电解加工对TC17钛合金表面完整性及振动疲劳性能的影响

詹中伟，刘嘉，孙志华，李海扬，汤小军

（1.中国航发北京航空材料研究院，航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，北京 100095；2.南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016）

钛合金是先进航空发动机的主要金属材料之一，其比强度高、热稳定性好、抗氧化及抗蠕变性能优异，是发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材料[1-3]。目前钛合金用量的占比已成为衡量航空发动机先进性的重要指标之一。美军第三代发动机F100的钛合金用量约占25%，第四代发动机F119的钛合金用量高达40%。然而，钛合金的切削加工性能较差，仅次于镍基高温合金，加工效率和质量有限，在整体叶盘等整体构件加工中的劣势更为明显。

电解加工是实现钛合金整体构件快速高效加工的重要手段之一，具有成本低、效率高和精密度高的突出优点[4-5]。电解加工是基于金属材料阳极溶解原理的加工技术，理论上不存在工具阴极损耗问题。据统计，采用铣削技术加工1个中等直径(约600 mm)的整体叶盘需360 h左右，而电解加工仅需要120 h左右，加工周期显著缩短。针对整体叶盘上复杂扭曲程度很高的叶片，电解加工技术能够通过最佳工具运动轨迹识别技术，将电极准确送入狭窄的叶栅通道，最终实现叶盆和叶背型面的精密成型[6-8]。因此电解加工已经成为国内外航空发动机整体构件的重要加工技术之一，如GE、罗罗和普惠公司的发动机均使用了电解加工的整体叶盘等复杂结构件。国内在电解加工领域也开展了大量基础研究，南京航空航天大学的朱荻院士从20世纪80年代开始就对电解加工控制原理、阴极设计、成型规律等进行了全面而深入的研究，并设计制造了国内首台拥有自主知识产权的电解加工设备，引领了国内该技术的发展[9-16]。北京航空制造工程研究所[17-19]、中国航发黎明[20-21]等单位在大型电解加工设备及应用方面都取得了实质性突破。

1 实验

1.1 材料

TC17钛合金试片的尺寸为100 mm × 50 mm × 3 mm，其名义化学成分(以质量分数计)见表1。

表1 TC17钛合金的化学成分Table 1 Composition of TC17 titanium alloy（单位：%）

1.2 加工工艺

1.2.1 电解加工

电解加工采用10% NaCl电解液，电压35 V，进给速率约1.4 mm/min，温度约30 °C，电源占空比30%，频率0.6 kHz。

1.2.2 机械加工

机械加工主要包括切削和磨削：切削深度约15 mm，车床转速320 r/min，进给量约30 mm/min；磨削深度0.01 ~ 0.02 mm，砂轮线速度10 ~ 20 m/s。

1.3 性能测试

1.3.1 表面完整性分析

采用JEOL JSM-7900F型扫描电子显微镜(SEM)及其搭载的电子背散射衍射系统(EBSD)分析样品表面的显微组织结构。采用ZYGO公司NeXView型白光干涉三维形貌仪分析样品的表面轮廓，并检测表面粗糙度(Ra)。采用Proto iXRD残余应力分析仪检测样品的残余应力，正值代表残余拉应力，负值代表残余压应力。

2008年后，随着中国地质调查局新一轮区域化探项目的实施[1]，青海省第五地质矿产勘查院承担并完成了青海柴达木盆地周缘的区域化探扫面工作，并在该区新圈定了一大批面积大、强度高、具有找矿前景的化探异常[2]，通过对少数地球化学异常检查，新发现夏日哈木等矿(床)点数十处[3]，极大的推动了该区的地质找矿工作。但该景观区的化探方法技术研究工作较少[4-6]，这使得人们对该区的化探采样工作更加关注。

1.3.2 振动疲劳试验

采用图1所示的板状试样，先分别进行机械加工和电解加工，接着按照HB 5277–1984《发动机叶片及材料振动疲劳试验方法》进行室温振动疲劳试验，试验应力为380 MPa，以试样的疲劳寿命(N)为指标来评价室温疲劳性能。

图1 室温振动疲劳试样示意图Figure 1 Schematic diagram of room-temperature vibration fatigue specimen

2 结果与讨论

2.1 表面完整性

零部件的表面完整性直接影响其使用性能，是航空领域评价零件加工表面质量的重要指标。表面完整性不仅包括表面形貌特征[22]，还包括物理、冶金、化学等一系列特性[23]。本文重点研究机械加工和电解加工对TC17钛合金表面微观形貌、轮廓、残余应力和近表面显微织构的影响。

2.1.1 表面形貌

从图2可知，机械加工表面有明显的加工刀痕，在刀具切削过程中局部还会不可避免地出现合金相脱落而造成的凹坑。电解加工表面呈现出明显的针片状形貌，这是电解加工过程中板条状α相组织溶解而形成的；电解加工表面局部还有明显的α相晶界，这可能是晶粒取向不同所致。

图2 TC17钛合金分别经过机械加工(a)和电解加工(b)后的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of TC17 titanium alloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

2.1.2 表面粗糙度

表面粗糙度是评估零件表面完整性的主要参数之一。表面粗糙度与疲劳性能之间密切联系，一般粗糙度越大，局部应力集中越强烈，越容易引发疲劳裂纹[24]。从图3可知，机械加工表面呈现出机加刀痕的规则条纹，电解加工表面则呈现出不规则的凹坑和尖峰。结合图2b可知，图3b中的凹陷区域可能为板条状α相溶解后形成的凹槽。机械加工后TC17钛合金的Ra约为0.567 μm，而电解加工后的Ra达到1.164 μm，显著大于机械加工表面。机械加工是通过塑性变形、切削作用等方式塑造表面，与基体的合金相关系不大；电解加工则是依靠材料表面的阳极溶解，不同合金相溶解速率的差异可能会导致局部表面优先溶解。

图3 TC17钛合金分别经过机械加工(a)和电解加工(b)后的表面粗糙度Figure 3 Surface roughness of TC17 titanium alloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

从表面粗糙度看，电解加工表面更粗糙，对TC17钛合金疲劳性能的不利影响可能比机械加工严重。但疲劳性能除了受到表面粗糙度的影响，还与表面残余应力、晶型织构等多方面因素有关。另外从工程应用的角度而言，电解加工的表面尚未达到真正使用的程度，还可通过后续处理(如振动光饰)来降低表面粗糙度。

2.1.3 表面残余应力

表面残余应力对钛合金疲劳性能的影响较大。一般而言，残余拉应力会显著降低材料的疲劳极限，令其疲劳寿命缩短；残余压应力则能够有效抑制疲劳裂纹的萌生和发展，从而提高疲劳极限，延长疲劳寿命[25]。从图4可以发现，机械加工试样表面的残余应力波动较大，在压应力和拉应力之间跳跃，并且绝对值较大，说明机械加工表面的残余应力状态不稳定。另外，机械加工试样在距离表面10 ~ 20 μm范围内呈现残余拉应力状态，最高达到了500 MPa左右，显然这种状态非常不利于材料的疲劳性能。电解加工试样表面基本呈残余压应力，并且绝对值较小，说明电解加工表面的残余应力较平稳，疲劳裂纹不容易形成和扩展，因此电解加工对材料的疲劳性能更有利。

图4 分别经机械加工和电解加工后TC17钛合金表面不同深度的残余应力Figure 4 Residual stress of TC17 titanium alloy at different depths after mechanical machining and electrochemical machining, respectively

2.1.4 晶粒取向

机械加工与电解加工最大的区别在于材料的去除方式，对材料表面晶粒取向造成的影响也就截然不同。通过电子背散射衍射分析零件表面晶粒取向有助于研究两种加工方式对材料性能的影响。从图5可知，机械加工试样靠近表面的区域存在大量细小晶粒，越向内部，晶粒尺寸越大，直到呈正常的板条状α相晶粒组织。这表明机械加工令材料表面发生了强烈的塑性变形，引起晶粒细化甚至破碎，变形层深度约为10 μm。电解加工试样表面基本不存在细小晶粒区域，表明电解加工基本不会使晶粒组织产生塑性变形。

图5 TC17钛合金分别经过机械加工(a)和电解加工(b)后的断面形貌和晶粒取向Figure 5 Cross-sectional morphologies and grain orientations of TC17 titanium alloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

2.2 振动疲劳性能

振动疲劳是引起发动机转动部件结构破坏与失效的主要因素之一，其涉及到结构响应、疲劳极限、疲劳寿命等。因此对于压气机叶片而言，室温振动疲劳性能是必须考察的重要性能之一。室温振动疲劳试验结果表明，在380 MPa应力下，机械加工和电解加工的TC17试样振动疲劳寿命分别约为1.99 × 105和1.52 × 106。可见电解加工试样的振动疲劳性能优于机械加工试样。为进一步研究加工方式对TC17钛合金振动疲劳的影响，采用扫描电镜观察疲劳断口形貌，结果如图6所示。

图6 TC17钛合金分别经过机械加工(a, b)和电解加工(c, d)后室温振动疲劳试样的断口形貌Figure 6 Fracture morphologies of TC17 vibration fatigue specimens after mechanical machining (a, b) and electrochemical machining (c, d), respectively

从图6a和图6b可知，机械加工试样在整个断口上存在清晰的疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区3种典型的疲劳断口，疲劳源区分布在宽度方向的两侧，疲劳源区较平整，周围有明显的放射状纹路；裂纹源则位于试样表面，存在明显的机械加工刀痕。结合图4和图5，有理由认为机械加工试样表面的刀痕处集中了较大的残余应力，是诱发疲劳裂纹的源头。

从图6c和图6d可知，电解加工振动疲劳试样的疲劳源区同样位于试样表面，且表面全区的形貌相近，未发现典型的疲劳源区和放射状纹路。结合电解加工表面基本呈现残余压应力以及表面晶粒取向与本体保持一致的情况，可以认为电解加工试样的表面不会产生明显的应力集中，疲劳性能不受影响。

3 结论

(1) 相比于机械加工，TC17钛合金电解加工后的表面不存在明显的加工痕迹，表面粗糙度略高，表面残余应力普遍呈现为压应力状态且应力值较为平稳。另外，电解加工表面不存在明显的晶粒细化或破碎的变形层，晶粒取向与基体保持一致。

(2) TC17钛合金电解加工后的室温振动疲劳寿命高于机械加工后，这可能是因为电解加工表面在残余应力及晶粒取向方面都优于机械加工表面。