm×38 mm×10 mm的毛坯试件上进行。

表1 TiAl 45XD合金材料化学元素组成、化合价、摩尔质量和材料密度数据Table 1 Element composition, valence, molar mass and density of TiAl 45XD alloy materials

1.2 试验方法

试验采用脉冲振动电解的方式进行加工，在PO250BF型多轴精密振动电解设备上进行，设备具有基于加工电压和电流检测的短路切断系统，在加工过程中阴极可以振动进给，振动频率为0~50 Hz，振幅为0~0.1 mm。溶解特性试验中，阳极采用圆形平面试件，阴极采用与待加工平面等间隙分布的平面电极，通过水套和工装保证电解液采用侧流方式，阴极与阳极试件侧面采取密封措施减小侧向腐蚀影响，试验装置见图1。在其他加工参数不变的情况下，设置不同的初始加工间隙，相应调节进给速度获得大小不同的恒定电流密度。阳极试件加工前后分别进行清洗、烘干和称重。

图1 溶解特性试验装置示意图Fig.1 Device sketch of dissolution behavior testing

叶片叶身型面电解加工工艺验证试验装置见图2。采用片状阴极对叶片的叶盆、叶背型面进行双面同步脉冲振动电解加工，能够避免已加工出表面发生杂散腐蚀，实现叶型和转接R同时一次加工到位。利用电极与工件型面之间的间隙测算和拟合优化得到电极型面，电解液同样采用侧流方式进行加工，通过工装夹具保证电解液从叶尖向叶根流动，能够避免沿流动方向叶型型面变化较大带来的电解液流动不顺畅的问题。试验中阳极采用叶片毛坯块料，经过数控预加工保留均匀的余量（单边3 mm），加工时采用多工步连续加工的方法，设置不同的加工速度和行程，经过多轴联动和阴极振动进给，叶片型面轮廓逐渐成形。

图2 叶片型面电解加工装置示意图Fig.2 Device sketch of ECM blades profiles

2 结果与讨论

2.1 电化学溶解当量分析

依据法拉第第一定律，阳极金属溶解的克数与通过的电量成正比，即

式中，k为质量电化当量；M为摩尔质量；n为电子数；F为法拉第常数；I为加工电流；t为加工时间。对于合金材料来说，元素电化学溶解时存在多种化合价，溶解过程涉及合金中各种元素原子溶解的组合，每种元素原子将按各自在合金中所占的比例和需要交换的电子数进行溶解。

合金材料溶解的质量电化学当量为

体积电化当量为

实际体积电化当量为ηValloy，其中，η为材料的电流效率。材料的溶解速度为

式中，S为加工面积；J=I/S，为电流密度。

根据表1中TiAl 45XD的组分数据，计算得到材料的最大和最小体积电化当量分别为Valloy，max= 3.0572 mm3/（A·min）和Valloy，min=1.7264 mm3/（A·min），得出材料溶解速度与电流密度关系曲线的理论边界范围。固定加工行程1 mm，加工电压24 V，电极振幅0.3 mm，振动频率30 Hz，振动周期3 ms，电解液为质量分数12%的NaNO3溶液，电解液压力1.0 MPa，在不同进给速度下得到材料加工前后的质量差与加工电流结果如表2所示。计算得到TiAl 45XD材料的实际体积电化当量如图3所示。

图3 实际、理论电化学溶解速度与电流密度关系曲线图Fig.3 Actual and theoretical curves of electrochemistry dissolution velocity and current density

可以看出，在一定的范围内材料溶解速度与电流密度线性相关，直线斜率代表材料的实际体积电化当量，为2.546 mm3/（A·min），证明了材料在NaNO3溶液中进行电解时的电流效率不随电流密度的改变而发生明显变化。张安等[5]指出，材料的这种溶解特性有利于减少电解过程中的杂散腐蚀作用，从而提高加工定域性。实际溶解速度与电流密度关系曲线位于理论边界范围内，表明TiAl 45XD合金材料的电化学溶解过程正常，不会出现金属微粒、块状剥落和其他明显的副反应影响材料的电化学溶解。

2.2 加工参数对表面质量的影响

2.2.1 终止间隙

电解加工是有间隙加工，零件的成形精度很大程度上取决于小加工间隙的稳定性，而阴极进给速度和阳极溶解速度能否较好地匹配是影响加工间隙的关键。固定加工电压24 V、脉冲宽度0.36 ms、加工行程1 mm、初始加工间隙0.2 mm，不同进给速度下所得的试件表面如图4所示。随着进给速度提高试件表面附着的黑色产物变少，从微观形貌结果可以看出，试件表面片状结构变少。进给速度从0.05 mm/min提高到0.08 mm/min时，电流密度从79.3 A/cm2提高至93.8 A/cm2，加工终止间隙从0.241 mm降到0.11 mm。试验过程中发现进给速度进一步提高，会因为加工间隙减小和流场变差导致电解加工产物未能及时被冲走而附着于加工表面，从而影响加工表面质量，有可能导致短路而使加工中断[8]。

图4 不同进给速度下试件表面及微观形貌Fig.4 Surfaces and micromorphology of specimens at diあerent feeding rates

2.2.2 脉冲宽度

固定加工电压24 V、进给速度0.08 mm/min、加工行程1 mm、初始加工间隙0.2 mm，不同脉冲宽度ton下所得的试件表面如图5所示。结果表明，随着脉冲宽度增加，加工完表面黑色产物堆积，无法实现均匀去除，原因在于脉冲宽度增加会增加实际有效加工时间，总的加工时间和溶解金属量增加，而且脉冲间隔缩短，使前一个脉冲的加工产物不能在加工间隙被电解液及时冲刷即开始进行下一个脉冲的加工，导致试件表面的电解液失效，加工效果变差。脉冲宽度从0.36 ms增加到0.9 ms时，电流密度从93.8 A/cm2降低至58.4 cm2，加工结束端面间隙由0.111 mm提高到0.687 mm，对加工精度和表面质量不利。从微观形貌图可以发现，随着脉冲宽度增加，试件表面的片层状微结构暴露纹理加深，存在于试件表面的不溶性TiB2变多[9]。在确保脉冲间隔内电解产物能及时充分排除的条件下，缩短电解加工脉冲时间可大幅提高电流密度，实现小间隙加工，从而提高加工成形精度和表面质量。此外，在窄脉冲能场下双电层的极化作用被限制在电极端部极窄的范围内，距离电极很近的加工区极化能力强，相应的电流密度大，工件蚀除量也大；较远的区域极化弱，几乎不发生电化学反应[10]，显著提高加工定域性和精度。

图5 不同脉冲宽度下试件表面及微观形貌Fig.5 Surfaces and micromorphology of specimens at diあerent pulse durations

2.2.3 振动周期

固定加工电压24 V、脉冲宽度0.36 ms、加工行程1 mm、初始加工间隙0.2 mm，采用体视镜观察不同振动周期T下所得的试件表面，结果如图6所示。加工表面的少量黑色产物经冲洗后外观无明显区别。试验过程中发现，振动周期较短，为1.68 ms时，电流密度为136.3 A/cm2，结束加工后对刀即接触，说明端面间隙较小。振动周期增加到3 ms时，电流密度下降为93.8 A/cm2，加工过程稳定，端面间隙为0.11 mm。振动周期增加意味着有效的脉冲加工时间变长，脉冲导通角增大，电流密度变小，加工间隙扩大，会牺牲一部分加工精度。但是每个振动周期输出相对少的脉冲数，虽能获得平整的加工表面，但加工效率降低，出现短路风险提高，无法保证加工过程稳定进行，因此确定振动周期为3 ms可以兼顾表面质量和效率。

图6 不同振动周期下试件表面及微观形貌Fig.6 Surfaces and microstructures of specimens at diあerent vibrating periods

2.3 表面完整性分析

由上文分析可知，当加工电压24 V、脉冲宽度0.36 ms、振动周期为3 ms、加工行程1 mm、进给速度0.08 mm/min、初始加工间隙0.2 mm时，可以得到致密连续的电解加工表面。观察电解加工试样表面，未见晶间腐蚀及点蚀，如图7所示。原因在于试验中的电流密度较大，达到了90 A/cm2以上，各种金相组织的溶解速度差异会变小，从而减轻了选择性溶解，加工表面质量较好。采用X射线应力测定法分析材料的机加磨削和电解加工表面的残余应力，结果见表3。在载荷0.3作用下进行了显微硬度测试，在距表面0~0.5 mm的距离内，电解加工表面硬度268HV相较于机加磨削表面硬度273HV有所降低。

图7 机加磨削表面、电解加工表面及横截面显微组织Fig.7 Surface and cross-sectional microstructure of machining grinding and ECM samples

表3 机加磨削和电解加工试样表面应力Table 3 Stress of machining grinding and ECM surfaces

2.4 叶片叶身型面电解加工工艺验证

在TiAl 45XD材料溶解特性分析的基础上，开展TiAl 45XD材料叶片样件加工工艺验证。叶片型面尺寸约为28 mm×20 mm，叶根处厚度约为1.8 mm，叶尖处厚度约为0.8 mm，要求叶盆叶背型面的表面轮廓度偏差小于0.08 mm，位置度偏差±0.1 mm，扭转角偏差±0.25°，叶身型面表面粗糙度优于Ra0.8 μm。

根据上文的溶解特性分析结果，确定叶片的基础工艺参数组为固定加工电压24 V，脉冲宽度0.36 ms，振动周期3 ms，电极振幅0.3 mm，振动频率30 Hz，电解液压力1.0 MPa。通过连续加工的方式将加工行程3 mm分布到粗成形和终成形加工工步中：第1步行程1.5 mm，进给速度0.12 mm/min；第2步行程1.0 mm，进给速度0.10 mm/min；第3步行程0.5 mm，进给速度0.08 mm/min。加工过程从余量较大的小间隙处开始加工，余量小处的加工间隙大、溶解速度慢，整体的加工区域面积小，加工电流不高于400 A。随着加工进行，小间隙处和大间隙处蚀除速度差值变小，加工区域面积扩大到整个叶身型面，逐渐整平成形，加工电流升高到800 A左右，单个叶片的电解加工用时约30 min。加工完成后通过对刀检测得到叶盆型面和叶背型面与阴极之间的间隙分别为0.108 mm和0.071 mm，得到的叶片表面平整且叶型轮廓完好，如图8所示。

图8 叶片型面电解加工实物图Fig.8 Device sketch of ECM profiles and obtained blades

使用三坐标测量机通过检测基准面、基准孔构建工件坐标系，分别在3个截面处截取叶型线进行扫描，利用检测点将理论曲线与实测曲线进行拟合，得出实测叶型与标准叶片同一位置处轮廓、叶型截面积叠点的位置以及叶型角向位置之间的偏差，从而得到叶盆叶背的型面检测数据如表4所示。可以看出，叶片3个截面拟合后的叶盆叶背型面轮廓度偏差为– 0.015 mm ~ + 0.022 mm，位置度偏差– 0.017 mm ~ +0.010 mm，扭转角偏差 – 0.149° ~ – 0.087°，满足使用要求且加工间隙小，证明了电解加工较高的成形精度水平。采用表面粗糙度仪对叶片的叶盆与叶背型面进行粗糙度检测，结果为0.61 μm，证明了适合采用电解加工工艺进行TiAl 45XD材料的叶片叶身型面加工。

表4 叶片、叶盆、叶背型面检测数据Table 4 Measurement data of ECM blade concave and convex

3 结论

（1）本文针对TiAl 45XD合金材料开展了电化学溶解特性分析，对比了材料的溶解速度与电流密度关系理论和实际溶解特性曲线，结果表明，材料在NaNO3电解液中的电流效率不随电流密度改变而明显发生变化，溶解速度与电流密度关系曲线位于理论边界范围之内，表明TiAl 45XD合金材料具有良好的电解加工可行性。

（2）通过对终止间隙、脉冲宽度和振动周期等沉积条件的优化，得出具有致密连续电解加工表面的条件为加工电压24 V，脉冲宽度0.36 ms，振动周期为3 ms，加工行程1 mm，进给速度0.08 mm/min，初始加工间隙0.2 mm。该条件下得到的材料加工表面无晶间腐蚀和点蚀。

（3）在叶片样件上进行了电解加工工艺验证，得到了叶身型面表面粗糙度为0.61 μm、叶盆叶背轮廓度偏差为– 0.015 mm ~ + 0.022 mm的叶片，为TiAl 45XD合金材料复杂型面典型构件的电解加工奠定了基础。