电解加工对GH4169G高温合金表面完整性和力学性能的影响

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）

GH4169G高温合金是在GH4169合金中添加P、B等微量元素所得的一种改进型变形镍基高温合金，在−250 ~ 700 °C温度范围内具有良好的抗疲劳、抗氧化、耐腐蚀、加工及焊接性能，被广泛应用于航空发动机领域，可用于加工盘、环、叶片、轴等众多关键零部件[1-2]。

电解加工技术是目前国内外航空发动机关键零部件加工的先进技术之一，具有无工具损耗，不受材料自身力学性能限制，加工效率高等优点[3-4]，能够很好地满足航空发动机制造中材料特殊、加工难度大以及加工批量大的独特需求。因此，国内外在高温合金尤其是 GH4169合金的电解加工方面开展了大量研究工作[5-6]。Tang等[7]研究了GH4169合金在电解加工过程中的电化学溶解机理，为GH4169合金电解加工的实际应用奠定基础。南京航空航天大学[8-10]、北京航空制造工程研究所[11-13]等单位长期致力于GH4169等高温合金电解加工技术的研究，并取得了可喜的成绩。

然而，国内在GH4169等高温合金电解加工领域的研究主要关注于工艺参数优化和阴极参数(如形状、旋转速率、旋转方式等)[14-15]方面，有关电解加工对GH4169高温合金表面完整性和力学性能影响的研究报道较少，缺乏与传统机械加工方式的对比。本研究对比了电解加工和机械加工两种方式对航空发动机用GH4169G高温合金表面完整性及力学性能的影响，为电解加工技术的工程化应用提供理论支撑。

1 实验

1.1 材料

GH4169G高温合金的尺寸为130 mm × 50 mm ×3 mm，名义化学成分(以质量分数计)为：Ni 50% ~ 55.0%，Cr 17.0% ~ 21.0%，Mo 2.80% ~ 3.30%，Al 0.30% ~ 0.70%，Ti 0.75% ~ 1.15%，C≤0.08%，Co≤1.0%，Fe余量。

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，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，砂轮转速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 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。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。

1.3.2 力学性能试验

力学性能试验包括高温持久试验和室温振动疲劳试验，试样尺寸分别见图 1和图 2。高温持久试验按照GB/T 2039–2012《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》进行，试验温度680 °C，应力690 MPa，以断裂时间和延伸率为指标来评估高温持久性能。室温振动疲劳试验按照HB 5277–1984《发动机叶片及材料振动疲劳试验方法》在室温下进行，应力选择680 MPa和600 MPa两个水平，以试样的疲劳寿命(N)为指标来评价室温疲劳性能。

图1 高温持久试样示意图Figure 1 Schematic diagram of high-temperature creep rupture specimen

图2 室温振动疲劳试样示意图Figure 2 Schematic diagram of rom-temperature vibration fatigue specimen

2 结果与讨论

2.1 加工方式对GH4169G高温合金表面完整性的影响

2.1.1 表面形貌

从图3可知，经机械加工后GH4169G高温合金表面存在明显的加工刀痕。经电解加工后，GH4169G高温合金表面变得杂乱，局部存在晶界(见图3b方框区域)，晶界上有针状δ相，晶粒内部较平整，这可能是因为不同相的成分有差异，在电解加工过程中的溶解速率不同。

图3 GH4169G高温合金分别经过机械加工(a)和电解加工(b)后的表面形貌Figure 3 Surface morphologies of GH4169G superalloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

2.1.2 表面粗糙度

一般表面粗糙度越大，局部应力集中越强烈，越容易引发疲劳裂纹[16]。从图4可知，机械加工表面的机加刀痕较规则，与图3a一致，其表面粗糙度约为0.256 μm。电解加工表面的粗糙度约为0.408 μm，高于机械加工表面。图4b显示的红色凸出区域的位置与图3b中的晶界基本吻合，推测是由于电解加工过程中GH4169G合金中不同相的溶解速率差别较大，即晶界处的δ相比基体相γ相及增强相γ′相和γ′′相的溶解可能更慢。

图4 GH4169G高温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 4 Surface roughness of GH4169G superalloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

2.1.3 表面残余应力

一般而言，残余拉应力会显著降低材料的疲劳极限，缩短疲劳寿命；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[17]。从图5可知，GH4169G高温合金机械加工试样表层10 μm深度内均呈现残余拉应力状态，最大约400 MPa；之后表现为残余压应力，最大约−250 MPa；随着深度增大，压应力逐渐减小，距表面100 μm处时，残余压应力约为−50 MPa。这是金属材料机械加工表面残余应力的典型变化趋势，其中最表层的拉应力和大幅的应力变化可能会导致疲劳裂纹的萌生。GH4169G高温合金电解加工试样从表面到内部的残余应力变化幅度较小，基本保持在100 MPa以内，这表明电解加工表面残余应力较平稳，不易产生疲劳裂纹。

图5 分别经机械加工和电解加工后GH4169G高温合金表面不同深度的残余应力Figure 5 Residual stresses of GH4169G superalloy 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对材料的去除方式不同，对材料表面晶粒取向造成的影响也就不同。从图6可知，机械加工试样靠近表面区域存在较薄的细晶层，厚度为几个μm。这是由于在机械加工过程中材料表面发生强烈的塑性变形，引起表面晶粒细化甚至破碎。电解加工试样表面完全观察不到细晶层，表层晶粒的边缘整齐，说明电解加工过程中表面只是发生均匀腐蚀，并没有明显的塑性变形。

图6 GH4169G高温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 6 Cross-sectional morphologies and grain orientations of GH4169G superalloy after mechanical machining (a) and electrochemical machining (b), respectively

2.2 加工方式对GH4169G高温合金力学性能的影响

2.2.1 高温持久性能

高温持久性能是保证高温合金零部件安全服役的重要参数之一。从表1可知，机械加工试样的平均持久拉伸断裂时间为33.19 h，断裂后的平均延伸率为18.76%；电解加工试样平均持久断裂时间为33.89 h，断裂后的平均延伸率为15.98%。可见两种方式加工后GH4169G试样的高温持久性能相当，表明加工方式对高温持久性能的影响不明显。

表1 GH4169G经过机械加工和电解加工后的高温持久性能Table 1 High-temperature creep rupture property of GH4169G superalloy after mechanical machining and electrochemical machining, respectively

2.2.2 室温振动疲劳性能

室温振动疲劳性能是航空发动机涡轮叶片的重要性能之一。如图7所示，在600 MPa和680 MPa应力下，机械加工试样的疲劳寿命均大于电解加工试样，但处于同一数量级。一般而言，GH4169G试样表面粗糙度越大，表面残余应力呈现拉应力状态越明显，应力值越大，则疲劳性能越差。结合图4和图5可知，表面粗糙度对GH4169G高温合金室温振动疲劳性能的影响更大。

图7 GH4169G高温合金分别经过机械加工和电解加工后的室温振动疲劳寿命Figure 7 Room-temperature vibration fatigue life of GH4169G superalloy after mechanical machining and electrochemical machining, respectively

3 结论

(1) 相比于机械加工，GH4169G高温合金电解加工后的表面无明显的机加刀痕及晶粒细化或破碎的变形层，表面粗糙度略高，且表面残余应力变化幅度较小，基本保持在100 MPa以内。

(2) GH4169G高温合金电解加工后的高温持久性能与机械加工相当，而室温振动疲劳寿命低于机械加工，这可能是由于其表面粗糙度较大。