【摘 要】
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钛合金由于优异的材料性能,广泛应用于飞机关键零部件的制造。但作为典型难切割材料,钛合金高强、高韧的特点使传统加工技术面临严峻挑战。射流电解加工,是利用金属阳极在电解液射流中定域溶解的原理,借助喷嘴阴极运动制造任意复杂结构的一种新型电解加工技术,其兼具电解加工和数控加工的优点,是一项极具潜力的钛合金零部件精密加工技术。本文以TB6钛合金为研究对象,针对TB6钛合金射流电解加工机理和关键工艺进行研究。
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钛合金由于优异的材料性能,广泛应用于飞机关键零部件的制造。但作为典型难切割材料,钛合金高强、高韧的特点使传统加工技术面临严峻挑战。射流电解加工,是利用金属阳极在电解液射流中定域溶解的原理,借助喷嘴阴极运动制造任意复杂结构的一种新型电解加工技术,其兼具电解加工和数控加工的优点,是一项极具潜力的钛合金零部件精密加工技术。本文以TB6钛合金为研究对象,针对TB6钛合金射流电解加工机理和关键工艺进行研究。(1)开展了基于传统水基电解液的静态射流电解加工工艺试验。结果表明,相较于NaNO3水基电解液,NaCl水基电解液更适合TB6钛合金的射流电解加工;较大的加工电压、较小的加工间隙和较高的电解液浓度有利于提高材料蚀除速度和降低表面粗糙度,但会造成加工定域性的劣化。对电解液反射现象的仿真研究表明,反射电解液与喷嘴接触易造成电火花,严重影响加工稳定性。通过优化工艺窗口,成功加工出群坑阵列结构。(2)通过对TB6钛合金在NaCl水基电解液中阳极溶解行为的研究,获得了阳极界面结构瞬态演化规律,提出达到均匀溶解状态的定量判据,借助三维电场模型,探究了工艺参数对单次轨迹动态射流电解加工性能的影响。结果表明,较大的加工电压、较小的加工间隙和较小的喷嘴运动速度有利于增加加工深度、减小杂散腐蚀范围,但会造成较大的过切。通过优化工艺窗口,成功加工出典型二维线状结构。通过叠加轨迹动态射流电解加工试验,揭示了其由于轨迹叠加导致氧化层反复生成,从而造成加工精度急剧劣化的机理。(3)提出将NaCl乙二醇基电解液应用于TB6钛合金射流电解加工,并开展了相关工艺研究。结果表明,相较于NaCl水基电解液,该新型电解液具有相反的电流效率特性,能显著提高表面质量,有效避免氧化层形成,可优化叠加轨迹动态射流电解加工精度,成功加工出精密三维结构。提出高温电解液方案,克服了该新型电解液无法使用小直径喷嘴的缺点,成功实现了微细结构的加工。(4)建立了考虑阳极反应动力方程和材料微观组织的多物理场微尺度模型,对阳极表面过饱和层进行了仿真,揭示了电解加工的表面整平机制。结果表明,较大的电势差有利于形成过饱和层,促进表面微观凸起的整平,避免材料微观组织电化学性能不同引起的局部腐蚀,获得平整的加工表面,而电解液流速对表面整平效应的影响相对较弱。基于微尺度模型仿真结果,结合射流电解加工宏观电场分布,揭示了TB6钛合金射流电解加工表面形貌分布特征的形成机理。
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