GH4169高温镍基合金的电解–磁力复合研磨

燕峰，谭悦，陈燕*，许召宽

（辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁 鞍山 114051）

GH4169高温镍基合金的电解–磁力复合研磨

燕峰，谭悦，陈燕*，许召宽

（辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁 鞍山 114051）

采用电解–磁力复合研磨工艺对GH4169合金进行表面光整加工。探究了磁极转速、电解电压和磁性研磨粒子直径对GH4169合金表面粗糙度的影响。获得了较佳的电解–磁力复合研磨参数：磁极转速1 200 r/min，电解电压9 V，磁性研磨粒子直径185 μm。在优化的工艺参数下对GH4169合金研磨10 min，其表面粗糙度从原始的0.90 μm降至0.08 μm，表面微观形貌得到明显改善，化学成分不变，表面由拉应力转变为压应力状态。

镍基高温合金；磁力研磨；电解；表面粗糙度；形貌；应力

镍基高温合金具有耐高温、耐疲劳、抗腐蚀等优异的性能，广泛应用于航空航天、船舶等领域，主要用于制造整体叶盘、涡轮轴、封严环等高温零部件[1]。从以往有关GH4169镍基高温合金失效分析的文献可知，该类零件的失效大多始于零件表面，其主要原因是零件表面质量和形貌不佳[2-3]。对于普通高温镍基合金，通常采用砂带和磨料进行加工即可，而GH4169合金属于典型的难加工材料，加工时容易造成磨粒相断裂，从而影响加工效率和质量[4]。因此，有必要对GH4169合金零部件的表面光整加工工艺进行研究和改进。陈春增等[5-6]采用磁力研磨对镍基高温合金进行磨削，但该法若研磨压力控制不好，极易造成加工表面产生划痕和加工不均匀。黄新春等[7]采用单晶刚玉砂轮对镍基高温合金进行磨削，但此工艺受砂轮硬度的影响较大，工件表面容易出现微裂纹、烧伤熔覆物等。电解−磁力复合研磨加工(EMACF)是将电解加工与磁力研磨复合而成的光整加工工艺，先通过电化学阳极溶解在工件表面生成硬度比工件低很多的钝化膜，再借助磁力研磨在研磨间隙不断翻滚、挤压、变形和摩擦的作用对钝化膜进行微量去除。整个加工过程中，工件经历“电化学溶解→钝化膜生成→磁力研磨”的循环作用，从而实现表面光整加工[8]。该工艺兼具磁力研磨可控性和电解高效性的优点，可有效提高加工效率与质量。本文研究了磁极转速、磁性磨粒直径、电解电压等对GH4169合金电解–磁力研磨效果的影响，以便得到最佳工艺。

1 实验

1.1 电解–磁力研磨加工机理

图1示出了电解–磁力复合研磨加工示意图。直流电源正极接工件作为阳极，负极接石墨、合金钢等电极作为阴极。工件通过连杆固定在工作台上，磁极通过夹具与机床主轴连接，利用机床控制磁极旋转，并调节磁极与工件表面的加工间隙在1 ～ 2 mm范围内，将磁性磨粒填充在加工间隙中。电解液由蠕动泵驱动，通过连杆与电极之间的中空孔周期性地滴落到电极与工件之间的间隙，这样既可以保证电解作用持续进行，又可以防止电解液在滴落过程中四处飞溅[9]。加工时，启动主轴电机、直流电源和蠕动泵，机床主轴旋转，工件在工作台上沿水平方向匀速移动。电解液在工件表面发生电化学作用而生成软质的钝化膜，完成电解加工部分；数秒后，与机床主轴连接的磁极运动到钝化膜处，磁极与磁性磨粒形成的“磁粒刷”可以较轻易地刮除硬度较低的钝化膜，去除工件表面的毛刺及加工纹理、微裂纹等缺陷，完成磁力研磨抛光。如此电化学溶解、生成钝化膜以及磁粒刷刮除钝化膜循环往复地进行，最终完成对工件表面的精密研磨。

图1 电解−磁力复合研磨加工示意图Figure 1 Schematic diagram of electrolytic–magnetic composite grinding

1.2 电解–磁力复合加工工艺

基体材料为300 mm × 60 mm × 5 mm的GH4169合金板，工艺条件为：进给速率1.5 mm/s，轴向充磁磁极直径10 mm、长15 mm，阴极为石墨，磁力研磨加工间隙1.5 mm，电化学加工间隙2 mm，电解液为16%的NaNO3溶液，电解液流速2.5 L/min。研磨液为劳力恩SR-9912水溶性研磨液。磁性磨粒由平均直径200 ～ 250 μm的铁粉和平均直径40 ～ 50 μm的Al2O3按质量比2∶1混合烧结后破碎筛分而成。

1.3 电解–磁力复合加工效果的表征

采用广精JB-08E表面粗糙度测量仪测量加工件的表面粗糙度Ra，每加工2 min测1次，测量5个不同点，取平均值。采用基恩士的VHX-500F型超景深3D显微镜观察工件的表面形貌。采用英国牛津仪器公司的X-MAX50能谱仪(EDS)对工件进行能谱分析。利用荷兰帕纳科X射线残余应力分析仪检测加工前后工件表层的残余应力。根据X射线衍射sin2ψ应力分析法[10]，通过在衍射角范围内选取6个点测定晶面间距d，绘制出相应的点图并拟合成直线，通过式(1)计算出表面上的应力。

式中，φσ为φ方向的应力(单位：MPa)，E为材料的杨氏模量(213.7 GPa)，υ为材料的泊松比(0.3)，φ为衍射角(单位：°)，ψ为倾斜角度(单位：°)，dψ为倾斜角的晶面间距(单位：μm)；0d为初始倾斜角(0°)的晶面材料初始表面在初加工时的塑性变形间距(单位：μm)。

2 结果与讨论

2.1 磁极转速对表面粗糙度的影响

按1.2节的工艺条件，采用直径为185 μm的磁性研磨粒子，在9 V的电解电压和不同的磁极转速下对GH4169合金表面进行加工，结果见图2。在加工的前4 min内，随磁极转速增大，工件表面粗糙度下降，表面加工质量显著改善。但加工6 min后，1 600 r/min转速下加工后工件的表面粗糙度比1 200 r/min下加工件的表面粗糙度大。主要原因是转速过高导致磁性磨粒严重飞溅，有效研磨粒子减少，磁力刷刚度下降而变得松散，加之离心力的影响使研磨粒子对工件表面的有效研磨压力减小，加工效率降低[11]。因此，为了提高研磨效率，应在保证磁性研磨粒子不发生严重飞溅的前提下选用高磁极转速，即1 200 r/min。

图2 不同磁极转速下工件表面粗糙度随研磨时间的变化Figure 2 Variation of surface roughness of workpiece with processing time at different magnetic pole speeds

2.2 磁性研磨粒子的直径对表面粗糙度的影响

设定磁极转速为1 200 r/min，电解电压为9 V，其他参数同1.2，采用不同直径的磁性研磨粒子对GH4169合金表面进行加工，结果见图3。在加工的前4 min内，采用直径为185 μm的磁性研磨粒子研磨后的表面粗糙度最低，150 μm磁性研磨粒子研磨后的表面粗糙度最大。但加工时长大于6 min后，采用直径为250 μm的磁性研磨粒子研磨后的表面粗糙度最大。这是因为磨料粒径增大，导磁力就增大，单位时间内与工件表面的接触压力增大，对表面钝化膜的刻划基数增大，表面划痕加深[12]。选用直径为185 μm的磁性研磨粒子，研磨10 min后GH4169合金表面粗糙度最低，约为0.08 μm。

2.3 电解电压对表面粗糙度的影响

采用直径为185 μm的磁性研磨粒子，在1 200 r/min的磁极转速和不同电压下对GH4169合金表面进行加工，结果见图4。在加工的4 min内，随电解电压升高，工件的表面粗糙度下降，表面加工质量显著改善。加工时长大于6 min后，9 V和12 V电压下的加工效果越来越接近。这是因为电解电压从9 V增至12 V时，电解生成的钝化膜增厚，使已经研磨加工的工件表面因再次电解钝化而被破坏，不仅表面粗糙度无太大的变化，反而造成资源浪费[8]。因此为保证加工效率和质量，宜选择电解电压为9 V。

图3 采用不同直径磁性磨粒时工件表面粗糙度随研磨时间的变化Figure 3 Variation of surface roughness of workpiece with processing time when using different sizes of magnetic abrasive particles

图4 不同电解电压下工件表面粗糙度随研磨时间的变化Figure 4 Variation of surface roughness of workpiece with processing time at different electrolysis voltages

综上可知，对GH4169合金电解–磁力复合研磨加工的最佳磁极转速、研磨粒子直径和电解电压分别为1 200 r/min、185 μm和9 V。

2.4 电解–磁力复合研磨对表面微观形貌的改善

采用VHX-500F型3D超景深电子显微镜观察GH4169合金在最佳工艺条件下加工前、后的表面形貌，结果见图5。从图5可知，工件的原始表面有大量凹坑、凸起以及较深的砂轮加工纹理。经过电解–磁力复合研磨加工10 min后，工件表面变得平整，最大高度差由未加工时的33.1 μm降至8.5 μm，加工纹理均匀、细密。

图5 电解−磁力复合研磨前后工件的三维形貌Figure 5 3D morphologies of workpiece before and after electrolytic–magnetic composite grinding

2.5 电解–磁力复合研磨对工件表面成分的影响

图6为最佳工艺条件下电解–磁力复合研磨加工前、后工件的EDS分析结果。与加工前GH4169合金工件的表面成分相比，加工后的表面成分几乎没有改变。这主要是由于磁力研磨的作用使电解钝化生成的钝化膜得以有效去除。可见电解–磁力复合研磨加工对工件的表面成分无太大影响。

图6 电解−磁力复合研磨前后工件的EDS分析结果Figure 6 EDS analysis results of workpiece before and after electrolytic–magnetic composite grinding

2.6 电解–磁力复合研磨对表面残余应力的影响

由于受初加工时塑性变形和加工温度的影响，工件原始表面的残余应力为+215 MPa(正号表示拉应力)，图7为其线性拟合关系曲线。结合图7，按式(1)算得经电解–磁力复合研磨后工件表面的残余应力降至−186 MPa(负号表示压应力)，零件表面的抗疲劳强度、抗应力腐蚀及抗蠕变开裂的能力得到有效提高。此外，良好的压应力状态可以使零件在受力时释放自身的残余压应力，从而达到保护零件的目的[13]。

图7 GH4169合金的表面残余应力拟合曲线Figure 7 Fitting curves for surface residual stress of GH4169 alloy

3 结论

(1) 在优化的研磨参数下，即磁极转速1 200 r/min，电解电压9 V，磁性研磨粒子直径185 μm，对GH4169合金进行电解–磁力复合研磨10 min，表面粗糙度Ra从原始的0.9 μm降至0.08 μm，达到光整加工的效果。

(2) 经电解–磁力复合研磨后GH4169合金的表面成分与加工前相比，几乎没有发生变化，加工后GH4169合金很好地维持了表面性质，且表面残余应力从拉应力变为压应力。

参考文献：

经转染PRKCI表达载体的SCC-15细胞，与对照组相比，PRKCI基因的表达量显著增加且明显高于未转染PRKCI表达载体的对照组细胞(图2A，2B)。

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[ 编辑：周新莉 ]

Electrolytic–magnetic composite grinding of GH4169 nickel-based superalloy

YAN Feng, TAN Yue, CHEN Yan*, XU Zhao-kuan

The GH4169 nickel-based superalloy was finished by electrolytic–magnetic composite grinding.The effects of magnetic pole speed, electrolysis voltage and size of magnetic abrasive particles on the surface roughness of GH4169 alloy were studied.The optimal process parameters of electrolytic–magnetic composite grinding were obtained as follows: magnetic pole speed 1 200 r/min, electrolysis voltage 9 V, and magnetic abrasive particle size 185 μm.The surface roughness of GH4169 alloy is decreased from 0.90 μm previously to 0.08 μm after grinding using the optimal process parameters for 10 min.Its microscopic surface morphology is improved apparently with unchanged chemical composition, and the surface stress is converted from tensile to be compressive.

nickel-based superalloy; magnetic grinding; electrolysis; surface roughness; morphology; stress

School of Mechanica1 Engineering and Automation, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China

TG175.3; TG176

A

1004 – 227X (2017) 15 – 0807 – 05

10.19289/j.1004-227x.2017.15.003

2017–04–20

2017–05–19

国家自然科学基金（51105187）；辽宁省教育厅基金（2016HZZD02）。

燕峰（1965–），女，辽宁人，副教授，主要研究方向为机械工程材料、表面技术处理。

陈燕，博士，教授，(E-mail) laochen412@gmail.com。