热障涂层冲蚀后的电火花制孔试验研究

高长水，谢天海 ，赵 凯 ，刘 壮

（ 1. 南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016；2. 南京航空航天大学无锡研究院，江苏无锡 214000 ）

为提高现代航空发动机热端部件的耐高温能力，进而提高发动机的热效率，通常采用热障涂层等先进的表面防护涂层技术降低金属构件表面温度[1-2]。 热障涂层一般由陶瓷面层（工作层）和金属黏接层（底层）组成。通常选用质量分数为6%～8%Y2O3和部分稳定的ZrO2作为热障涂层工作层， 选用MCrAlY 作为金属黏接层。 等离子喷涂工艺（air plasma spray，APS） 是一种重要的热障涂层制备技术，由其制备的涂层呈现典型的片层状结构，具有热导率低、隔热效果好的优点，在航空发动机制造中得到了广泛应用[3]。 例如在涡轮叶片燃气流道表面喷涂APS 热障涂层可在50～150 ℃范围取得良好隔热效果，使发动机叶片寿命延长3～5 倍[4]。

微小孔结构在航空发动机构件上较为常见，承担着减重、散热、通气等功能，通常如涡轮气冷叶片的叶型表面分布有数十至数百个气膜冷却孔，其直径在0.3～3.0 mm 之间。 因此，微小孔加工已成为航空发动机制造技术中一项相当重要的内容[5-6]。 对于带热障涂层的航空发动机构件的微小孔加工，目前存在“先制孔再涂层”及“先涂层再制孔”两类技术方案。 “先制孔再涂层”的优点在于：目前成熟的微小孔加工工艺如电火花加工、电液束加工等，均可用于涂层前的金属构件孔结构加工，但制孔后的发动机构件在涂敷热障涂层过程中，涂层不可避免地沉积在气膜孔内表面，导致气膜孔的孔径减小。 据文献[4]统计，气膜孔孔径为0.5～0.6 mm 的叶片采用APS 工艺喷涂热障涂层后，会造成严重堵孔，有约2%的气膜孔被完全堵死，超过半数的气膜孔的孔径减小了1/5。 由于气膜孔的孔径大小直接决定冷却介质的流通量多少，热障涂层堵孔会严重影响涡轮叶片气膜冷却、降温的效果。

而“先涂层再制孔”的方案有望解决前一种方案中热障涂层堵孔及缩孔问题。 但是，热障涂层为不导电的陶瓷材料，“先涂层再制孔”的方案会限制电火花加工及电液束加工方法的应用。 激光加工可实现对热障涂层构件的一次性孔结构加工，但是无法兼备加工质量与加工速度[7]。 传统长脉冲激光加工存在再铸层厚度大、孔口易沉积熔渣、表面易产生微裂纹等缺陷。 超短脉冲激光可实现良好的加工质量，但加工效率低、不适合大规模生产。 哈尔滨工业大学探索了基于辅助电极法的热障涂层高温合金气膜孔电火花加工方法，在热障涂层表面涂覆一层导电的辅助电极，利用煤油高温裂解生成的碳颗粒沉积于陶瓷涂层表面， 形成数十微米厚的导电膜，再通过火花放电蚀除热障涂层，暴露金属基体，最后采用传统电火花方法加工出金属基体孔型[8]。但该方法的工艺流程复杂，不适合厚度较大的热障涂层制孔。

鉴于电火花制孔加工方法在航空发动机微小孔结构制造中的重要地位，Gao 等[9]提出了一种“先涂层再制孔”的方法，利用磨料水射流冲蚀去除热障涂层，暴露金属基体，形成热障涂层孔型，再利用电火花进行金属基体的穿孔加工。 该技术是磨料水射流加工与电火花加工方法的组合，其优点在于可较为容易地将磨料水射流加工与电火花加工集成在一台设备上，实现热障涂层高温合金构件微小孔结构的一次装夹加工成形。 在磨料水射流冲蚀去除热障涂层后，构件表面会形成热障涂层孔型，孔型底部会残留涂层材料，对后续电火花加工的顺利进行造成一定影响。 延长磨料水射流冲蚀加工时间会尽可能多地去除涂层材料、 有利于后续电火花加工，但也会导致热障涂层孔径过大、总体加工效率降低，故需研究金属构件表面涂层材料残留率与电火花加工可行性之间的关联机制。 本文针对磨料水射流去除热障涂层后的电火花制孔可行性进行了试验探索，重点研究APS 热障涂层金属构件在涂层冲蚀去除后的金属基体裸露率对后续电火花加工可行性的影响。

1 试验方案

图1 是磨料冲蚀与电火花组合加工方法示意图，其中图1a 是磨料水射流加工阶段，图1b 是电火花穿孔加工阶段。 试验所用试件是厚度为3 mm、表面涂覆有厚度约为150 μm 的APS 热障涂层的DZ126 镍基高温合金。 本试验首先采用磨料水射流冲蚀加工了八组具有不同金属裸露率的热障涂层孔型， 通过Olympus DSX510 三维光学显微镜检测了孔径、孔深及底部金属裸露率。

如表1 所示，上述八组孔的孔径D 的分布范围为 530～590 μm、孔深 H 的分布范围为 90～135 μm、孔底部金属裸露率α 的分布范围为0%～50%。 接着，本试验在D703F 型高速电火花小孔机上采用直径为0.3 mm 的管电极进行电火花穿孔加工。 电火花加工的参数分别为：脉冲宽度为3 ms、峰值电流为7.6 A、占空比为75%和冲液压力为4 MPa。 工件接脉冲电源正极。

2 结果与分析

2.1 试验现象及结果

图2a 是表1 所示试验序号1 中电火花加工前的热障涂层孔型。 该孔型孔深约为90 μm，孔底部的金属集体裸露率α 为0%。 如图2b 所示，在电火花加工试验过程中观测发现无火花产生，电火花加工无法进行。 图3a 是试验序号2 条件下的加工试验结果，其对应孔型底部金属裸露率α 约为5%。 在试验加工过程中可明显观测到电火花放电，但火花放电数次之后，加工同样不能进行下去。 由图3b 中可见，金属裸露之处有明显的火花烧蚀痕迹，但其周围的热障涂层并未去除，使本次试验中的电火花加工无法顺利进行。

表1 八组试验孔型特征数据

图4 和图5 分别是试验序号 3、4 条件下的加工结果，其对应热障涂层孔型底部的金属裸露率分别为13.7%和17.5%。 这两组电火花加工试验过程中观测到的现象与序号2 条件下的情况一样，虽然存在火花放电现象，但是放电过程不能持续。 这是因为电火花放电产生的能量不足以去除残留的热障涂层，加工未能顺利进行下去。

在序号 5、6、7、8 条件下开展的电火花穿孔加工试验均能顺利完成， 试验结果分别见图6～图9，对应的原始热障涂层孔型底部金属裸露率分别为18.1%、22.5%、29%和 49%。 试验结果证明，电火花穿孔加工的可行性与金属裸露率有极大关系，只有足够多的金属基体裸露出来才能使电火花放电持续进行。

2.2 试验结果分析

在电火花加工过程中，火花放电会产生大量的热，使金属材料局部溶化、气化而被蚀除并形成放电凹坑。 电火花放电能持续进行的关键是必须使工具电极和工件之间保持一定的合理放电间隙δ0。 如果极间间隙过大，极间电压不足以击穿极间工作液介质，不会产生火花放电；如果极间间隙过小，易形成短路接触，也不能产生火花放电[10-11]。 因此，热障涂层冲蚀去除后的电火花可加工性可根据放电间隙与金属基体裸露率之间的关系进行阐述。 图10是带残余热障涂层的电火花加工示意图。 孔底部残留部分热障涂层材料，金属管电极底端与已露出的金属基体之间的间隙δ 即为实际的放电间隙（此处的放电间隙特指底面放电间隙）。

合理放电间隙δ0的大小主要取决于三个因素：①电参数，其中峰值电流越大，加工间隙越大；脉冲宽度越长即放电时间越长，间隙越大；②工件的表面状态，即：表面越粗糙，间隙越大；③加工产物，即：产物越多，间隙越大[12]。 在不受底面及其周边部分加工产物影响的情况下，放电间隙δ0可表示为：

式中：δ0为加工产物影响较小时的综合底面及其周边的加工间隙，μm；Kδ为常数；τon为放电时间，μs；Ip为放电电流峰值，A。

当实际放电间隙δ 大于合理放电间隙δ0时，极间电压不能击穿极间工作液介质，使电火花加工无法进行；反之，极间电压击穿极间工作液介质，从而产生火花放电。 由于高温合金的熔点低于热障涂层材料（表2），电火花放电更易于蚀除裸露的高温合金材料， 使裸露金属基体表面持续形成蚀除凹坑。在此过程中，如果金属基体的裸露面积较小，则电火花放电的面积也较小，单位时间内产生的放电能量也较小，导致残余涂层材料的蚀除速率远小于金属材料的蚀除速率，可能会使实际放电间隙δ 逐渐变大，最终超过合理放电间隙δ0，导致电火花加工中断（图11a）。如果金属基体的裸露面积较大，则电火花放电面积也较大，单位时间内较大的放电能量能蚀除更多的残余涂层材料及金属材料，且金属材料在融化、气化、热膨胀过程中会产生很高的瞬时压力使残余涂层材料脱落，从而使电火花加工继续进行（图 11b）。

表2 TBC 涂层与DZ126 高温合金的熔点[13]

在本文采用的电火花加工参数中，峰值电流为7.6 A、脉冲宽度为 3 ms。根据式（1）求得 δ0=30.2 μm（Kδ取 0.2）。 以试验序号 3 的情况为例，在电火花加工之前用三维形貌仪测得的型底部残余涂层与裸露金属基体的最大高度差约为9 μm（图12a），在电火花加工开始后测量盲孔底部，发现电火花蚀除坑与残余涂层的高度差约扩大为39 μm（图12b）。 此时孔底部的残余涂层材料未被有效去除，残余涂层与金属表面的高度差超过合理放电间隙，以致电火花加工无法继续进行。 同样的，在试验序号4 条件下，电火花加工之前的残余涂层与裸露金属表面的最大高度差约为12 μm，在加工之后的最大高度差约为34 μm，电火花加工也未能顺利进行。

因此，电火花加工的可行性与金属基体的裸露面积（或者裸露率α）、 残余涂层材料的厚度均有很大关联。 在残余涂层与裸露金属表面高度差δ 小于合理放电间隙δ0的情况下，金属裸露面积的大小直接决定了残余涂层能否被放电能量去除或者剥落。若是残余涂层与裸露金属表面高度差δ 大于合理放电间隙δ0，即使金属裸露率α 达到了阈值，但电极与金属基体之间的间隙不满足放电条件，也会导致火花放电不能成功产生。

本文开展了八组试验， 实际测量结果显示：在电火花加工之前，所有热障涂层孔型的残余涂层与金属基体的最大高度差均小于 δ0（30.2 μm）。 因此，在本研究中， 电火花加工的可行性与金属裸露率α的大小有更加直接的关系。 图13 是统计的电火花加工可行性与金属裸露率的关系。 从试验结果可知，当α＞18%时，电火花加工可持续进行；若α＜18%时，电火花加工无法顺利进行。 因此，对于特定的电火花加工参数，保证金属裸露率达到一定阈值是实现磨料水射流-电火花组合制孔加工的必要条件。

3 结论

本文进行了热障涂层冲蚀去除后的电火花微小孔加工的可行性试验研究。 试验发现，对于某一特定的电火花加工参数，电火花加工的可行性与残余涂层材料的厚度、金属基体的裸露率等均有很大的关联。

（1）若残余涂层与裸露的金属表面高度差δ 大于理想放电间隙δ0，无法产生电火花放电，故无法进行电火花加工。 若残余涂层与金属表面高度差δ 小于理想放电间隙δ0，则金属裸露面积的大小决定了电火花加工的可行性。

（2）金属材料裸露面积增加，意味着电火花放电的面积和单位时间内的放电能量均增加，裸露的金属材料在融化、气化、热膨胀过程中产生的瞬时高压会使残余涂层材料脱落，从而使电火花加工更易持续进行。 较小的金属裸露面积则会降低单位时间内的放电能量， 使残余涂层材料不易被去除，导致电火花加工的可行性降低。

在本文的试验条件下，经磨料水射流冲蚀后的工件的金属基体裸露率α＞18%时，后续的电火花加工可顺利进行。 因此，在磨料水射流和电火花复合加工过程中，保证金属裸露率达到一定的阈值是实现复合加工的必要条件。