指导老师：徐正扬教授/博导
论文题目：TiAl金属间化合物叶片的电化学溶解特性及精密电解加工研究
答辩委员会：
主席：李小宁 教授/博导 南京理工大学
委员：刘 磊 教授/博导 东南大学
朱 荻教 授/博导 南京航空航天大学
云乃彰 教授/硕导 南京航空航天大学
傅玉灿 教授/博导 南京航空航天大学
赵建社 教授/博导 南京航空航天大学
徐正扬 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：刘 嘉副 教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2022年6月1日15:30
答辩地点：南航4号楼4218会议室
学位论文简介：
航空发动机的涡轮是发动机中最为核心的部件之一，新一代涡扇和涡轴发动机均对涡轮叶片提出了更加苛刻的性能要求。TiAl金属间化合物具有高强度、好的力学性能、且密度仅为镍基高温合金的一半，采用轻质TiAl金属间化合物低压涡轮叶片代替涡轮中镍基高温合金的低压涡轮叶片是减轻航空发动机质量、提高性能的一种非常直接有效的方法。然而，由于TiAl合金低的室温延展性和热导率，较高的强度和硬度，以及低压涡轮叶片尺寸较大，叶身较长，型面扭曲，且是双缘板结构，精密制造十分困难。与其他加工技术相比，电解加工因工具无损耗、效率高、表面质量好以及不受材料本身力学性能限制等优势，非常适合TiAl合金低压涡轮叶片的精密制造。国外已经采用铸造制坯+精密电解加工的方式实现了TiAl合金低压涡轮叶片的制造，但该技术对我国严格封锁。目前，我国对TiAl金属间化合物低压涡轮叶片精密电解加工技术的研究尚处于空白阶段，TiAl金属间化合物电化学溶解特性的研究很不充分，缺少适用于这类大尺寸叶片的电解加工装备系统。故本文针对上述内容开展了研究，目的是为了实现TiAl金属间化合物低压涡轮叶片的高效精密制造，打破国外技术的封锁。
主要研究工作
（1）掌握了多种新型TiAl金属间化合物的电化学溶解特性与成形规律，建立了相应的电化学溶解特性模型。首先通过极化曲线、效率曲线、表面粗糙度与电流密度之间关系等分析了TiAl 45XD合金在硝酸钠和氯化钠溶液中的电化学溶解特性，研究结果表明：TiAl 45XD在这两种溶液中均具有较高的材料去除率，但在硝酸钠溶液中具有更好的表面质量。之后对比分析了挤压态和铸造TiAl 4822合金在硝酸钠溶液中的电化学溶解特性，发现铸造TiAl 4822合金粗大的片层状微观结构全部暴露出来，而具有晶粒细化结构的挤压态TiAl 4822合金显示出了更好的可加工性。最后研究了铸造TiAl 4822和TiAl 45XD合金在硝酸钠溶液中表面钝化膜的特性并开展了不同进给速度下的电解加工试验，构建了TiAl合金基体与钝化膜之间的界面结构模型，研究结果表明：这两种合金表面钝化膜的成分主要是TiO2和Al2O3，其结构主要是由疏松的外层膜和致密的内层膜组成。此外，TiAl 45XD合金基体中具有陶瓷性质的TiB2是影响其表面质量的主要因素，而铸造TiAl 4822合金基体中α和β相之间的电化学溶解速度差异是影响其表面质量的主要因素。
（2）开展了低压涡轮叶片工具电极进给路径优化与设计工作。介绍了低压涡轮叶片的特点及其双向加工方法，分析了电解加工成形规律，采用最大值最小化优化方法并结合粗、精两步优化策略，对工具电极进给路径进行了优化，大幅减少了计算数量，获得了最优的进给角度α=81°。此外，分析了在最优进给角度下加工间隙内部θ角的分布情况，采用cosθ法对工具电极型面进行了设计，并考虑到低压涡轮叶片较大的尺寸，设计了可拆卸式的工具电极结构。
（3）设计了低压涡轮叶片的流场和工装夹具。本文依据叶片自身的中弧面，提出了电解液切向式流动方式，使电解液沿着叶片自身的切向方向流入和流出，并详细阐述了该新型流场的设计原理。基于电解液流动方式，设计了大型复杂低压涡轮叶片电解加工工装夹具，建立了流场仿真模型，进行了有限元仿真分析，仿真结果表明该新型流场有效的克服了传统侧流式流场中流道突变的缺陷，大幅改善了电解液在毛坯入口端分流不均的现象。采用设计的工具电极、工装夹具以及预成型叶片毛坯等开展了电解液切向式流动方式可行性验证试验，试验结果表明加工过程十分稳定，加工的不锈钢材料低压涡轮叶片具有较高的表面质量，该新型流场可以用于工程应用中。
（4）研制了低压涡轮叶片精密电解加工机床装备系统。针对低压涡轮叶片电解加工的需求，并充分考虑机床装备系统的通用性和先进性，制定了合理的卧式双头与立式单头复合的机床总体布局结构，并采用偏心轴结构实现了阴极轴的往复振动。对进给平台、旋转安装工作台及其密封装置、机床外罩、机床门的运动形式及结构等关键部件进行了设计，解决了机床密封、大电流供电、加工区电解液排出等技术问题。搭建了电解液循环过滤系统及加工工艺参数在线监测系统，实现了电解液大流量多通道供液、精密过滤及加工参数实时监测和存储的功能。此外，在研制的电解加工系统上进行了TiAl金属间化合物小叶片的电解加工测试试验，验证了该系统可以良好运行。
（5）开展了大量的TiAl金属间化合物低压涡轮叶片电解加工工艺试验研究。首先通过多物理场耦合仿真建模与分析，揭示了加工间隙内电解产物的分布规律。紧接着进行了多种电解加工方式下的探索试验，发现低频率下的脉冲电解加工更有望实现低压涡轮叶片的高表面质量加工。在上述基础上，提出了分阶段变参数电解加工策略，通过电化学微量去除材料的方式，消除了叶片花斑状的溶解形貌以及凸起缺陷，将叶片的表面粗糙度从Ra5.9μm减小至Ra1.8μm；依据电解液多通道流动方式及流纹的方向，提出了入口多通道电解液压力差调控方法，有效的去除了试件表面的流纹缺陷，进一步将叶片的表面粗糙度降低至Ra0.9μm左右。最后开展了阴极工具型面修正工作，经过多次试验与修正，加工的大尺寸TiAl合金低压涡轮叶片的加工误差符合实际要求。
（6）进行了TiAl金属间化合物低压涡轮叶片研制工作。基于前文对材料电化学溶解特性、工具电极进给路径优化与设计、电解液切向式流动方式、工装夹具设计、电解加工机床装备系统研制、大量的电解加工工艺试验以及提出的一系列的加工策略等关键技术和内容的研究，形成了一整套高效精密电解加工TiAl金属间化合物低压涡轮叶片工艺方法。基于此工艺方法，进行了TiAl金属间化合物低压涡轮叶片的小批量制造，检测结果表明：加工的试件平均表面粗糙度稳定在Ra0.9μm左右，加工精度稳定在0.19mm左右，表面无晶间腐蚀、流纹等缺陷，满足加工要求。
主要创新点：
（1）揭示了多种新型TiAl金属间化合物的电化学溶解特性与成形规律，建立了相应的电化学溶解特性模型，为电解加工TiAl金属间化合物加工参数的选择、阴极型面设计、加工机理分析以及杂散腐蚀抑制等提供了理论指导。
（2）提出了电解液切向式流动方式，有效的克服了传统侧流式流场中流道突变的缺陷，大幅改善了电解液在毛坯入口端分流不均的现象，提高了低压涡轮叶片流场的稳定性。
（3）提出了分阶段变参数加工策略，通过电化学微量去除材料方式，消除了低压涡轮叶片“花斑状”的溶解形貌以及凸起缺陷，大幅提高了叶片的表面质量；提出了入口多通道电解液压力差调控方法，有效的去除了低压涡轮叶片表面的流纹缺陷，实现了叶片高表面质量的加工。
（4）研制了卧式双头与立式单头复合型的精密振动电解加工机床装备系统，采用偏心轴结构实现了阴极轴的往复振动功能，该机床装备系统具有良好的通用性和先进性，为新型航空发动机叶片的精密制造提供了重要支撑。
（5）在国内首次电解加工出了数件TiAl金属间化合物低压涡轮叶片工件，单个叶片的加工时间仅约17.8min，材料体积去除速率高达约10393mm3/min，表面粗糙度稳定在Ra0.9μm，加工精度稳定在0.19mm左右，满足加工要求。
