電解加工在生物醫療、航空航天等一些領(lǐng)域具有比傳統機械加工更為顯著(zhù)的優(yōu)勢，而鈦合金由于其自身的特性也使其更適合于電解加工。

本文綜述了外加電壓條件下鈦合金點(diǎn)蝕發(fā)展的過(guò)程、機理和抑制點(diǎn)蝕的方法，闡釋了相關(guān)抑制點(diǎn)蝕方式的優(yōu)劣，展望了未來(lái)電解加工中抑制鈦合金點(diǎn)蝕方法的發(fā)展趨勢和研究方向。

鈦是已知的在地殼中含量最高的元素之一，占比約為0.6%。

鈦的密度較低，但具有和普通鋼差不多的強度，鈦及鈦合金是航空航天領(lǐng)域青睞的選材。

近些年，由于鈦合金出色的耐腐蝕能力，其應用領(lǐng)域得到了很大的延伸。

Rolls-Royce公司生產(chǎn)的鈦合金整體葉盤(pán)及其局部特征

電解加工是利用金屬在特定電解液中發(fā)生電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理將工件加工成形的一種特種加工手段，相比于普通的機械加工有很多優(yōu)勢，如加工效率高、成型精度高、適用材料范圍廣、加工工具無(wú)磨損、工件上不產(chǎn)生應力等。

電解加工的鈦合金工件不但應用在整體葉盤(pán)等精密部件的制造過(guò)程中，也在承力隔框、機翼翼盒、起落架梁和航空發(fā)動(dòng)機機匣等主要承力零件上有廣泛應用。

鈦合金在電解液中進(jìn)行電解加工的過(guò)程中，自身形成的鈍化膜會(huì )阻礙電解加工的順利進(jìn)行，而隨著(zhù)鈦裸露在電解液中，金屬也會(huì )不斷產(chǎn)生新的鈍化膜阻礙陽(yáng)極溶解。

所以，電解加工施加的電壓U加工需要能夠穩定地擊穿鈍化膜，即在金屬陽(yáng)極表面形成電化學(xué)加工的過(guò)電位。

對鈦合金來(lái)說(shuō)，電解加工的過(guò)程就是由局部的鈍化膜破裂形成點(diǎn)蝕，隨后點(diǎn)蝕坑疊加直到露出基體，基體金屬不斷溶解并在表面交替性形成點(diǎn)蝕和鈍化的過(guò)程。

鈦合金點(diǎn)蝕不但關(guān)系著(zhù)電解加工過(guò)程的順利進(jìn)行，也影響制造出零件的表面質(zhì)量，是電解加工鈦及鈦合金過(guò)程中的關(guān)鍵。

電解加工簡(jiǎn)介及鈦合金

電解加工中的陽(yáng)極行為

電解加工（ECM）是一種基于陽(yáng)極溶解的旨在加工出特定形狀、尺寸和表面狀態(tài)的加工方法。

電解加工基本原理

電解加工的主要組成有加工電源、電解質(zhì)溶液及相應的液體管路和連接電源正負極的金屬工件、工具陰極以及配備的導線(xiàn)。

整個(gè)系統可以形成一個(gè)完整的閉合回路，使得金屬陽(yáng)極表面可以產(chǎn)生足以分解基體或鈍化膜的電壓。

電解加工開(kāi)始后，工具陰極以一定的速度相對于工件做進(jìn)給運動(dòng)，保持陽(yáng)極和陰極的間隙在極小的距離，同時(shí)在工件和電極之間通電解質(zhì)溶液，使得陽(yáng)極金屬材料在電源電場(chǎng)的作用下快速溶解。

陽(yáng)極工件表面最終可以形成與工具陰極相似的輪廓，從而達到加工的目的，而電解產(chǎn)物則隨著(zhù)電解液的流動(dòng)排出。

大多數情況下，電解加工所用的溶液都是中性的無(wú)機鹽水溶液。電解加工的許多特性由工件、操作方式和相關(guān)技術(shù)決定。

在電解加工過(guò)程中，鈦合金自身帶有強烈的自鈍化性，可以抑制電解加工時(shí)的高溶解速率。

鈦本身是一種非?；顫姷慕饘?，在空氣中，鈦會(huì )和空氣中的氧發(fā)生反應，在原位生成一層氧化膜，阻抗金屬的進(jìn)一步腐蝕。

金屬鈦在水溶液中的陽(yáng)極化過(guò)程中，也會(huì )形成相應的氧化膜，且氧化膜的厚度會(huì )隨著(zhù)陽(yáng)極電位Ea的不同在較大范圍內變動(dòng)。

鈦合金/電解質(zhì)界面模型示意

在電解加工過(guò)程中，鈦合金、工具陰極和電解質(zhì)組成了一個(gè)電化學(xué)系統，形成了鈦合金/電解質(zhì)界面和工具陰極/電解質(zhì)界面。

在外加電壓的條件下，電解質(zhì)中的陰離子向鈦合金材料的方向移動(dòng)，而溶解的鈦則變?yōu)門(mén)i2+溶入電解質(zhì)溶液中，和水解作用產(chǎn)生的OH-反應生成氧化物鈍化層。

在陽(yáng)極和電解質(zhì)表面反應生成的TiO2+呈酸性，會(huì )與水中的OH-反應生成穩定的TiO2。

在陽(yáng)極溶解的過(guò)程中，外加電場(chǎng)在Ti2+和OH-的幫助下可以大大加速氧化膜的形成速率。

為了達到電解加工所需要的陽(yáng)極高速溶解的速率，外加電壓需要克服鈦合金鈍化層的阻礙。

為了有效去除鈍化層，通常電解液中都含有一些特定離子，大多是Cl-和Br-，這些鹵素離子在整個(gè)反應過(guò)程中起到類(lèi)似催化劑的作用。

鈦合金在鹵素離子溶液中的反應模型

電解加工鈦合金的點(diǎn)蝕原理

金屬點(diǎn)蝕的原理及發(fā)展階段

鈍化膜破裂

鈍化膜破裂是點(diǎn)蝕最開(kāi)始的步驟，它本身極少發(fā)生，即使發(fā)生又在極短的時(shí)間發(fā)生在極小的范圍內，很難被觀(guān)測到。

通常將這層鈍化膜簡(jiǎn)化為一層保護金屬基體不受外界環(huán)境侵蝕的膜層，然而實(shí)際情況下，金屬鈍化膜由于不同的成分、環(huán)境、電壓等因素會(huì )有不同的厚度、結構、成分和相應的保護能力。

鈍化膜的破裂機理目前主要有3種理論：滲透理論，主要是指富有侵蝕性的陰離子穿過(guò)鈍化膜到達金屬/金屬氧化物的界面，隨后溶解過(guò)程開(kāi)始；吸附理論，基于Cl-和O2-的競爭吸附理論發(fā)展而來(lái)；破損理論，假設鈍化膜是一個(gè)持續的鈍化膜破損和修復的過(guò)程、鈍化膜的局部破損經(jīng)常發(fā)生，為點(diǎn)蝕的萌生提供了必要條件。

亞穩態(tài)點(diǎn)蝕

亞穩態(tài)點(diǎn)蝕是在再鈍化前，點(diǎn)蝕萌生和在極短時(shí)間內生長(cháng)的點(diǎn)蝕，一般在微米級別，時(shí)間可能在幾秒甚至更短。

亞穩態(tài)點(diǎn)蝕能否繼續長(cháng)大，受溫度、外加電場(chǎng)等諸多因素的共同影響。

點(diǎn)蝕的長(cháng)大

點(diǎn)蝕的長(cháng)大受到的影響因素主要有材料成分、點(diǎn)蝕電解質(zhì)濃度和點(diǎn)蝕電位。

點(diǎn)蝕的傳質(zhì)特性會(huì )顯著(zhù)地影響點(diǎn)蝕長(cháng)大動(dòng)力學(xué)，而點(diǎn)蝕的穩定性由電解質(zhì)成分、點(diǎn)蝕電壓等因素共同決定，要維持在一個(gè)不能讓再鈍化出現的大小。

電解加工鈦合金的點(diǎn)蝕原理

在鈦合金的電解加工過(guò)程中，電解液中的鹵素離子對鈍化膜的破裂起著(zhù)重要作用，鹵素離子對于鈍化膜破裂的嚴重程度一般有以下排序F-

以Br-為例，鈍化膜的破損一般發(fā)生在氧離子濃度更高的位置，這僅僅和Br-的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

圖片

在1 mol/L KBr和0.05 mol/L H2SO4溶液中，隨著(zhù)電壓增加鈦合金表面發(fā)生變化示意

在1.2 V的電位下，其電位比Br/Br2這對的氧化還原電位更低的情況下，鈍化膜總體保持穩定，只有少量缺陷存在；電壓升到比1.2 V高的時(shí)候，在某些微觀(guān)的點(diǎn)位，Br-就會(huì )被氧化成溴氣；當電壓在2~3 V時(shí)，可能由于氧化膜變厚導致電導率下降，氧化過(guò)程才會(huì )停止；電壓大于3 V時(shí)，Br-才會(huì )緊密地與表面化學(xué)結合，鈍化膜開(kāi)始溶解，點(diǎn)蝕開(kāi)始生長(cháng)。

電解加工中

抑制鈦合金點(diǎn)蝕的方法

在鈦合金電解加工過(guò)程中，想要抑制其點(diǎn)蝕的發(fā)生，得到一個(gè)較為平整的加工表面，往往需要綜合運用2種或多種方法，根據所加工的鈦合金的不同，同時(shí)調節電解液溫度、加工電流密度、電解液流速、加工間隙等相關(guān)電解加工的參數。

機械隔離

物理隔離或機械隔離的方式即為在非加工面上加上工裝，使得電流無(wú)法通過(guò)非加工表面進(jìn)行傳導，從而隔開(kāi)雜散電流的作用。

此方法可以比較有效地防止雜散點(diǎn)蝕的產(chǎn)生，但會(huì )給夾具等工裝的設計制造帶來(lái)困難。

同時(shí)需要制造不同的工裝，因此不適合大批量的處理工件。

陽(yáng)極保護

在零件保護部位輔助以鐵、銅、鋁等金屬材料作為犧牲保護層，可有效降低甚至消除非加工或已加工部位點(diǎn)蝕現象。

缺點(diǎn)是需要額外增加對于待加工工件的預處理，對于鍍層的要求也相對較高，高速電解液中不允許出現脫落等嚴重情況。

非水溶液電解加工

用非水溶液的電解液加工鈦合金能夠獲得比較光亮的加工表面，并解決點(diǎn)蝕及雜散電流腐蝕問(wèn)題，但使用一定時(shí)間后會(huì )出現“老化”現象，且電解液的維護比水溶液的維護更為困難。

另外，非水溶液的成本較高，不適用于大規模的工業(yè)生產(chǎn)。

混氣電解加工

混氣電解加工是將有一定壓力的氣體與電解液按一定比例混合，使電解液中含有大量氣體，成為氣、液兩相混合物，然后輸入加工區進(jìn)行電解加工。

混氣加工的應用可以顯著(zhù)提高電解液在電極間隙內分布的均勻性，使得電解液的流動(dòng)條件得到極大改善，改善電解加工中鈦合金的點(diǎn)蝕。

但電解加工也存在陰極制造、加工參數匹配篩選、氣液混合裝置的設計等問(wèn)題，需要綜合考慮此方法的作用。

結論

在電解加工鈦合金的過(guò)程中，主要難點(diǎn)在于克服鈦合金表面易鈍化的特性以達到電解加工所需要的高速陽(yáng)極溶解，而通過(guò)加入對鈍化層具有激活作用的離子可以比較有效地克服這個(gè)困難，降低鈍化層的激活電壓。

然而激活離子的加入也會(huì )引起鈦合金非加工面的點(diǎn)蝕，同時(shí)降低加工面和非加工面的表面質(zhì)量。

研究人員已經(jīng)通過(guò)陽(yáng)極遮擋法、混合電解液法、混氣加工法等方法試圖減少非加工面的點(diǎn)蝕對表面質(zhì)量帶來(lái)的影響，取得了不錯的效果。

今后的研究重點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方向：先進(jìn)加工工藝研究，包括研究含有不同離子的電解液、研究非水溶液的電解液、探索更適合的工作電流施加大小和方式等；工裝研究，包括陰極夾持裝置、非加工面的裝置及遮擋方式、陰極加工方法及裝置等；在不同加工溶液及條件下，鈦及鈦合金鈍化膜在電場(chǎng)作用下的穩定狀態(tài)和穩定去除機制的研究。