鎳基高溫合金GH4169電解加工殘余應(yīng)力研究

陸嘉文，朱棟，王福平，任明珠，龐曰群

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.中國(guó)航發(fā)動(dòng)力股份有限公司，陜西 西安 710021)

0 引言

鎳基高溫合金GH4169在高溫下具有良好的綜合性能，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱零部件中具有重要的應(yīng)用[1]。表面殘余應(yīng)力的大小與發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的疲勞壽命密切相關(guān)，是發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的一項(xiàng)重要指標(biāo)[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)殘余應(yīng)力在鎳基高溫合金中的分布有廣泛的研究，對(duì)銑削[3]、磨削[4-5]、激光[6]、電解復(fù)合磁力研磨[7]等加工工藝所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力都開(kāi)展了相關(guān)研究。

X射線衍射法由于其無(wú)損性、操作便捷、速度快、準(zhǔn)確度高，被廣泛應(yīng)用于殘余應(yīng)力的測(cè)量[8-9]。X射線衍射法結(jié)合電解加工方法測(cè)量金屬深度方向的殘余應(yīng)力在國(guó)內(nèi)外早有研究。SAHIN F等設(shè)計(jì)了一種用剝層法測(cè)量永磁體零件殘余應(yīng)力的電化學(xué)加工裝置[10]。商執(zhí)億設(shè)計(jì)了一套電解加工腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置，滿足高速鋼殘余應(yīng)力測(cè)量的需要[11]。杜吉星等通過(guò)電化學(xué)剝層裝置，對(duì)銑削鋁合金板表層進(jìn)行殘余應(yīng)力的測(cè)量[12]。

殘余應(yīng)力是加工表面的一個(gè)重要參數(shù)，其大小受加工參數(shù)影響。而電解加工中，電流密度對(duì)試件表面質(zhì)量影響較大[13-14]，因此分析電流密度對(duì)殘余應(yīng)力的影響對(duì)實(shí)際電解加工中電流密度的選取有一定的參考價(jià)值。本文針對(duì)GH4169磨削試件，采用自主搭建的電解加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展電解加工實(shí)驗(yàn)，控制表層微量去除，利用X射線殘余應(yīng)力分析儀測(cè)量不同深度以及不同加工電流密度下的GH4169試件，研究電流密度對(duì)殘余應(yīng)力的影響。

1 試驗(yàn)及檢測(cè)裝置

1.1 試驗(yàn)裝置

電解加工是一種陽(yáng)極溶解的加工方式，溶解速度與電流密度大小有關(guān)。

試驗(yàn)在自主搭建的電解加工系統(tǒng)中開(kāi)展(圖1)，夾具體采用環(huán)氧樹(shù)脂材料，具有良好的絕緣性和剛性，工具陰極與工件陽(yáng)極之間能保持0.5 mm的初始加工間隙。電源采用6 kW的直流穩(wěn)流電源，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可控制加工過(guò)程中的壓力、流量、溫度和電解液純度的穩(wěn)定性。

圖1 電解加工試驗(yàn)裝置示意圖

試件選用GH4169材料，測(cè)定材料的密度為8.11 g/cm3，試件上表面進(jìn)行磨削處理，電解表面尺寸為5 mm×10 mm，高度10 mm(圖2)。試件上表面與固定塊流道面齊平，保證加工過(guò)程中產(chǎn)物的及時(shí)排出。

圖2 GH4169磨削件及其安裝定位塊

1.2 檢測(cè)裝置

試驗(yàn)采用日本某公司的μ-X360型X射線殘余應(yīng)力分析儀(圖3)。X射線殘余應(yīng)力分析儀是基于布拉格方程的測(cè)量分析儀器，其參數(shù)設(shè)置與材料有關(guān)。本文采用的試件材料為GH4169，選取鎳合金模塊。測(cè)量時(shí)用工裝夾具安裝試件，確保每次測(cè)量的位置相同。

圖3 μ-X360型X射線殘余應(yīng)力分析儀

2 試驗(yàn)與分析

電流密度是電解加工的主要加工參數(shù)之一，故本文開(kāi)展不同電流密度下電解加工試驗(yàn)，分析不同參數(shù)對(duì)試件表面殘余應(yīng)力的影響。

開(kāi)展不同電流密度下的電解加工試驗(yàn)，需要考慮兩方面因素(圖4)：1)排除磨削表層殘余應(yīng)力的影響。由于GH4169毛坯試件采用磨削制造，故表層存在磨削殘余應(yīng)力層。開(kāi)展電解加工后的殘余應(yīng)力測(cè)定，材料去除深度必須高于該應(yīng)力層的深度。因此，需要開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)定磨削應(yīng)力層的深度。2)不同電流密度下的電解加工深度一致。加工深度取決于材料溶解速度和加工時(shí)間，當(dāng)不同電流密度下的材料溶解速度確定時(shí)，可通過(guò)控制加工時(shí)間來(lái)保證加工深度相同。因此，需要開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同電流密度下的材料溶解速度。

圖4 電解加工試驗(yàn)策略

2.1 不同電流密度材料溶解速度測(cè)定

針對(duì)鎳基高溫合金材料，開(kāi)展相同加工時(shí)間下不同電流密度的電解加工試驗(yàn)，確定不同條件下的陽(yáng)極溶解速度。

試驗(yàn)所采用的電解液選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的硝酸鈉溶液，電解液初始溫度為27 ℃。考慮到電源的功率問(wèn)題，電流密度選取區(qū)間為2.5～95 A/cm2，通電時(shí)間取40 s。

加工前表面為磨削平面，忽略電解加工中沿流程的溫升、氣泡等因素的影響，假設(shè)電解加工后的試件加工面為面積不變的平面，故可以采用加工前后的質(zhì)量差來(lái)?yè)Q算加工深度：

其中：h為加工深度，μm；Δm為加工前后的質(zhì)量差，g；ρ為材料密度；S為電解加工平面的截面積，取0.5 cm2。

在加工時(shí)間相同的情況下，開(kāi)展了電流密度為2.5、5～95 A/cm2(步長(zhǎng)為5 A/cm2)的電解加工試驗(yàn)，測(cè)得了試件加工前后的質(zhì)量差Δm，通過(guò)深度換算公式得到試件的加工深度(圖5)。深度隨電流密度的增加而增長(zhǎng)，當(dāng)加工時(shí)間為40 s，電流密度為95 A/cm2時(shí)，加工深度為883.1 μm。

圖5 相同時(shí)間、不同電流密度下工件的加工深度

在相同加工時(shí)間下，材料溶解速度與加工深度成正比。通過(guò)計(jì)算，得到10～80 A/cm2的材料溶解速度(表1)。在加工深度確定的情況下，通過(guò)不同電流密度下的材料溶解速度，可得到相應(yīng)的加工時(shí)間。

表1 不同電流密度下工件的材料溶解速度

2.2 GH4169磨削試件殘余應(yīng)力層深度測(cè)定

GH4169磨削試件存在磨削殘余應(yīng)力層，確定應(yīng)力層深度對(duì)研究不同電流密度下的殘余應(yīng)力至關(guān)重要。

磨削試件的應(yīng)力層深度一般在幾十到幾百μm之間。為了確定試件殘余應(yīng)力層深度，采用表層微量去除的方法獲得試件沿深度方向的殘余應(yīng)力值。針對(duì)同一試件，每次電解加工10 μm左右的深度，測(cè)量試件加工面的殘余應(yīng)力值。在20 A/cm2電流密度下電解加工的試件表面質(zhì)量較好，選用20 A/cm2作為試驗(yàn)的電流密度值。由20 A/cm2時(shí)的材料溶解速度，可以得到試件溶解10 μm深度所用時(shí)間約為2 s。當(dāng)試件溶解后的殘余應(yīng)力值穩(wěn)定于較小絕對(duì)值范圍內(nèi)后，適當(dāng)增加溶解深度。共進(jìn)行了6次2 s、3次4 s和2次6 s的電解加工試驗(yàn)，總加工時(shí)長(zhǎng)為36 s。通過(guò)對(duì)電解加工后的試件進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，得到每次試驗(yàn)后試件的總?cè)芙馍疃?表2)。

表2 同一試件不同總加工時(shí)間的總?cè)芙馍疃?/p>

用X射線殘余應(yīng)力分析儀對(duì)每次加工后的試件進(jìn)行測(cè)量(圖6)，隨著加工深度的增加，殘余應(yīng)力σx逐漸減小，然后穩(wěn)定在較小絕對(duì)值范圍內(nèi)，應(yīng)力分布符合GH4169磨削件殘余應(yīng)力分布規(guī)律。當(dāng)加工深度>50 μm時(shí)，殘余應(yīng)力σx基本穩(wěn)定，應(yīng)力層深度約為50 μm。

圖6 同一工件不同加工深度下的殘余應(yīng)力

2.3 電流密度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

為消除GH4169磨削試件表層殘余應(yīng)力的影響，控制電解加工深度遠(yuǎn)大于殘余應(yīng)力層深度，取溶解深度為180 μm左右。通過(guò)不同電流密度下的材料溶解速度，確定10～80 A/cm2下的加工時(shí)間為80 s、40 s、26.7 s、20 s、16 s、13.3 s、11.4 s和10 s，控制電解加工深度一致。對(duì)電解加工試驗(yàn)后的試件進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，得到試件的實(shí)際溶解深度(表3)，溶解深度有效控制在180～190 μm范圍內(nèi)。

表3 不同電流密度的溶解深度

通過(guò)X射線殘余應(yīng)力分析儀對(duì)不同電流密度下電解加工前后試件的殘余應(yīng)力σx進(jìn)行測(cè)量(圖7)，各工件的初始?xì)堄鄳?yīng)力σx在[-405，-778] MPa區(qū)間范圍內(nèi)，表面存在較大殘余壓應(yīng)力。在不同電流密度下電解加工后，表面殘余應(yīng)力σx范圍減小到[-65，103] MPa，殘余壓應(yīng)力數(shù)值大大減小。不同電流密度下電解加工試件的殘余應(yīng)力σx波動(dòng)較小，可認(rèn)為電解加工不引入附加殘余應(yīng)力。

圖7 不同電流密度相同深度加工前后殘余應(yīng)力對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)鎳基高溫合金GH4169開(kāi)展不同電流密度和溶解深度的電解加工試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)和檢測(cè)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1)使用的GH4169磨削件的殘余應(yīng)力層深度為50 μm左右。

2)開(kāi)展不同電流密度下、材料溶解深度約為180 μm的電解加工試驗(yàn)，試件殘余應(yīng)力σx從磨削表面的[-405，-778] MPa下降到電解加工后的[-65，103] MPa，殘余應(yīng)力σx數(shù)值減小；不同電流密度下加工試件表面殘余應(yīng)力σx數(shù)值波動(dòng)較小，可認(rèn)為電解加工不引入附加殘余應(yīng)力。