高溫鎳基合金渦輪葉片氣膜冷卻孔電解加工基礎試驗研究*

顏紅娟 李志永 崔慶偉 嚴鳳潔 鄭光明 李 麗

(山東理工大學機械工程學院，山東 淄博255049)

管電極打孔是一種以中空金屬管作為陰極對工件陽極進行材料蝕除的一種電化學加工工藝。在現代航空工業中，飛機不僅被廣泛應用于常規運輸業，而且在軍事領域中占據著越來越重要的地位。發動機葉片是航空發動機的關鍵零部件，其結構設計及制造工藝直接體現發動機的性能指標，進而影響飛機的制造成本和使役性能。而渦輪葉片作為高端精密零部件，在工作狀態下需要承受1 MPa以上高壓燃氣和1 000 ℃以上的高溫[1-4]，因此對材料本身的耐高溫性和高壓性提出了很高的要求，故多采用高溫鎳基合金和高溫鈦合金等材料。隨著現代科技的不斷發展，在現代航空業中，發動機葉片除了提高材料本身的耐熱性能和耐高壓性能外，還需要借助有效的冷卻技術對葉片進行實時降溫處理。當前，氣膜冷卻孔技術被國內外證實為最廣泛、最有效的冷卻技術[5-8]。氣膜冷卻孔的主要加工工藝有電火花加工、激光加工及電解加工等。而前兩種加工方式是典型的熱加工工藝，加工過程中均會產生熱再鑄層和熱影響區，加工中產生的殘余拉應力和微觀裂紋是導致渦輪葉片失效的主要原因[9-12]。相比較而言,電解加工是基于陽極溶解原理去除金屬，沒有宏觀“切削力”和“切削熱”的作用，工件表面不會像前兩種加工方式那樣產生熱再鑄層和熱影響區，不存在變形層和殘余應力等問題，因此成為加工冷卻孔的主流工藝之一[13]。

本文以渦輪葉片常用的高溫鎳基合金Inconel718為基材，基于管電極打孔原理，以研究加工參數對冷卻孔表面性能的影響為主要目標，將冷卻孔的單邊間隙和材料蝕除率分別作為加工精度及加工效率的檢測指標。通過正交試驗得出電解液入口壓力P、加工電壓U及電極進給速度f對單邊間隙Δs及材料蝕除率MRR的影響，進而又通過單因素試驗逐一分析了各個加工參數對單邊間隙和材料蝕除率的影響規律，最終得出管電極電解打孔的最優參數組合。

1 試驗準備

1.1 試驗材料與設備

試驗試樣為高溫鎳基合金Inconel718(25 mm×50 mm×1.5 mm)，加工過程中試樣相對于水平面傾斜45°定位裝夾。圖1為管電極電解加工冷卻孔示意圖。

1.2 管電極絕緣處理和試驗方法

試驗選取外徑為0.8 mm，內徑約0.3 mm的中空黃銅管電極，采用聚四氟乙烯進行側面絕緣處理，絕緣層厚度約為50 μm，管電極前端面預留0.2 mm不做絕緣處理。電極絕緣處理技術要求詳見圖2。

管電極電解加工以NaNO3溶液作為電解液，采用恒電流加工，試驗過程中采用正流式加工。圖3為正流式加工示意圖。

1.3 性能表征方法

本文以單邊間隙Δs(μm)、材料蝕除率MRR(mm3/min)及表面微觀形貌作為冷卻孔的性能表征指標。其中單邊間隙Δs作為衡量加工精度的評價指標，按如下公式計算:

(1)

式中：D為電解加工所得冷卻孔直徑，μm；d為管電極外徑,μm。

材料蝕除率MRR作為衡量加工效率的評價指標,計算公式如下：

(2)

式中：m1為工件電解加工前的質量，g;m2為工件電解加工后的質量，g;ρ為鎳基高溫合金Inconel718的密度，8.24 g/mm3；T為電解加工時間，min。

2 正交試驗設計及結果分析

2.1 正交試驗設計

本文基于正交試驗來研究電解液入口壓力P(MPa)、加工電壓U(V)及電極進給速度f(mm/min)這3個工藝參數對冷卻孔成型精度的影響程度。采用3因素3水平正交試驗，并對試驗結果進行極差分析，所選工藝參數及水平值如表1所示。

表2為正交試驗設計及試驗結果。由表2可知，相較其它冷卻孔而言，5號和7號冷卻孔得到的單邊間隙較小和材料蝕除率較高。單邊間隙和材料蝕除率的極差分析如表3和表4所示。

表1 工藝參數水平表

水平P/MPaU/Vf/(mm/min)10.270.3020.490.4230.6110.54

表2 正交試驗設計及結果

序號P/MPaU/Vf/(mm/min)Δs/μmMRR/(mm3/min)10.270.30129.900.34920.290.42110.230.49530.2110.54113.150.60040.470.42117.410.46250.490.5497.280.56160.4110.30132.500.61770.670.54101.410.46880.690.30120.200.54890.6110.42126.890.621

表3 單邊間隙極差分析表 μm

表4 材料蝕除率極差分析表 mm3/min

2.2 工藝參數對側面間隙的影響

由表3可以看出，在3個因素中，電解液入口壓力P其最小值為K2；加工電壓U其最小值為K2；進給速度f的最小值為K3。因此，得到管電極電解加工冷卻孔單邊間隙的工藝參數為P2U2f3，即電解液入口壓力0.4 MPa、加工電壓9 V、進給速度0.54 mm/min。通過極差分析可知，3個因素對單邊間隙的影響次序為f>U>P，即進給速度的影響最大，電解液入口壓力影響最小。

2.3 工藝參數對加工蝕除率的影響

通過表4對材料蝕除率分析可知，由正交試驗得出材料蝕除率的工藝條件為P2U3f3，即電解液入口壓力0.4 MPa、加工電壓11 V、電極進給速度0.54 mm/min。通過極差分析可知，3因素對蝕除率的影響次序依次為U>P>f，即加工電壓對蝕除率的影響最大，電解液入口壓力其次，進給速度影響最小。綜上所述，擬定冷卻孔5加工工藝參數組合(電解液入口壓力0.4 MPa、加工電壓9 V、電極進給速度0.54 mm/min)為電解加工冷卻孔的最佳工藝條件。

3 單因素試驗及結果分析

通過正交試驗分析，得到各因素對單邊間隙和材料蝕除率的影響規律，擬定了電解加工冷卻孔的最佳工藝參數組合。為進一步優化工藝參數，在此基礎上通過單因素分析法，分析各個因素在電解加工冷卻孔過程中對Δs和MRR的影響。

3.1 電解液入口壓力對單邊側面間隙和加工蝕除率的影響

在U=9 V，f=0.54 mm/min條件下，研究不同電解液入口壓力(P=0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa)對單邊間隙和材料蝕除率的影響，如圖4所示。

由圖4分析可知，隨著電解液入口壓力的增大，Δs呈先減小后增大的趨勢。究其原因：壓力增大，電解液流速增加，間隙內電解液更新速度提高，能夠迅速排出電蝕產物，使得加工時間縮短，冷卻孔側邊發生電化學溶解的時間減少，單邊間隙減小。但當壓力過大時，過快的電解液在曲率變化較大的電解液流道中，極易引發渦流現象，產生空穴，導致電解產物無法及時排出，發生短路。短路后管電極后退重新進給加工，在進給反復中側面材料不斷被蝕除加工，側面間隙增大。由圖4還可看出，MRR隨入口壓力的增大而增加。這是因為，隨著電解液壓力的增加，電解液更新速度快，電解液電導率更新率提高，電解液電導率的增加引起電流密度增加，蝕除率的增加。

取試驗中不同電解液入口壓力下電解加工所得冷卻孔，其入口形貌如圖5所示。綜合考慮電解液入口壓力對Δs和MRR的影響，加工電壓為0.4 MPa為宜。

3.2 加工電壓對單邊間隙和加工蝕除率的影響

在P=0.4 MPa，f=0.54 mm/min條件下，研究不同加工電壓(U=5 V、7 V、9 V、11 V、13 V)對Δs和MRR的影響，結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，在其他加工參數一定時Δs和加工電壓成正相關。這是因為隨著加工電壓升高，電化學反應中電子轉移能力增強，導致單邊間隙變大，加工精度降低。同時，隨著加工電壓的增大，MRR增加。MRR隨之升高的原因是加工電壓的升高會進一步增大電流密度，電化學反應加快，離子蝕除速度增加，導致MRR升高。

取試驗中不同加工電壓U下獲得冷卻孔形貌圖如圖7所示。綜合考慮加工電壓對Δs和MRR的影響，加工電壓為9 V為宜。

3.3 電極進給速度對單邊間隙和材料蝕除率的影響

在P=0.4 MPa，U=9 V條件下研究不同電極進給速度(f=0.30 mm/min、0.42 mm/min、0.54 mm/min)對Δs和MRR的影響，結果如圖8所示。由圖8可知，電極進給速度f加快,Δs不斷變小。這是因為在較高的電極進給速度下，加工時間相對較短，陽極工件材料發生電化學溶解的時間較少,Δs減小，加工精度升高。由圖8還看出，電極進給速度加快，MRR升高。這是因為在較高的電極進給速度下，加工時間較短，陽極工件材料發生電化學溶解相對速率加快，MRR較大。

取試驗中不同進給速度下電解加工所得冷卻孔，其形貌如圖9所示。綜合考慮進給速度對Δs和MRR的影響，進給速度為0.42 mm/min為宜。

4 結語

(1) 對管電極電解加工冷卻孔進行正交試驗設計，通過結果分析得到：進給速度對單邊間隙的影響最大，加工電壓其次，電解液入口壓力對單邊間隙的影響

最小；加工電壓對材料蝕除率的影響最大，電解液入口壓力其次，進給速度影響較小。

(2) 綜合考慮加工精度、加工效率及冷卻孔形貌三個因素，對管電極電解加工冷卻孔的三個主要因素進行優化，試驗結果表明當電解液入口壓力為0.4 MPa、加工電壓為9 V、電極進給速度為0.42 mm/min時，得到的冷卻孔的單邊間隙為96.37 μm，材料蝕除率為0.545 mm3/min。因此，在此參數下加工的冷卻孔的單邊間隙較小、材料蝕除率較高、冷卻孔的表面完整性較好。

[1]Wang M H, Zhu D. Machining of turbulated cooling holes in aero-engine blades and their heat transfer analysis[J]. Mechanical Science and Technology, 2006, 25(11) : 1347-1350.

[2]Li Zhiyong, Niu Zongwei. Convergence analysis of the numerical solution for cathode design of aero-engine blades in electrochemical machining[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2007, 20(6) : 570-576.

[3]李兆龍，狄士春. 深小孔脈沖電解加工精度控制研究[J]. 兵工學報，2012，33(4)：414-418.

[4]劉新靈，陶春虎，劉春江. 航空發動機葉片氣膜孔加工方法及其演變分析[J]. 材料導報，2013，27(11)：117-120.

[5]李廣超，柏樹生，吳冬. 氣膜孔形狀對渦輪葉片氣膜冷卻影響的研究進展[J].熱能動力工程，2010，25(6)：581-585.

[6]王維，朱荻，曲寧松，等. 管電極電解加工工藝工程穩定性研究[J].機械工程學報，2010，46 (11)：179-184.

[7]孫建軍，李志永，臧傳武. 航空發動機氣膜冷卻孔的電解加工[J].電鍍與涂飾，2015，34 (11)：626-631.

[8]Bunker R S. A review of shaped hole turbine film-cooling Technology[J]. Journal of Heat Transfer Transactions of the Asme,2005,127(4):441-453.

[9]Sen M, Shan H S. A review of electrochemical macro-to micro-hole drilling process [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2005, 45(2):137-152.

[10]Datta M, Landolt D. Fundamental aspects and applications of electrochemical microfabrication[J]. Electrochemical Acta, 2000, 45(15): 2535-2558.

[11]Okasha M M, Mativenga P T, Driver N, et al. Sequential laser and mechanical micro-drilling of Ni superalloy for aerospace application[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology,2010, 59(1):199-202.

[12]Wang M H, Zhu D. Simulation of fabrication for gas turbine blade turbulated cooling hole in ECM based on FEM[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(4): 1747-1751.

[13]Zhu D, Wang W, Fang X L, et al. Electrochemical drilling of multiple holes with electrolyte-extraction[J]. CIRP Annals- Manufacturing Technology, 2010.59(1): 239-242.