酒石酸钠对叶片冷却孔电解加工的影响研究*

路文文　李志永　崔庆伟　臧传武

(山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049)



酒石酸钠对叶片冷却孔电解加工的影响研究*

路文文李志永崔庆伟臧传武

(山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049)

以航空发动机涡轮叶片常用材料Inconel718高温镍基合金为基材进行气膜冷却孔电解加工试验。基于自行研制的数控电解加工机床系统，通过30组对比试验，分析了在不同浓度硝酸钠电解液中添加2%浓度的酒石酸钠添加剂后对冷却孔加工过程稳定性及加工精度的影响规律。试验结果表明：硝酸钠电解液添加2%浓度的酒石酸钠后，电解加工区域的固态电解产物和加工过程的短路次数明显减少，加工稳定性得到很大改善，同时所加工冷却孔的单边侧面间隙有所减小，酒石酸钠的加入对提高冷却孔加工过程的稳定性有明确而积极的意义，对提高其加工精度也有一定的作用。

电解加工；高温镍基合金；冷却孔；酒石酸钠；管电极

航空发动机作为飞机的核心部件，直接决定着飞机的制造成本和使役性能，是一个国家科技水平和国防实力的重要体现。叶片作为航空发动机的关键零部件，主要包括风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片等，其中涡轮叶片是典型的高温部件，在工作状态下需要承受1 MPa以上高压燃气和1 000 ℃以上的高温[1-3]，因此在其工作过程中须进行实时冷却以实现其耐高压和耐高温性能。目前涡轮前总温度每年约提高25 ℃，除了依靠叶片材料(高温镍基合金、高温钛合金等)本身的耐热性能提高外，基于气膜冷却技术在热端部件表面加工数量众多的各种尺寸和结构的气膜冷却孔是降低涡轮叶片表面温度的有效途径之一[4-5]。涡轮叶片上的气膜冷却孔径一般为0.25～1.5 mm之间，常采用斜圆柱结构，数目巨大，且空间位置复杂多变[6]。在高温耐热合金材料上加工数量众多的冷却孔使得传统的机械加工方法难以为继，而非传统加工工艺是一个良好的选择。目前常用的冷却孔加工工艺有电火花加工(electrical discharge machining, EDM)、激光加工(laser beam machining, LBM)和电解加工(electrochemical machining, ECM)。其中EDM工艺具有较高的加工效率、良好的成型精度和重复精度，而LBM的加工效率更高，但其成型精度和重复精度相对较差。此外，EDM和LBM工艺所面临的共性问题是：加工过程中均会产生热再铸层和热影响区(HAZ)，加工中产生的残余拉应力和微观裂纹是导致涡轮叶片失效的主要原因之一。因此现代先进的航空发动机冷却孔加工时通常须将EDM和LBM所形成的热再铸层除去，这无疑增加了冷却孔的加工难度和制造成本[7]。相比较而言，ECM具有加工速度快，表面质量好，加工不受叶片材料强度、硬度、韧性等机械物理属性限制等优点，适宜加工对热再铸层和微裂纹非常敏感的发动机热端部件，目前已成为航空发动机涡轮叶片冷却孔加工的主流工艺之一[8]。管电极电解打孔是一种以中空金属管作为工具阴极对叶片阳极进行电解蚀除的制造工艺。但管电极电解打孔尚存在一些问题限制了它的进一步应用，例如：加工过程中稳定性差(如短路烧伤)及加工时电解液杂散腐蚀导致加工精度变差[9]。在管电极电解打孔过程中，极间间隙狭小是其最基本的特征[10]。狭小间隙内易产生涡流区，涡流区内电解液难以及时更新，从而形成“死水区”，不能及时带走间隙内的固态电解产物而使其滞留在间隙内，导致加工环境恶化发生短路，严重时会引起工件及电极表面烧伤，使加工无法顺利进行。如何提高加工过程稳定性及工件加工精度，一直是电解加工研究人员致力于解决的重要问题。

酒石酸钠(C4H4Na2O6)具有很好的金属离子配位性能，尤其对Ni3+、Cr3+离子具有显著的配位络合作用[11]。若作为电解打孔中电解液的添加剂使用，理应能较好地解决固态电解产物造成短路(稳定性差)并影响加工精度的问题[12]。基于管电极电解打孔工艺，以高温镍基合金Inconel 718材料为研究对象，从改变加工电压和硝酸钠(NaNO3)电解液浓度两个方面入手，通过对冷却孔加工过程中短路次数和单边侧面间隙的分析，探讨了NaNO3电解液中添加2%浓度的酒石酸钠后对冷却孔加工稳定性及其尺寸精度的影响规律。

1　管电极电解打孔基本原理和试验实施

1.1管电极电解打孔基本原理

管电极电解打孔工艺是一种利用电化学阳极溶解原理，以中空金属管作为工具阴极，通过离子蚀除的形式将工件加工成型的加工工艺。在管电极电解加工冷却孔时，在两极间施加一定的加工电压，阳极材料即发生电化学腐蚀，电解液在管电极和加工间隙中流动，及时带走加工区域的电解产物和热量。图1为管电极电解加工冷却孔原理示意图。

1.2试验实施

(1)加工机床

本试验采用自行研制的三轴联动数控电解加工机床进行电解加工试验，如图2所示。该机床由基于PC运动平台的控制系统、机床进给系统、电解液循环过滤系统和过程监测系统等组成。以DM2410B运动控制卡为运动控制核心，单轴进给分辨率达1 μm/s，定位精度达1 μm，最低进给速度为1 μm/s。通过控制程序，能够实现对机床单轴及多轴的速度控制、位置控制、直线插补和位置插补等操作。能够有效地保证电解加工冷却孔时对速度、精度及稳定性的要求。

(2)试样和管电极绝缘

试样尺寸为20 mm×50 mm×1.5 mm，材料为高温镍基合金Inconel718，该合金具有良好的成型性能和耐腐蚀耐氧化性能，其主要化学成分如表1所示。试样相对水平面倾斜45°装夹定位。工具阴极采用黄铜管电极，直径为0.8 mm(不含绝缘层厚度)，内孔直径约为0.3 mm，采用聚四氟乙烯对管电极进行侧面绝缘处理，单边绝缘层厚度50 μm，电极绝缘后直径为0.9 mm，浸入电解液的端面预留0.2 mm长度不做绝缘处理。

表1Inconel718高温镍基合金的化学成分

NiCrMnCuAlTiNbmin50172.800.20.70.006max55213.31.01.155.54.75

(3)冷却孔电解加工对比试验

电解加工冷却孔试验采用电解液正流式加工，加工参数设置：加工电压分别取5 V、7 V、9 V、11 V和13 V；硝酸钠为基本电解液，浓度分别取5%、7%和9%，2%浓度的酒石酸钠为添加剂；工具电极的进给速度为0.42 mm/min，进行了30组对比试验，分别为5%NaNO3和5%NaNO3+2%C4H4Na2O6(1-10组)、7%NaNO3和7%NaNO3+2%C4H4Na2O6(11-20组)及9%NaNO3和9%NaNO3+2%C4H4Na2O6(21-30组)。电解液流量为10 mL/min，电解液压力为0.40 MPa。具体试验参数如表2所示。每组试验分别进行5次冷却孔电解加工试验，对试验结果取平均值。

(4)表征方法

在电解加工冷却孔工艺中，单边侧面间隙Δs是指加工稳定时管电极侧壁与冷却孔内壁之间的距离。单边侧面间隙反映了电解加工所得冷却孔的直径大小，直接反映出孔加工精度的优劣情况。单边侧面间隙越小，说明冷却孔直径越小，加工精度越高。由于其在加工过程中无法在线测量，一般在电解加工后进行测算。采用德国蔡司Axio Lab.A1金相显微镜检测试验所得冷却孔直径，计算单边侧面间隙Δs，计算公式如下：

(1)

式中：D为电解加工所得冷却孔直径，μm；d为管电极直径，d=0.9 mm。在电解加工工艺的小孔精加工技术要求中，该加工间隙参数一般要求为20～300 μm[10]。通过电流监测系统监测加工电流跳变次数用以统计加工过程中的短路次数，进而用于评定加工过程的稳定性。

2　结果与讨论

2.1酒石酸钠对冷却孔电解加工稳定性的影响

稳定的加工过程可获得较高的电解加工形状精度及优良的表面质量。加工短路次数是衡量电解加工过程稳定性的重要指标。加工短路次数越多意味着电解加工稳定性越差。在上述加工参数下，冷却孔电解加工过程中统计的短路次数见表3(表中N表示连续发生短路而加工无法顺利进行)。

表2叶片冷却孔电解加工试验参数表

试验序号电解液浓度/(wt.%)电压/V进给速度/(mm/min)试验序号电解液浓度(wt.%)电压/V进给速度/(mm/min)15%NaNO350.42167%NaNO3+2%C4H4Na2O650.4225%NaNO370.42177%NaNO3+2%C4H4Na2O670.4235%NaNO390.42187%NaNO3+2%C4H4Na2O690.4245%NaNO3110.42197%NaNO3+2%C4H4Na2O6110.4255%NaNO3130.42207%NaNO3+2%C4H4Na2O6130.4265%NaNO3+2%C4H4Na2O650.42219%NaNO350.4275%NaNO3+2%C4H4Na2O670.42229%NaNO370.4285%NaNO3+2%C4H4Na2O690.42239%NaNO390.4295%NaNO3+2%C4H4Na2O6110.42249%NaNO3110.42105%NaNO3+2%C4H4Na2O6130.42259%NaNO3130.42117%NaNO350.42269%NaNO3+2%C4H4Na2O650.42127%NaNO370.42279%NaNO3+2%C4H4Na2O670.42137%NaNO390.42289%NaNO3+2%C4H4Na2O690.42147%NaNO3110.42299%NaNO3+2%C4H4Na2O6110.42157%NaNO3130.42309%NaNO3+2%C4H4Na2O6130.42

表3冷却孔电解加工短路次数统计表

加工电压/V电解液浓度 57911135%NaNO3N00215%NaNO3+2%C4H4Na2O6400007%NaNO3N00117%NaNO3+2%C4H4Na2O6300009%NaNO3500239%NaNO3+2%C4H4Na2O620000

从表3可知：在加工电压和硝酸钠电解液浓度相同的条件下，添加2%浓度的酒石酸钠后电解加工过程中短路次数明显减少，加工过程稳定性明显改善。例如：在9 V的加工电压下，浓度为7%的硝酸钠电解液电解加工过程中短路次数为N，即电解加工无法进行，出现盲孔，相比之下，添加2%浓度的酒石酸钠后电解加工过程中短路次数为0次，电解加工顺利进行；在5 V的加工电压下，浓度为5%的硝酸钠电解液电解加工过程中短路次数为N，即电解加工无法进行，出现盲孔(见图3a，纵剖面图)；相比之下，添加2%酒石酸钠后电解加工过程中短路次数为4次，此加工条件下得到冷却孔(见图3b)，由图3可知在5 V加工电压下，在浓度为5%硝酸钠电解液中添加2%浓度的酒石酸钠后电解加工能较为顺利地进行，有效地避免了盲孔的出现。

从表3中研究还发现：在较高的加工电压和硝酸钠电解液浓度(例如U= 11 V、13 V，ξ= 9%)下，添加2%浓度的酒石酸钠后电解加工过程中短路次数明显减少，加工过程稳定性明显改善。更具体地说，在11 V和13 V的加工电压下，浓度为9%的硝酸钠电解液电解加工过程中短路次数分别为2次、3次，相比之下，添加2%浓度的酒石酸钠后电解加工过程中短路次数为0次，即电解加工顺利进行。

电解加工过程中短路次数明显减少，加工稳定性明显得到改善。究其原因：高温镍基合金Inconel718在电解加工过程中主要的电解产物为固态Ni(OH)3、Cr(OH)3、Nb(OH)5、Mo(OH)4等，形成的絮状沉淀较原材料固态体积扩大约400倍，另一方面较高的加工电压和电解液浓度会加速电极间金属的溶解，而极间间隙狭小，因此固态电解产物不易及时排出而滞留在间隙内导致短路的发生，降低了电解加工过程的稳定性。而酒石酸钠具有很好的金属离子配位性能，加入后可与上述固态电解产物中的金属离子(Ni2+、Cr3+、Nb5+、Mo4+等)发生配位反应，形成稳定的水溶性络合物顺利排出电解加工区域，使电解加工过程可以稳定进行。试验表明，硝酸钠电解液中添加2%浓度的酒石酸钠后，电解加工区域的固态电解产物均显著减少，短路次数明显减小，可很好地解决电解加工区域固态电解产物不易及时排出而导致短路现象的问题，有效地提高了电解加工的稳定性。

2.2酒石酸钠对冷却孔加工精度的影响

基于上述30组试验所加工的冷却孔，本文采用Axio Lab.A1金相显微镜检测采集到冷却孔的直径数据，整理计算得出冷却孔的单边侧面间隙Δs的变化规律，如图4所示。

由图4可知：在相同的加工参数下，不同浓度的硝酸钠电解液中添加2%浓度的酒石酸钠后，单边侧面间隙值有所减小，冷却孔直径减小，在一定程度上提高了冷却孔精度。例如：在加工电压为9 V时，浓度为7%的硝酸钠电解液电解加工后测得冷却孔的单边侧面间隙为152 μm，添加2%浓度的酒石酸钠后测得单边侧面间隙为141 μm，间隙缩减比为8%，此加工条件下冷却孔表面形貌如图5所示，添加2%浓度的酒石酸钠后获得冷却孔尺寸(图5b)小于未添加的对照组(图5a)；在加工电压为13 V时，浓度为9%的硝酸钠电解液电解加工后测得冷却孔的单边侧面间隙为267 μm，添加2%浓度的酒石酸钠后测得单边侧面间隙为229 μm，间隙缩减比为14.2%，此加工条件下冷却孔表面形貌图如图6所示，添加2%酒石酸钠后获得冷却孔尺寸(图6b)小于未添加的对照组(图6a)。

由图4所示的单边间隙Δs的分布情况来看，酒石酸钠的加入会使得Δs有所减小，其对提高冷却孔加工精度有一定效果。主要原因在于：第一，酒石酸钠属弱电解质，在电解液中未能完全电离，且加工中不断消耗，因此其对提高电解液电导率的作用十分有限，不会导致加工间隙明显增大；第二，在未添加酒石酸钠的情况下，絮状的电解固态产物Ni(OH)3、Cr(OH)3、Nb(OH)5、Mo(OH)4等存在于加工区，导致电解液电导率分布不均，而加入酒石酸钠后则会形成Ni2+、Cr3+等离子的可溶性的络合物，有利于电解液电导率的均匀分布；第三，可溶性的络合物可改善狭小间隙内的电解液流场分布，降低了涡流区和“死水区”存在的可能性，在一定程度上有利于提高冷却孔的加工精度。

3　结语

本文针对航空发动机涡轮叶片冷却孔电解加工工艺，着重研究了酒石酸钠对冷却孔加工过程稳定性和加工精度的影响。主要研究结论如下：

(1)不同浓度硝酸钠电解液中添加2%浓度的酒石酸钠后，电解加工区域的固态电解产物和加工过程的短路次数明显减少，加工过程中稳定性得到极大改善。

(2)加入酒石酸钠后，可有效改善冷却孔加工间隙内电解液流场状态，降低了涡流区和“死水区”出现的概率，有利于电解液电导率的均匀分布。

(3)加入酒石酸钠后，冷却孔单边间隙Δs有所减小，不同工艺条件下单边间隙Δs的缩减比介于3%～14.2%之间，冷却孔成型精度得到一定程度的改善。

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(编辑汪艺)

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Effect of sodium tartrate on electrochemical machining of blade cooling holes

LU Wenwen, LI Zhiyong, CUI Qingwei, ZANG Chuanwu

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, CHN)

Film cooling holes were obtained by electrochemical machining using Inconel718 nickel-based superalloy which is commonly used for turbine blade of aero-engine. 30 experiments were conducted on the developed electrochemcial machining setup. The effect of adding 2% sodium tartrate into the NaNO3electrolyte with different mass fraction on the stability and dimensional accuracy of the electrochemical machining cooling holes was analyzed. Experiments results demonstrated that adding 2% sodium tartrate into the NaNO3electrolyte, the solid electrolytic product of electrochemical machining area and process of short-circuit significantly reduced, machining stability had been greatly improved, also the single side gap was smaller, and the size precision was improved, that sodium tartaric acid can effectively improve the electrochemical machining stability and slightly improve the dimensional accuracy of cooling holes.

electrolytic machining; nickel-based superalloy; cooling hole; sodium tartrate; tube electrode

TG662

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.021

路文文，女，1990年生，硕士研究生，研究方向为先进制造技术与装备。

2016-04-19)

160832

* 山东省自然科学基金(ZR2014EEM038，ZR2014EL032)