航空用TC4鈦合金微小結(jié)構(gòu)綠色加工技術(shù)探究——射流電解質(zhì)等離子體材料去除機(jī)制與掃描加工形貌調(diào)控規(guī)律

1、引言

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，微小金屬零件在航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，如心血管支架、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片氣膜冷卻孔等[1-3]。這類應(yīng)用不僅要求零件具備優(yōu)異的耐磨耐腐蝕性能，還需滿足高精度加工質(zhì)量要求。鈦合金因具有優(yōu)秀的力學(xué)性能，以及耐高溫、抗腐蝕等特性，成為理想的微小金屬零件制造材料。然而，鈦合金較差的導(dǎo)熱性和較低的彈性模量等，導(dǎo)致傳統(tǒng)加工方法(如銑削、激光加工)在制造微小孔、微溝槽時(shí)易產(chǎn)生重熔層和微裂紋，難以滿足高加工質(zhì)量要求[4-6]。

射流電解微銑削(JetElectrochemical Micro Milling,Jet-ECMM)通常采用10%-20%NaNO3溶液作為電解液，工件接陽極并施加20~50V電壓，基于陽極電化學(xué)溶解原理[7]，通過點(diǎn)射流或掃描射流實(shí)現(xiàn)微小孔和微槽的加工，該技術(shù)已在國內(nèi)外得到廣泛研究。Clear等[8]針對(duì)鎳基高溫合金，采用計(jì)算機(jī)輔助調(diào)控射流角度和移動(dòng)路徑，當(dāng)射流與工件表面夾角為22.5°時(shí)，獲得了表面粗糙度Ra為0.04μm的加工表面。Guo等[9]采用圖像算法輔助同軸抽吸射流電解加工，通過調(diào)節(jié)電解液供給速率和抽吸壓力以獲得更高加工定域性。Du等[10]提出一種激光誘導(dǎo)射流電解加工方法，通過激光與射流束耦合獲得更高的加工效率，材料去除率達(dá)到2.23mm³/min。然而，Jet-ECMM因加工電壓較低、電解液濃度較高，導(dǎo)致加工效率受限、加工成本上升，且大量電解液的使用易造成環(huán)境污染[6]，亟需發(fā)展更高效、綠色的加工方法。

電解質(zhì)等離子體加工方法(Electrolytic plasma machining(EPM))是一種新興的加工方法，使用低濃度的中性鹽或弱酸溶液，對(duì)工件施加200V~500V電壓，通過復(fù)雜的等離子體物理作用和化學(xué)反應(yīng)使工件表面材料去除[11-13]，具有加工效率高、加工成本低、污染性小的優(yōu)點(diǎn)。將電解質(zhì)等離子體加工(EPM)與射流技術(shù)結(jié)合，形成了射流電解質(zhì)等離子體加工(Jet Electrolytic Plasma Machining，Jet-EPM)方法可有效改善Jet-ECMM加工效率低的問題。Quitzke等[14]使用5mm直徑噴嘴開展實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析加工電壓對(duì)工件表面粗糙度的影響，得到400V左右加工電壓有較好表面粗糙度。Christian Kranholda等[16]以316L不銹鋼為對(duì)象，研究了加工電壓、電解液溫度等因素對(duì)加工電流穩(wěn)定性的影響，提出最優(yōu)加工電壓在300V~400V，電解液溫度不低于75℃。

Jet-EPM在加工鈦合金表面微結(jié)構(gòu)時(shí)，其高材料去除率導(dǎo)致已加工區(qū)域的形貌會(huì)擾動(dòng)后續(xù)射流的流場和電場分布，進(jìn)而降低加工定域性和最終加工質(zhì)量。鑒于此，本文以TC4鈦合金為研究對(duì)象。首先，通過定點(diǎn)射流實(shí)驗(yàn)厘清加工時(shí)間對(duì)微孔形貌的演化規(guī)律;繼而，通過移動(dòng)射流實(shí)驗(yàn)，著重考察噴嘴移動(dòng)速度與掃描重疊率等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)微槽加工定域性的影響，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果以揭示其內(nèi)在機(jī)制。本研究工作旨在為Jet-EPM技術(shù)在鈦合金零件表面微結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2、原理與實(shí)驗(yàn)方案

2.1基本原理

EPM的基本原理是利用高電壓在工件與電解液接觸界面引發(fā)劇烈的電化學(xué)反應(yīng)與瞬時(shí)汽化，形成一層氣態(tài)包絡(luò)層。帶電粒子(電子與離子)在強(qiáng)電場作用下穿越該包絡(luò)層，導(dǎo)致局部電場畸變，從而在工件表面誘發(fā)復(fù)雜的等離子體物理效應(yīng)與電化學(xué)反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)材料的高效去除，其原理如圖1(a)所示。而Jet-EPM技術(shù)旨在將材料去除區(qū)域精確限定于射流沖擊點(diǎn)。為此，射流需達(dá)到臨界速度以形成水躍現(xiàn)象，迫使電流密度在沖擊區(qū)域呈現(xiàn)典型的高斯分布[16]，從而將有效加工范圍嚴(yán)格約束在射流束覆蓋區(qū)內(nèi)，如圖1(b)所示。

在定點(diǎn)射流加工中，初始階段的電流密度沿射流軸線呈理想的高斯分布。然而，隨著加工凹坑的形成與演化，工件表面形貌的改變會(huì)顯著擾動(dòng)流場結(jié)構(gòu)與電流分布，進(jìn)而影響材料去除的定域性。移動(dòng)射流加工微槽可視為噴嘴在離散點(diǎn)位上短暫駐留加工的疊加結(jié)果。因此，研究定點(diǎn)加工中時(shí)間對(duì)形貌演化的影響規(guī)律，是理解與預(yù)測移動(dòng)加工形貌的基礎(chǔ)。

在移動(dòng)射流加工過程中,噴嘴移動(dòng)速度直接決定了射流在單位路徑上的駐留時(shí)間，是控制微槽形貌的關(guān)鍵參數(shù)。同時(shí)，已加工區(qū)域的形貌會(huì)反作用于后續(xù)射流的流場與電場分布，形成復(fù)雜的動(dòng)態(tài)耦合。因此，系統(tǒng)分析移動(dòng)速度對(duì)微槽形貌的影響，是確定最優(yōu)工藝窗口的必要途徑。同理,在重疊掃描加工中，掃描重疊率決定了已加工形貌對(duì)后續(xù)射流的干擾程度，直接影響寬槽加工的均勻性與一致性，故需深入研究不同重疊率對(duì)材料去除定域性的影響機(jī)制。

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與檢測

搭建了如圖2所示的Jet-EPM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要由三軸移動(dòng)平臺(tái)、直流電源、絕緣夾具、供液系統(tǒng)組成。直流電源額定功率為10kW,輸出電壓范圍 0-400 V可調(diào),精度  ±0.1 V,陽極與加工工件連接,陰極與噴嘴連接;移動(dòng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)噴嘴相對(duì)于工件表面的精確三維(XYZ)運(yùn)動(dòng),其末端最低移動(dòng)速度為5mm/s;供液系統(tǒng)由儲(chǔ)液箱、過濾器、負(fù)壓泵、噴嘴、集液槽組成,電解液經(jīng)過濾器由負(fù)壓泵輸送至噴嘴,形成射流作用于工件表面,加工后電解液通過集液槽收集過濾后回收。儲(chǔ)液箱內(nèi)置加熱裝置,可穩(wěn)定控制電解液溫度。射流噴嘴通過絕緣夾具安裝于 Z軸末端，可精確調(diào)節(jié)其高度和姿態(tài)。

使用 0.6mm直徑噴嘴在 TC4鈦合金板上進(jìn)行點(diǎn)射流實(shí)驗(yàn),結(jié)合 COMSOL Multiphysics仿真結(jié)果,對(duì) Jet-EPM加工微小孔過程中形貌演化和加工定域性進(jìn)行驗(yàn)證分析。設(shè)計(jì)了如表 1所示的實(shí)驗(yàn)方案,用于分析定點(diǎn)射流凹坑形貌隨加工時(shí)間的變化規(guī)律。基于此,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了如表 2所示的實(shí)驗(yàn)方案,以研究移動(dòng)射流加工中噴嘴移動(dòng)速度和掃描重疊率的影響。

工件加工后形貌通過白光干涉儀進(jìn)行三維輪廓檢測,通過截面輪廓曲線與等高線分析加工定域性。

表 1. 定點(diǎn)加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Tab 1. Experimental parameters for stationary jet machining

表2. 移動(dòng)加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Tab 2. Experimental parameters for moving jet machining

不同于傳統(tǒng)接觸式加工方法, Jet-EPM加工方法加工微小孔與微型槽時(shí)依賴電場分布,雖然加工形貌與射流有對(duì)應(yīng)關(guān)系,但由于加工時(shí)電流密度分布的變化以及雜散電流的腐蝕,導(dǎo)致加工形貌與預(yù)期不一致,形成過切現(xiàn)象  [17],因此,參考電解加工深小孔的加工質(zhì)量評(píng)價(jià)方法,采用過切量作為評(píng)價(jià)陽極材料集中去除能力(即加工定域性)的指標(biāo)  [18]。按照?qǐng)D 3所示測量凹坑截面輪廓尺寸數(shù)據(jù),按照下式計(jì)算獲得平均過切量 OC_avg 。

其中  d1 、d2 分別為凹坑頂部、底部直徑, d為噴嘴直徑。

由于 Jet-EPM加工的凹坑底部并非平面,因此在通過凹坑最深點(diǎn)的截面輪廓上,從表面基準(zhǔn)線向下至最大深度 80%處的水平切距作為 d2 。

3、定點(diǎn)射流下加工時(shí)間對(duì)形貌演化影響規(guī)律

3.1定點(diǎn)射流電流密度分布仿真

采用有限元法對(duì) Jet-EPM過程進(jìn)行仿真,旨在分析加工過程中電流密度分布的演變,進(jìn)而預(yù)測加工形貌。基于 COMSOL Multiphysics建立簡化 Jet-EPM過程二維模型,以模擬 Jet-EPM過程中表面凹坑形成過程中電流密度分布,該簡化模型主要包含噴嘴、電解液域和工件表面,如圖 4所示。電解液射流到工件表面形成薄液膜覆蓋,在水躍現(xiàn)象作用下將電流限制在射流接觸點(diǎn),通過COMSOL Multiphysics中腐蝕變形幾何模擬仿真材料去除過程中凹坑形成過程與電流密度分布變化。

圖5所示為定點(diǎn)射流加工下凹坑形成過程的變形區(qū)域放大圖。通過圖5(a)可以明

顯看出射流剛接觸到工件表面時(shí)，電流密度以射流軸線為中心呈現(xiàn)高斯分布，在射流中心點(diǎn)達(dá)到峰值，并向邊緣迅速衰減至接近零，表現(xiàn)出良好的區(qū)域限制性。隨著加工時(shí)間的延長，凹坑深度與寬度快速增大，電流密度最大值迅速下降，有效分布區(qū)域范圍擴(kuò)大，如圖5(c)所示。當(dāng)加工時(shí)間進(jìn)一步延長，如圖5(d)-5(f)所示，材料去除效率降低，凹坑寬度變化接近停止，深度緩慢增加，電流密度峰值及其有效分布范圍逐漸趨于穩(wěn)定。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比分析

圖6所示為加工不同時(shí)間后獲得的凹坑實(shí)物圖，圖7展示了不同加工時(shí)間下加工凹坑的二維形貌演變。可以看出，加工時(shí)間對(duì)凹坑形貌的影響呈現(xiàn)出明顯的階段性特征:當(dāng)加工時(shí)間為15s時(shí)，材料去除主要發(fā)生在射流接觸區(qū)域，所形成的凹坑邊緣較為平緩，等高線分布稀疏，最大高度差約為25μm;隨著加工時(shí)間延長至30s(圖7b)，材料去除區(qū)域逐漸向射流中心聚焦，凹坑邊緣趨于陡峭，底部形貌開始呈現(xiàn)平坦化特征;當(dāng)加工時(shí)間進(jìn)一步增加至60s以上，凹坑直徑顯著擴(kuò)大，表明材料去除范圍明顯擴(kuò)展。

圖8進(jìn)一步給出了不同加工時(shí)間下凹坑的截面輪廓曲線。結(jié)果表明，凹坑的深度與直徑均隨加工時(shí)間的增加而持續(xù)增大，進(jìn)一步驗(yàn)證了加工時(shí)間對(duì)材料去除范圍與形貌演變的系統(tǒng)性影響。

圖9展示了不同加工時(shí)間下凹坑的平均過切量變化。如圖9所示，平均過切量隨加工時(shí)間呈現(xiàn)V形變化，在30s時(shí)降至最低為216μm，而后隨加工時(shí)間延長而增大，其中在30s至45s時(shí)間段增大速度較緩，在45s至90s快速增大，在90s時(shí)達(dá)到415μm。該變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果高度一致:加工初期(0-45s)，電流密度高度集中于射流中心區(qū)域，材料去除以軸向?yàn)橹鳎^切量較小;隨著加工時(shí)間延長(60-90s)，凹坑逐漸形成并加深，導(dǎo)致射流與工件表面的流動(dòng)邊界發(fā)生顯著變化，電流密度分布由初始的高斯集中形態(tài)逐漸擴(kuò)散、畸變，有效作用區(qū)域擴(kuò)大。這種電流的“散焦”效應(yīng)，使得材料去除不再局限于中心區(qū)域，而是向凹坑側(cè)壁徑向擴(kuò)展，從而導(dǎo)致過切量迅速增大。

4、移動(dòng)射流加工微型槽形貌分析

在明確加工時(shí)間對(duì)單一點(diǎn)位加工形貌的影響規(guī)律后，通過調(diào)控移動(dòng)速度與路徑重疊率降低已加工形貌對(duì)流場重構(gòu)的影響。首先使用10mm/s、20mm/s、30mm/s、40mm/s噴嘴移動(dòng)速度對(duì)工件進(jìn)行直線往復(fù)掃描加工，對(duì)比分析不同移動(dòng)速度對(duì)微槽加工形貌的影響機(jī)理。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行25%、50%、62.5%三種不同掃描重疊率加工實(shí)驗(yàn)，分析不同掃描重疊率對(duì)寬槽加工形貌的影響規(guī)律。

4.1移動(dòng)速度對(duì)溝槽質(zhì)量的影響

圖10所示為不同噴嘴移動(dòng)速度下微溝槽的實(shí)物圖，圖11為不同噴嘴移動(dòng)速度下微槽三維形貌及不同噴嘴移動(dòng)速度條件下槽寬沿掃描方向的分布。分析可見，當(dāng)噴嘴移動(dòng)速度較低時(shí)(如10mm/s)，加工形成的微槽邊界不規(guī)則，槽寬波動(dòng)顯著(達(dá)0.49 mm)。隨著移動(dòng)速度提高，微槽邊緣逐漸趨于規(guī)整，槽寬均勻性改善;當(dāng)速度為30mm/s時(shí)，槽寬波動(dòng)最小(0.12mm)，表明此時(shí)射流作用范圍最為穩(wěn)定，加工一致性最佳。

圖12進(jìn)一步給出了不同速度下微槽的三維形貌及槽底中部的截面輪廓曲線。結(jié)果顯示，在較低移動(dòng)速度下(如10mm/s)，槽底起伏劇烈，最大波高可達(dá)130.856μm，形貌呈現(xiàn)多個(gè)不連續(xù)凹坑疊加的特征。隨著速度提高至30mm/s，槽底輪廓趨于平滑，波高顯著降低至15.942μm，材料去除均勻性明顯改善，證實(shí)該條件下加工形貌最優(yōu)。然而，當(dāng)速度進(jìn)一步提高至40mm/s時(shí)，在掃描路徑的起始與終止端出現(xiàn)了局部深坑，反映出路徑兩端的材料去除量增大。

上述現(xiàn)象與Jet-EPM的加工特性密切相關(guān)。在較低移動(dòng)速度下，射流在單位點(diǎn)位的駐留時(shí)間較長，材料去除量大，已形成的凹坑將擾動(dòng)后續(xù)射流的流場與電場分布，導(dǎo)致材料去除區(qū)域失穩(wěn)，形貌均勻性下降。而在較高移動(dòng)速度下，盡管整體形貌趨于均勻，但由于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在路徑端點(diǎn)處的加減速或轉(zhuǎn)向停留，導(dǎo)致該區(qū)域?qū)嶋H駐留時(shí)間延長，引發(fā)局部過度蝕除，形成終端深坑。

4.2.重疊率對(duì)加工質(zhì)量的影響

導(dǎo)致氣體包絡(luò)層厚度均一,使得電流密度和材料去除集中分布于射流直接接觸區(qū)。

4.2.1路徑重疊率射流仿真

通過流場仿真分析了不同重疊率下的流體流速和壓力分布，其結(jié)果如圖13所示。掃描重疊率通過調(diào)控二次射流與已加工微槽形貌間的流場壓力分布，進(jìn)而主導(dǎo)了寬槽截面形貌的演化規(guī)律。其內(nèi)在機(jī)理遵循“壓力分布→氣膜厚度→電流密度→材料去除”的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原則。

在25%低重疊率條件下(圖13a),次射流核心區(qū)的穩(wěn)定流場完全位于初次加工邊緣外側(cè)。該區(qū)域壓力分布均勻且集中，導(dǎo)致氣體包絡(luò)層厚度均一，使得電流密度和材料去除集中分布于射流直接接觸區(qū)。

當(dāng)重疊率增至50%時(shí)(圖13b)，二次射流中心與初次槽邊緣重合。已加工形貌對(duì)流場產(chǎn)生干擾,引發(fā)了顯著的壓力場偏置。壓力較高的區(qū)域氣膜變薄、電阻下降,將導(dǎo)致該處電流密度集中。

當(dāng)重疊率高于50%(圖13c和圖13d),二次射流核心區(qū)完全覆蓋初次槽結(jié)構(gòu)。盡管流場擾動(dòng)仍會(huì)導(dǎo)致一定的壓力偏置，但高度重疊的掃描路徑使高電流密度區(qū)有效作用于初次槽內(nèi)部。

4.2.2重疊射流加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

即初次加工形貌干擾二次射流，導(dǎo)致其流場與電場發(fā)生畸變，使材料去除區(qū)域偏向初次掃描槽,最終形成不對(duì)稱的加工形貌。

為驗(yàn)證上述仿真結(jié)果，進(jìn)行了重疊射流加工實(shí)驗(yàn)，并對(duì)加工后溝槽形貌進(jìn)行了分析。

在25%重疊率下，三維形貌呈現(xiàn)出兩個(gè)獨(dú)立的凹槽，其截面輪廓相似且對(duì)稱(圖14a)。這與仿真中預(yù)測的獨(dú)立、局部的壓力集中區(qū)相符，直觀地證實(shí)了兩次掃描加工相互干涉度小，低重疊率下流場與電場影響微弱。

在62.5%高重疊率下，三維形貌展現(xiàn)出平坦的槽底與平緩的槽壁過渡(圖14c)。這一形貌驗(yàn)證了高重疊率的核心優(yōu)勢(shì)，即盡管存在流場擾動(dòng)，但高重疊率的掃描路徑使得電流密度的作用區(qū)域在空間上充分疊加。該結(jié)果與仿真結(jié)論一致，表明高重疊率能有效利用材料去除的疊加效應(yīng)，抑制不利的局部畸變,從而實(shí)現(xiàn)槽底整平與形貌均勻化。

當(dāng)重疊率增加至50%，截面輪廓演變?yōu)轱@著的不規(guī)則形貌(圖14b)。該形貌特征直接體現(xiàn)了仿真中呈現(xiàn)的壓力場偏置效應(yīng)，

5、結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了采用射流電解質(zhì)等離子體加工(Jet-EPM)方法在TC4鈦合金上加工微槽時(shí)，不同加工參數(shù)對(duì)加工定域性的影響機(jī)理。得到如下結(jié)果:

(1)定點(diǎn)射流加工初期，材料去除集中于射流接觸中心區(qū)域;隨加工時(shí)間延長，加工定域性逐漸下降。

(2)移動(dòng)射流加工微槽時(shí)，加工質(zhì)量隨噴嘴移動(dòng)速度提高而提升;但當(dāng)速度超過30mm/s時(shí)，掃描路徑兩端因駐留時(shí)間延長而出現(xiàn)材料過度去除。

(3)采用重疊掃描路徑加工寬槽時(shí)，路徑重疊率須高于50%，才能獲得平坦槽底。

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（注，原文標(biāo)題：TC4鈦合金射流電解質(zhì)等離子體微加工流場仿真與實(shí)驗(yàn)研究_易軍）

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