NaCl-乙二醇溶液微细电解加工Ti6Al4V实验研究

余宁，房晓龙，曾永彬，邹祥和

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016）

Ti6Al4V钛合金材料具有密度小、比强度高、韧性较高及优异的耐腐蚀特性，被广泛应用于航空、汽车和生物医疗器械等领域[1-2]。但由于其热导系数低，易与刀具材料发生反应，钛合金也是典型的难加工材料[3]，使得机械加工时存在严重的工具损耗、加工表面完整性差、回弹和残余应力等问题[4]。近年来，多种特种加工方法被用来加工钛合金，如电火花加工、激光加工和电解加工。电火花加工和激光束加工是通过高温熔化和气化去除材料，加工表面存在重铸层和热影响区，影响零件的疲劳寿命[5-6]。而电解加工是利用金属阳极溶解反应去除材料，工具阴极与工件阳极在加工过程中不接触，加工材料不受强度和硬度的限制，工具阴极无损，是一种有效的难加工材料加工方法。同时，电解加工的工件具有表面质量好、无重铸层、无微裂纹等优点[7-8]。研究人员在钛合金电解加工方面进行了大量研究。张美丽采用NaNO3、NaCl及含EDTA添加剂的电解液进行了电解加工Ti6Al4V实验，选用合适浓度的电解液及恰当的电参数，获得了较好的加工质量[9-10]。李寒松等采用掩膜电解加工技术和NaNO3水溶液，在Ti6Al4V工件表面制造出平均直径为2.54 mm的阵列微孔[11]。陈晓磊等在NaNO3溶液中，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）微孔模板在Ti6Al4V工件表面进行微凹坑加工实验，利用优化后的参数制造出直径为110 μm、深度为20 μm的微凹坑阵列[12]。陈学振等通过正交试验研究了NaCl溶液中电解加工参数对钛合金Ti60表面粗糙度的影响，并采用优化后的参数加工出表面粗糙度为Ra0.912 μm的整体叶盘叶片[13]。

钛合金电解加工产物多呈絮状，且体积大，而微细电解加工间隙通常仅数十微米，故加工产物排出困难；同时，工件浸泡在电解液中，其加工表面极易出现杂散腐蚀，形成点蚀缺陷。为此，本文采用NaCl-乙二醇电解液加工Ti6Al4V钛合金，该电解液具有的少、无氧环境能避免加工过程中钛合金表面产生钝化膜，有利于加工进行，且其具有的弱导电性能可弱化电场、降低杂散电流、减少点蚀；同时采用螺旋电极加快传质、促进产物排出。本文首先测量了NaCl-乙二醇电解液中Ti6Al4V材料的极化曲线，了解其电化学溶解行为，在此基础上研究了电解加工参数对加工缝宽的影响。

1 实验系统及原理

螺旋电极电解加工原理见图1。螺旋电极在电解加工过程中跟随电主轴做旋转运动，由于电极表面有螺旋状沟槽，电极旋转会带动加工间隙内的电解液做圆周运动和垂直方向运动，加速电解液的更新，提高加工的精度和稳定性。根据电解加工原理可得加工参数与加工缝宽的关系（图2）：

式中：s为加工缝宽；ΔS为加工间隙；d为螺旋电极直径；Δb为前端间隙；v为加工速度；η为电流效率；ω为钛合金Ti6Al4V的电化学当量；κ为电导率；U为加工电压。

图1 螺旋电极电解加工原理图

图2 加工缝宽示意图

实验采用微螺旋电极作为工具，结合高精度的多轴数控运动，基于电化学阳极溶解原理对钛合金材料进行加工，实验装置见图3。电解加工实验系统包括XYZ运动系统、脉冲电源、示波器、CCD观测系统、台式计算机和转速控制器等。其中，XYZ运动系统由运动控制卡控制，螺旋电极与电主轴连接并在加工时跟随电主轴旋转，工件随XY轴做平面进给运动；脉冲电源为加工提供能量，保证加工持续进行；示波器可监测加工过程中的电流和加工的稳定性；CCD可观测加工区的状况；转速控制器可控制电主轴的转速。

图3 电解加工实验系统及装置

2 实验结果及分析

2.1 Ti6Al4V在不同电解液中的溶解特性

为了研究Ti6Al4V在NaCl水溶液和NaCl-乙二醇溶液中的溶解特性，使用电化学工作站分别测量了Ti6Al4V在1 mol/L的NaCl水溶液和1 mol/L的NaCl-乙二醇溶液中的极化曲线，结果见图4。在测量过程中，将铂电极作为对电极、甘汞电极作为参比电极、钛合金作为工件阳极，并设扫描速度为100 mV/s、采样间隔为0.1 s、测量电位为-2～20 V。测量时的电流阙值为5 A，当电流阈值超过5 A时，测量自动停止。

图4 Ti6Al4V在不同溶液中的极化曲线

由图4a可知，Ti6Al4V在NaCl水溶液中，当电势低于6.8 V时，电流密度处于钝化区，电流值接近于0，且随着电势增加基本不增大；而当电势高于6.8 V时，电流密度进入超钝化区，电流值随着电势增加而显著增大。由图4b可知，Ti6Al4V在NaCl-乙二醇溶液中，不存在明显的钝化区和超钝化区，电流值随着电势增加而逐渐增大。这可能是由于NaCl-乙二醇溶液中无水分，在电解加工时可阻止钝化膜的形成，提高工件的加工性能。此外，由图4可看出，NaCl水溶液中的电流密度为A/cm2级别，而NaCl-乙二醇溶液中的电流密度仅为mA/cm2级别，这是因为1 mol/L的NaCl水溶液的电导率为82.3 mS/cm，而1 mol/L的NaCl-乙二醇溶液的电导率仅为4.01 mS/cm。

2.2 加工参数对加工缝宽的影响

分析可知，Ti6Al4V在NaCl-乙二醇溶液中不存在明显的钝化区和超钝化区，故实验采用1 mol/L的NaCl-乙二醇溶液作为电解液，将直径为200 μm的PCB微钻头作为工具阴极、厚度为0.7 mm的Ti6Al4V作为工件阳极，研究了不同加工参数对加工缝宽的影响，具体的加工参数见表1。

表1 电解加工实验参数表

2.2.1 加工电压对加工缝宽的影响

在表1所示的加工电压条件下，选取频率为200 kHz、占空比为30%、主轴转速为4000 r/min、加工速度为0.3 μm/s，所得缝宽随电压变化的关系见图5，加工微缝见图6。由式（1）～式（3）可知，随着电压增加，前端间隙增大，继而加工缝宽增大。当电压为11、12 V时，加工频繁出现短路，加工失败；当电压为13 V时，加工缝宽为235.4 μm；当加工电压增至16 V时，缝宽为367.3 μm，故认为最佳加工电压为13 V。

2.2.2 脉冲频率对加工缝宽的影响

在表1所示的脉冲频率条件下，选取加工电压为13 V、占空比为30%、主轴转速为4000 r/min、加工速度为0.3 μm/s，所得缝宽随脉冲频率变化的关系见图7，加工微缝见图8。可见，随着脉冲频率增加，加工缝宽逐渐变小。当频率为20 kHz时，加工缝宽为364.7 μm；当频率增至200 kHz时，加工缝宽为235.4 μm，故认为最佳脉冲频率为200 kHz。

图5 缝宽随加工电压的变化曲线

图6 不同电压加工的微缝

图7 缝宽随脉冲频率的变化曲线

图8 不同脉冲频率加工的微缝

2.2.3占空比对加工缝宽的影响

在表1所示的占空比条件下，选取加工电压为13 V、脉冲频率为200 kHz、主轴转速为4000 r/min、加工速度为0.3 μm/s，所得缝宽随占空比变化的关系见图9，加工微缝见图10。随着占空比增加，每个周期内的加工时间增多，导致平均加工电流增大和材料去除量增加，进而导致加工缝宽增大。当占空比为30%时，加工缝宽为235.4 μm；当占空比增至45%时，加工缝宽为365.9 μm，故认为最佳占空比为30%。

图9 缝宽随占空比的变化曲线

图10 不同占空比加工微缝图片

2.2.4 主轴转速对加工缝宽的影响

在表1所示的主轴转速条件下，选取加工电压为13 V、脉冲频率为200 kHz、占空比为30%、加工速度为0.3 μm/s，所得缝宽随主轴转速变化的关系见图11，加工微缝见图12。由于螺旋电极可加速加工间隙内产物的排出，所以主轴转速变化对加工缝宽的影响不像其他参数那样明显。当主轴转速为4000 r/min时，加工缝宽为235.4 μm；当主轴转速为6000 r/min时，加工缝宽为248.1 μm；当主轴转速为8000 r/min时，加工缝宽为241.2 μm；当主轴转速为10000 r/min时，加工缝宽为226.8 μm，故认为最佳主轴转速为10000 r/min。

2.3 利用最优电参数加工典型结构

通过对上述参数的单因素研究，得出最适合NaCl-乙二醇溶液微细电解加工的工艺参数为：加工电压13 V、脉冲频率200 kHz、占空比30%、主轴转速10000 r/min、加工速度0.3 μm/s。利用该优化参数，在厚度为0.7 mm的Ti6Al4V工件上加工出如图13所示的“N”型典型微细结构。

图11 缝宽随主轴转速的变化曲线

图12 不同转速加工微缝图片

图13 最优参数加工“N”型微细结构

3 结束语

根据实验得出的极化曲线和溶液电导率测量结果，NaCl-乙二醇电解液的少、无氧环境能避免加工过程中钛合金表面产生钝化膜，有利于低电流密度条件下加工，其具有的弱导电性能弱化电场、降低杂散电流、减少点蚀。通过单因素实验研究了加工参数对加工缝宽的影响，得到优化的加工参数为：电压13 V、脉冲频率200 kHz、占空比30%、主轴转速10000 r/min、加工速度0.3 μm/s；同时得出，螺旋电极转速的变化对加工缝宽的影响不明显。

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