基于渦輪葉片修復的電解修型非加工面保護工藝

劉為東，羅 震，敖三三，談 輝

(1 天津大學 材料科學與工程學院，天津 300072；2天津大學 天津市現代連接技術重點實驗室，天津 300072)

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基于渦輪葉片修復的電解修型非加工面保護工藝

劉為東1,2，羅 震1,2，敖三三1,2，談 輝1,2

(1 天津大學 材料科學與工程學院，天津 300072；2天津大學 天津市現代連接技術重點實驗室，天津 300072)

(1 School of Materials Science and Engineering, Tianjin University,

Tianjin 300072, China; 2 Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining

為提高民用客機渦輪葉片修復效率，對葉片修復工藝鏈中電解修型非加工面保護工藝進行了研究。通過建立電場的數學模型，對葉片表面電流密度分布進行數值計算，研究修型規律，并以此分析傳統電解修型工藝的缺陷形成機理。提出了犧牲層工藝保護非加工面，并建立實驗系統，對堆焊修復后的TC4葉片進行電解修型。結果表明：直接修型、絕緣層保護兩種傳統工藝將分別形成雜散腐蝕和“臺階”缺陷；采用犧牲層工藝，單組葉片修型時間60s，修型后的葉片精度較高，表面粗糙度Ra≤0.6μm，具有較好重復性，滿足設計要求。

葉片葉尖；修復；電解加工；數值計算；犧牲層工藝

工作中的航空發動機葉片不僅要承受高溫，還受到高轉速下高壓腐蝕性燃氣的沖擊，極易形成缺陷，必須及時修復以保障其運行安全[1]。受損葉片經堆焊填補缺陷后，具有粗糙的堆焊層形貌特征[2]，需修型以恢復其原始尺寸，因此葉片修復工藝鏈主要包括堆焊與修型兩大步驟[3]，如圖1所示。前人對堆焊技術進行了大量研究[4-6]，而關于后期修型技術的研究，集中于對目前采用的機械磨削設備與工藝改進。采用機械磨削對葉片修型，存在刀具損耗大、易造成表面燒傷、殘余應力過大、生產效率低等問題[7]。隨著航空維修業對效率、成本的追求，磨削修型已難以滿足葉片修復的需求[3]。

電解加工作為非接觸加工技術，不存在機械加工中的切削力和切削熱、電火花加工中的熱影響，具有加工效率高等優點[8-11]。電解加工已被用于葉片制造，具有極高效率與可用精度[3,12]。電解加工用于葉片修復中的修型，具有提高修復效率的潛力。

圖1 葉片修復工藝鏈

與葉片制造不同，葉片修復僅在缺陷區進行，修復后的葉片不僅要求消除缺陷，而且非加工面需保持原始精度。鈦合金是常見的葉片材料，其電解工藝規律特殊，加工中易出現定域性差、雜散腐蝕嚴重等問題[12]。傳統的直接修型工藝中，非加工面暴露在電解液中，受雜散電流作用[13]，易形成雜散腐蝕，影響非加工面質量，劣化修復精度。

為提高精度，前人研究了非線性特性電解液、輔助陽極、高頻低脈寬電源等工藝[10]。雖然上述工藝能夠減弱分散電流影響，但是無法完全消除雜散腐蝕，難以滿足葉片修復的精度要求。絕緣層工藝通過隔離非加工面與電解液，可完全防止雜散腐蝕。但是絕緣層的隔離作用，將造成修型區與絕緣區電流密度的差異較大，進而導致修型區與絕緣區的加工量差異較大，在交界處產生“臺階”狀缺陷。

圖2 犧牲層工藝示意圖

可見，必須綜合考慮雜散電流隔離與交界處電流密度分布特征，發揮兩種工藝的優勢。因此，本研究提出犧牲層工藝。如圖2所示，鈦合金薄層作為犧牲層，安裝于非加工面上。犧牲層具有保護層與陽極的雙重作用，既作為保護層，隔離雜散電流，防止雜腐；又作為陽極，與堆焊層同時被蝕除，防止“臺階”缺陷。在本研究中，基于電場的數值計算，分析了犧牲層工藝的可行性，并通過實驗驗證了犧牲層工藝的加工精度、表面粗糙度與可靠性。

1 電場有限元分析

為分析犧牲層工藝的可行性，對葉尖表面電流密度分布進行數值計算，2D模型結構如圖3所示。在模型中按照表1的規律定義Γ1～Γ9邊界，可以實現直接修型、絕緣層與犧牲層3種工藝的數值計算。

圖3 仿真模型

其中，Γ表示幾何模型邊界，Ω表示加工間隙電解液區域。

表1 邊界條件設定

Table 1 Boundary conditions setting

BoundaryProcessingmodeDirectlyshapingInsulatedlayerSacrificiallayerAnodeΓ6,Γ9Γ6Γ6,Γ7CathodeΓ2Γ2Γ2InsulatedΓ1,Γ3,Γ4,Γ5,Γ8Γ1,Γ3,Γ4,Γ5,Γ7,Γ8Γ1,Γ3,Γ9,Γ4,Γ5,Γ8

數值計算中，采用如下數學模型[14]，

2φ=0

(1)

陽極邊界：

(2)

陰極邊界：

φc=0

(3)

鈦合金電解工藝規律特殊，僅當電流密度達到閾值，材料才能均勻蝕除，形成平整表面。上述特征與鈦合金極化過程密切相關，但是描述極化的Bulter-Volmer方程中的i0等參數在當前的研究中難以獲得[16]。為擬合鈦合金電解特征，本研究引入階躍函數keff。從物理量角度，可認為keff為鈦合金在電解加工實驗中的近似電流效率。

(4)

(5)

式(1)～(5)中，φ為電場各點電位，vn為陽極表面法向電解速率，M為質量分數，ρ為鈦合金密度，n為參與反應電子數，F為法拉第常數，iloc為陽極表面法向電流密度，n為陽極表面法向量，η為電流效率，κ為電解液電導率。

通過式(1)～(5)，利用COMSOL軟件求解，即可獲得3種工藝的計算結果，為了便于分析，計算結果表示為加工間隙電流線分布與陽極表面電流密度分布曲線。

如圖4(a)所示，直接修型定域性差，作用于非加工面的分散電流造成雜散腐蝕，難以通過間接工藝徹底消除。陽極表面電流密度如圖4(b)所示，可見雜散電流密度小于閾值(20A/cm2)，無法均勻去除鈦合金，而使得材料中耐蝕差的α相先蝕除[3]，形成聚集的腐蝕坑，劣化表面質量。

圖4 直接加工工藝 (a)電流線分布；(b)電流密度分布

圖5 絕緣層工藝 (a)電流線分布；(b)電流密度分布

如圖5所示，絕緣層工藝中，通過絕緣層隔離，分散電流無法作用于非加工面，有效避免雜散腐蝕。但是，非加工區與修型區的交界處出現“臺階”缺陷。電解加工作為電化學加工技術，電流密度與加工速度成正比。絕緣層工藝中，非加工面電流密度為0，修型面電流密度急劇上升至70A/cm2，導致非加工面與修型面的加工量差異較大，造成最終的“臺階”狀形貌；直接修型工藝中，交界處電流密度平緩增加，形成平緩葉尖外形。

通過上述分析可見，理想電流密度分布應由圖4中A段與圖5中B段組成。數值計算結果顯示，如圖6所示，犧牲層工藝的電流密度分布正符合此特征。犧牲層與葉片同為鈦合金，將其視為整體，即與直接修型工藝相同，形成坡度平緩葉尖形貌；同時，犧牲層亦能隔離雜散電流，完全防止雜散腐蝕。故犧牲層工藝理論上能顯著提高葉尖修型的精度。

圖6 犧牲層工藝 (a)電流線分布；(b)電流密度分布

2 實驗驗證

為驗證前文的分析與計算，證明犧牲層工藝的可行性。建立實驗系統，對3種工藝進行了對比性實驗。

2.1 實驗系統

實驗中采用自制三軸聯動臥式電解加工系統，見圖7。該系統配有40kHz的脈沖電源，輸出電壓為0～24V，最大輸出電流為2000A，具有短路保護控制功能。電源系統、電解液系統與機床系統集成控制，可實現電壓、電流、電解液壓力等參數的自動控制及信號采集。

圖7 實驗系統 (a)機床系統；(b)電解液系統

根據葉尖電解修型的需求，設計陰極系統，如圖8所示。其中，工具形狀按照cosθ法設計[16]；為得到均勻的流場分布，設計了側向供液陰極流道。葉片模型采用板邊微弧堆焊后的TC4鈦合金薄板(50mm×30mm×2mm)，如圖1所示。

圖8 陰極系統

2.2 實驗方法

根據TC4鈦合金的電解加工特性，實驗中采用前期研究中獲得的優化工藝條件，如表2所示。

表2 實驗條件

Table 2 Experimental conditions

ConditionValueormaterialsWorkpiecematerialTC4ToolmaterialStainlesssteelElectrolyte18%NaCl+EDTAElectrolytetemperature/℃35±2Electrolytepumprate/(r·min-1)1800Machiningvoltage/V24Feedrate/(mm·min-1)0.6Time/s30SacrificiallayerTC4InsulatedlayerPlexiglas

為精確評價不同工藝的修型效果，利用DVM5000 HD三維顯微鏡觀察葉尖表面局部形貌，并攝取犧牲層工藝修型后的葉尖二維輪廓。此外，為保證犧牲層工藝的可靠性，連續對6組葉尖試樣的兩側分別進行修型，采用SZX12型顯微鏡觀察微觀形貌。同時，通過Form Talysurf粗糙度儀測量修型面與非加工面粗糙度。

3 結果與討論

3.1 3種工藝修型效果

3種工藝修型效果如圖9所示，直接修型中非加工面出現了雜散腐蝕現象；對于絕緣層工藝，交界處形成“臺階”缺陷，影響流場分布，形成流紋。與上述傳統工藝相比，犧牲層工藝防止了缺陷產生，得到精度較高的修型效果。

圖9 修型后葉尖的宏觀形貌 (a)直接修型工藝； (b)絕緣層工藝；(c)犧牲層工藝

3.2 采用犧牲層工藝修型的葉片形貌

如圖10所示，攝取XOZ，YOZ截面的二維輪廓。可見，XOZ截面輪廓與仿真結果相同，無“臺階”、雜散腐蝕缺陷；YOZ截面輪廓較平直，可見犧牲層設計合理，電解修型過程穩定。

圖10 犧牲層工藝葉尖局部三維表面形貌

為驗證犧牲層工藝的可靠性，連續對6組葉尖試樣的兩側分別進行修型，加工過程穩定，每組修型時間為60s，加工出的試樣如圖11(a)所示。葉尖截面如圖11(b)所示， 6組實驗結果相對誤差較小，可見犧牲層工藝具有較好的重復精度與可靠性，為葉尖進一步的精加工創造了條件。

為精確評價犧牲層工藝修型后的表面精度，如12所示，對A非加工面、B交界處與C修型面三個典型區域截面的微觀形貌觀察，可見典型截面表層無影響層，非加工面仍保持原有精度，交界處過渡平緩，滿足葉片形狀要求。如圖13所示，非加工面與修型面的表面微觀形貌較平整、無明顯腐蝕缺陷，且形成耐腐蝕的氧化薄層，具有較好的表面質量。

圖11 犧牲層工藝連續實驗結果 (a)加工后葉片形貌；(b)對應截面形貌

圖12 典型截面微觀形貌 (a)典型區域；(b)微觀形貌

圖13 表面微觀形貌 (a)非加工面；(b)修型面

圖14 表面粗糙度 (a)修型面；(b)非加工面

犧牲層工藝修型后的粗糙度如圖14所示，其中修型面粗糙度為Ra=0.488μm，非加工面粗糙度Ra=0.283μm，表面質量具有較高精度，滿足設計要求[3]。

4 結論

(1) 基于堆焊葉尖的電解修型，通過直接修型、輔助絕緣層和輔助犧牲層3種非加工面保護工藝實驗結果對比，結合數值計算結果，驗證了采用輔助犧牲層工藝，具有優化加工精度的作用。

(2)通過數值分析與實驗結果對比，驗證了引入keff以擬合鈦合金的電解加工特性，有較好的準確性。

(3)數值計算表明：直接修型工藝形成雜散腐蝕的原因是電流的分散；絕緣層工藝形成 “臺階”缺陷的原因是交界處電流密度的突變；犧牲層工藝既隔絕雜散電流又形成平緩電流密度過渡，能得到良好的修型效果。

(4)實驗結果表明：采用犧牲層工藝對堆焊葉尖電解修型，單組葉片的修型時間60s，提高效率的同時具有良好的可靠性；此外，修型后的葉尖形狀精度較高，表面粗糙度Ra≤0.6μm，滿足葉尖修型的要求。

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Non-machined Surface Protection Process of Electrochemical Machining Based on Repaired Turbine Blade

LIU Wei-dong1,2，LUO Zhen1,2，AO San-san1,2，TAN Hui1,2

Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to improve the efficiency of turbine blade repairing, protection processes of non-machined surface in Electrochemical Machining (ECM) based on blade repairing were studied. Mathematical model of electric field was developed to obtain current density distribution on anode surface, and to study the repairing principle and consequently analyze the defects forming mechanism by conventional electrolytic repair process. Sacrificial layer process was proposed to protect the non-machined surface in this work and an experimental system was developed to shape overlay welded TC4 blades. The results show that directly shaping process and insulated layer process produce stray dissolution and “stair” defects respectively，while sacrificial layer process achieves acceptable machining performance. With shaping time of 60s, the efficiency is improved; shaped blades have higher precision and surface roughness isRa≤0.6μm, and with higher repeatability, the design requirements can be met.

blade tip；repairing；electrochemical machining (ECM)；numerical calculation；sacrificial layer process

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.11.003

TG662

A

1001-4381(2016)11-0016-06

國家自然科學基金面上項目(51275342)；中國博士后面上項目資助(2013M541175)

2015-02-02；

2016-04-05

羅震(1967—)，男，教授，博士，研究方向為焊接、特種加工，聯系地址：天津大學材料科學與工程學院(300072)，E-mail: lz_tju@163.com