(航空工业西安飞行自动控制研究所,西安 710065)
钛合金作为一种优良的金属材料,具有强度高、密度低、耐热、耐腐蚀等优异性能,在航空发动机中应用十分广泛。同时,钛合金具有的低导热性与高化学活泼性等特点使其很难运用传统的方法进行机械加工[1]。
电解液喷射加工技术(Electrochemical Jet Machining,EJM)作为一种新型的加工方法,具有发热少、无残余应力、加工范围广等优点,可用于加工导电的各种材料,加工后的零件表面质量好、无毛刺,是目前较为热门的研究内容之一[2]。本研究选用钛合金Ti6Al4V作为研究对象,通过比较钛合金样件的加工表现,对不同的原始表面状态、电解液以及电解液的使用顺序对EJM加工质量的影响进行研究分析。
EJM源于电化学加工技术(Electro-Chemical Machining, ECM),具体过程如图1所示,样件固定于工作台上,电解液通过泵从存储箱中抽出后以一定的速度喷射至工件表面。系统中,工件为阳极,喷嘴为阴极,金属原子在电极的作用下失去电子被氧化,进而溶解于电解液,实现材料的去除与加工[3-6]。EJM加工中常用的电解液有氯化钠(NaCl)溶液和硝酸钠(NaNO3)溶液[7-8],不同的电解质溶液以及电解质溶液使用的先后顺序和待加工工件的表面质量等因素对最终的加工精度可能具有一定的影响。
为研究钛合金原始表面质量对最终加工精度的影响,本文抛光处理了两组20×20(mm)试件,在去除表面氧化层和污染物的同时,确保其具有不同的表面状态。抛光后的试件如图2所示,表面粗糙度值(Sa)分别为0.177μm和1.066μm。
图1 电解液喷射加工示意Fig.1 Sketch map of EJM
图2 粗抛和精抛后的钛合金试件表面状态Fig.2 Surface condition of test pieces after cursory polishing and excellent polishing
基于Dan等[3]的研究成果,设备优选参数分别为:喷嘴直径φ=250μm ;电流密度=550A/cm;喷嘴移动速度0.5mm/s;由喷嘴处测得的电解液流速70 ml/min;喷嘴与待加工表面间距离0.5 mm。并在系列加工试验中稳定不变,以保证不同试件加工状态的稳定性与一致性。本文选用的NaCl电解液与NaNO3电解液的浓度均为2.5mol/L[7-8]。
两种钛合金试件上分别用NaCl电解液和NaNO3电解液各加工两个矩形样槽,通过样槽底面的氧化物百分比、表面粗糙度值(Sa)和样槽的深宽比定量分析试件的加工表现,并对加工后表面的微观形貌进行定性分析。确保第二条样槽数据的重复性,具体思路如表1所示。
表1 试验系列1
本文应用系列检测与分析技术对钛合金试件在EJM加工中的表现进行研究与评估,流程如图3所示。
(1)表面氧化物比例分析。
大原子质量的成分可产生更多的背闪电子,故在背闪电子方式下拍摄的SEM照片中氧化物的颜色较深,钛合金基体的颜色较亮,如图4所示。这些黑白照片经开源软件ImageJ的颜色阀值功能处理后(设置合适的亮度值),可将样槽表面覆盖的氧化物从钛合金基体中区分出来,标红高亮显示的同时计算出该区域占总面积的百分比。为保证数值的准确性,分析过程中对样槽两侧参差不齐的边缘进行了修剪,如图5所示。
每个样槽上选取5处不同的区域,依上述流程分别计算氧化物占表面积的百分比,最终以均值表征样槽表面氧化物比例。氧化物占比越高,继续进行电化学反应的趋势越小,EJM加工越困难。
(2)表面氧化物的去除。
完成氧化物占比分析后,用树脂毛刷在流动活水下手工去除氧化物,超声清洗 25min(全信号,80℃)。虽然氧化物硬度较高,在不损伤试件基体的情况下很难完全去除,但经过该流程可以更准确地评估样槽的深宽比与表面粗糙度值。
(3)几何特征检测。
将3D光学显微镜Alicona扫描已加工表面所得数据导入软件MountainsMap。
·样槽深宽比(深度/宽度)。
每个样槽随机选取3个截面,分别测量每个截面上样槽的宽度与深度,计算得出各截面处的深宽比,最终以平均值表征该样槽的深宽比。
·表面粗糙度(Sa)。
每个样槽随机选取3处区域,分别得到各区域的Sa后,以平均值表征样槽底面的粗糙度。
(4)微观形貌分析。
通过二次电子下拍摄的SEM照片对样槽底面的微观形貌进行分析。
通过样槽的深宽比和底面的粗糙度值(Sa)定量分析试件的加工表现,并定性分析加工后表面的微观形貌,定量与定性相结合,确定出最佳的电解液组合应用顺序。第二条样槽数据的重复性,具体思路如表2所示。
图3 数据采集与处理流程Fig.3 Flow of data collection and disposal
图4 粗面试件上使用NaNO3电解液加工出的样槽的SEM照片(背闪电子)Fig.4 SEM image of the groove machined on rough sample with UA using NaNO3(BSM)
图5 钛合金基体上氧化物的提取Fig.5 Extracting of oxide on Ti-alloy
表2 试验系列2
本系列试验中应用的检测与分析技术与试验系列1中相同,但不分析试件表面氧化物的比例,故直接手工去除附着在样槽表面的氧化物后,应用3D光学显微镜获取样槽的三维形貌,分析获得样槽的深宽比与底面粗糙度值,最后通过二次电子下拍摄的SEM照片对加工表面的微观形貌进行分析。
图6为两种钛合金试件EJM加工后表面氧化物所占面积的百分比。电解液一定时,镜面试件的氧化物占比较高,其中NaNO3电解液下为53.62%,NaCl电解液为46.69%,相比于粗面试件分别高出2.38%和4.99%。而同一试件上,电解液为NaNO3溶液时氧化物占比更高,其中粗面高出9.54%,镜面高出6.94%。
如图7所示,电解液一定时,镜面试件样槽的深宽比较小,其中NaNO3电解液下为0.118,NaCl电解液为0.138,相对于粗面试件分别减少了18.3%和21.9%。而同一试件时,NaNO3电解液加工所得样槽的深宽较小,相比于NaCl电解液分别减少了14.8%和18.5%。
如图8所示,电解液一定时,镜面试件样槽的Sa值较小,其中NaNO3电解液下为0.837,NaCl电解液为1.163,相比于粗面试件分别改善了73.6%和73.9%。而同一试件时,NaNO3电解液下Sa值较小,相比于NaCl电解液粗面和镜面试件分别改善了28%和28.8%。
用扫描电子显微镜通过二次电子的方式对样槽的微观形貌进行观察分析,普通倍率下所得的图像如表3所示。
同种电解液下,镜面试件样槽边缘的整齐度显著好于粗面试件(因数控程序的问题,镜面试件仅得到一条样槽)。相同加工参数下,粗面试件与镜面试件上各条样槽的微观结构非常相似,本文选取镜面试件上的样槽进行放大。如图9所示,电解液为NaNO3溶液时,样槽表面覆盖有更多的多孔且均匀的氧化物薄层,样槽的边缘更为光滑整齐。而当电解液为NaCl溶液时,样槽的宽度显然更窄,这就意味着加工主要发生在样槽底部,这也是其能获得更大的样槽深宽比的原因。
粗面试件的加工过程稳定性较差,无论选用哪种电解液都可在样槽上观察到因电弧放电导致的斑块。图10与图11为粗面试件样槽中放电区域的SEM照片。相比于NaCl电解液,NaNO3电解液会导致更为频繁的放电,如图11所示,在加工粗面试件上的第二条样槽时,甚至出现了持续放电现象。
若需进一步降低EJM加工过程中放电发生的可能性,并提高加工过程的稳定性,需对包括喷嘴到试件的距离、电解液流速和喷嘴的移动速度等加工参数进行试验、优化。
图6 氧化物占槽底总面积的百分比Fig.6 Oxide percentage of machined grooves
图7 槽深宽比Fig.7 Aspect ratio of machined grooves
图8 槽底部的表面粗糙度Fig.8 Sa of machined grooves
表3 加工表面SEM照片
图9 样槽表面微观形貌Fig.9 Surface topography of the machined groove
如图12所示,当先用NaNO3电解液后用NaCl电解液时所得样槽的深宽比为0.24,相比于另一组合下的0.26,减少7.7%,即此种组合下加工效率降低了7.7%。
如图13所示,当先用NaNO3电解液后用NaCl电解液时所得样槽的Sa值为21.1μm,相比于另一组合下的14.6μm,增加了44.5%,表面质量严重下降。
图10 应用NaCl电解液进行EJM加工过程中的放电现象Fig.10 Arcing during EJM using NaCl
图11 应用NaNO3电解液EJM加工中的放电现象Fig.11 Arcing during EJM using NaNO3
用扫描电子显微镜通过二次电子的方式对样槽的微观形貌进行观察分析,如图14所示,先NaCl电解液后NaNO3电解液的顺序下,样槽表面质量与边缘的整齐度有非常明显的改观。
试验系列1所得结果证明,钛合金EJM加工中应用NaNO3电解液可获得更好的表面质量,但NaCl电解液可以产生更少的氧化物与更高的深宽比。而NaCl电解液之所以能够产生更少的氧化物,主要是加工界面上形成了能够发生水解的TiCl4,TiCl4在发生反应式(1)所示的水解的同时被电解液冲走。随后新生成的TiOCl2继续发生反应式(2)所示的水解,在排出的废液中生成不溶的。
因此,应用NaCl电解液时加工主要发生在样槽的底部,如图15所示。而在应用NaNO3电解液时,迅速反应生成的TiO2会粘附在样槽底部,阻碍底部材料的继续去除,所以加工会向侧面偏移,最终获得较小的深宽比。
综上所述,钛合金进行EJM加工时,NaCl电解液相比于NaNO3电解液,在试件加工表面生成钝化层的趋势更低,所以能够以更高的速度加工出更窄、定位性更好的矩形样槽。
试验系列1所得结果证明,镜面试件与粗面试件的加工表现显著不同。同样参数下,镜面试件可获得更低的表面粗糙度与更规整的槽边,但粗面试件上检测到的氧化物比例更低,深宽比更大。究其原因,粗面试件由于粗糙度较高,从而使钛合金基体和电解液的接触面积更大,这也就意味着同时进行电化学反应的界面更大,于是较高的材料去除率导致加工出更大的深宽比。氧化物的百分比指水平基面上样槽表面被氧化物覆盖的面积所占的比重,因此名义上的氧化物百分比要比实际值略小,表面粗糙度也会由于加工表面的不平整而更差。此外,因表面不平整,一些电解液会停留在加工区域附近,从而导致样槽的边缘轮廓齐整性变差。
粗面试件进行EJM加工时,可观察到频繁的电弧放电现象。结合前面的分析,粗面试件相比于镜面试件能够获得更高的加工效率,故单位时间内加工区域会产生更多的氧化物,而加工所用的电流密度较高(550A/cm2),一旦不导电的氧化物覆盖了较多的加工区域,就可能发生电弧放电。NaNO3电解液相比于NaCl电解液更易生成氧化物,故放电的机率更高。通过增大喷嘴与待加工表面间的距离,可以减少放电现象,试验系列2可以有效地证明这一点:第一种电解液加工完成后,样槽表面已非常粗糙,但在应用第二种电解液继续进行加工时因喷嘴与工件的距离实际上已得到了增大,故基本没有观测到电弧放电现象。
试验系列2所得结果表明,先NaCl后NaNO3电解液顺序下钛合金的加工效果较相反的使用顺序更好,其深宽比和表面质量分别提高了7.7%和44.5%。当先使用NaCl电解液时,加工表面附着的氧化物更少,后面的NaNO3电解液能够进一步提升表面质量并继续向下加工;相反地,先使用NaNO3电解液得到宽且浅的槽后再使用NaCl电解液,槽底氧化物较多,阻碍继续向下加工,且样槽的边缘会被腐蚀,导致边缘轮廓质量下降。
图12 不同电解液顺序下样槽的深宽比Fig.12 Aspect ratio of grooves machined in different processes
图13 不同电解液顺序下样槽底面的Sa值Fig.13 Surface roughness of grooves machined in different processes
图14 不同电解液顺序下样槽的微观形貌Fig.14 Surface topography of the machined groove in different processes
图15 加工过程原理图Fig.15 Schematics of machining process
(1)当电解液一定时,钛合金表面的原始状态越好,EJM加工效率越低(表面氧化物占比高,样槽深宽比小),但获得的表面质量越高。
(2)当钛合金表面的原始状态一定时,电解液为NaNO3溶液时所得的表面质量和边缘光整度更好。而当电解液为NaCl溶液时,EJM加工效率更高(氧化物占比低,深宽比大)。
(3)当其他状态参数一定时,先NaCl电解液后NaNO3电解液顺序下,加工表面可得到更低的粗糙度值与更整齐的边缘,且加工效率更高。
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