基于界面分形特征的TiAl合金电解加工表面质量控制模型研究

Light-weight and high-temperature TiAl alloys have been applied in aero-engine low-pressure turbine blades. However, the high cost of machining tools is a primary factor restraining their wide application. Electrochemical machining is a high-efficiency machining technology without tool loss and can be used to the machining of TiAl alloys. Currently, the machining accuracy and surface quality of TiAl alloys can not meet the high quality requirement of the aero-engine blades. This project is to investigate temporal distribution disciplines of state variables of the workpiece / solution interface in the process of TiAl alloy pulse electrochemical machining, nonlinear dynamics methods, such as phase space reconstruction and fractal theory, will be used. Firstly, the dissolution kinetics model will be established to reveal the surface formation evolution law. Secondly, the mapping relationship among macro process parameters, state variables of the workpiece / solution interface and microstructures morphological on the workpiece surface will be built to put forward a surface quality forecast model. Finally, the structure and property of the workpiece / solution interface will be adjusted by bifurcation theory and fluctuation theory, a surface quality control model will also be proposed. This project can present a strong theoretical foundation for the high-efficiency, high-precision and stable electrochemical machining of TiAl alloy aero-engine blades.

轻质高温TiAl合金已应用于制作航空发动机低压涡轮叶片，由于其机械加工刀具成本太高成为制约它应用的首要因素，而电解加工作为一种无刀具损耗的高效加工方法，可用于TiAl合金加工，目前TiAl合金电解加工表面质量还不能满足发动机叶片高品质要求。本项目采用相空间重构、分形理论等非线性动力学方法研究脉冲电解加工过程工件/溶液界面状态变量的时间分布规律，建立工件溶解动力学模型，揭示工件表面成形演变规律；确立宏观工艺参数、工件/溶液界面状态变量和工件表面微观形貌三者之间的映射关系，提出表面质量预测模型；利用分岔原理和涨落理论调控工件/溶液界面结构和性质，提出电解加工表面质量控制模型，为TiAl合金航空发动机叶片高效、高精度稳定电解加工提供强有力的理论支撑。

脉冲电解加工作为一种不受材料强度、硬度等性能影响的高效高精密加工方法，现已成功应用于TiAl合金和高温合金等难加工材料的大余量去除加工，然而加工精度和质量有待进一步改善。基于传统电解加工质量改善的途径源于线性研究、宏观方法所获得的结论，本项目着眼于电极的微观界面行为，采用非线性动力学研究方法，研究电解加工工艺优化与质量控制。.本项目利用电化学方法、表面形貌分析和腐蚀产物分析等方法解析TiAl合金的腐蚀特性，确定了铸态Ti-48Al-2Cr-2Nb为后续电解加工对象，电解质溶液浓度11% NaNO3；采用了盒维数、多重分形和缺项等方法量化表征TiAl合金电极表面微观分形形貌，并构建了电极界面参数与表面微观分形结构特征参量之间的量化关系，发现高放大倍数的多重分形特征参数B和W分别与电极界面结构参数有很好的函数关系；用阻抗法检测TiAl合金电极界面结构动态变化过程，用数字显微镜跟踪表面分形结构的动态演化，协同分析电流时间序列多重分形特征参量，结果说明电极界面参数和多重分形特征参数都能追踪电极表面腐蚀溶解过程的动态变化，前期以局部腐蚀为主，后期发生稳定的均匀腐蚀；以加工表面分形结构特征参量为优化目标，采用正交试验法优化电解加工工艺参量，实验结果说明以占空比80%，加工电压27V，进给速度0.8mm/min，电解液压力0.4Mpa工艺参数获得结构表面均匀性较好的加工表面。.本项目通过重点研究电极的微观界面行为和微观分形结构的量化关系，跟踪界面行为和微观分形结构的动态演化过程，为探索电解加工材料去除规律提供了全新的思路；基于加工表面分形结构的表面质量评价为优化电解加工工艺、实现电解加工质量的有效控制提供了新方法，可以应用到未来TiAl合金叶片和叶盘的电解加工，改善加工质量，提高电解加工的质量可控性。.