工作中的航空发动机叶片不仅要承受高温，还受到高转速下高压腐蚀性燃气的冲击，极易形成缺陷，必须及时修复以保障其运行安全^[1]。受损叶片经堆焊填补缺陷后，具有粗糙的堆焊层形貌特征^[2]，需修型以恢复其原始尺寸，因此叶片修复工艺链主要包括堆焊与修型两大步骤^[3]，如图 1所示。前人对堆焊技术进行了大量研究^[4-6]，而关于后期修型技术的研究，集中于对目前采用的机械磨削设备与工艺改进。采用机械磨削对叶片修型，存在刀具损耗大、易造成表面烧伤、残余应力过大、生产效率低等问题^[7]。随着航空维修业对效率、成本的追求，磨削修型已难以满足叶片修复的需求^[3]。

电解加工作为非接触加工技术，不存在机械加工中的切削力和切削热、电火花加工中的热影响，具有加工效率高等优点^[8-11]。电解加工已被用于叶片制造，具有极高效率与可用精度^{[3, 12]}。电解加工用于叶片修复中的修型，具有提高修复效率的潜力。

与叶片制造不同，叶片修复仅在缺陷区进行，修复后的叶片不仅要求消除缺陷，而且非加工面需保持原始精度。钛合金是常见的叶片材料，其电解工艺规律特殊，加工中易出现定域性差、杂散腐蚀严重等问题^[12]。传统的直接修型工艺中，非加工面暴露在电解液中，受杂散电流作用^[13]，易形成杂散腐蚀，影响非加工面质量，劣化修复精度。

为提高精度，前人研究了非线性特性电解液、辅助阳极、高频低脉宽电源等工艺^[10]。虽然上述工艺能够减弱分散电流影响，但是无法完全消除杂散腐蚀，难以满足叶片修复的精度要求。绝缘层工艺通过隔离非加工面与电解液，可完全防止杂散腐蚀。但是绝缘层的隔离作用，将造成修型区与绝缘区电流密度的差异较大，进而导致修型区与绝缘区的加工量差异较大，在交界处产生“台阶”状缺陷。

可见，必须综合考虑杂散电流隔离与交界处电流密度分布特征，发挥两种工艺的优势。因此，本研究提出牺牲层工艺。如图 2所示，钛合金薄层作为牺牲层，安装于非加工面上。牺牲层具有保护层与阳极的双重作用，既作为保护层，隔离杂散电流，防止杂腐；又作为阳极，与堆焊层同时被蚀除，防止“台阶”缺陷。在本研究中，基于电场的数值计算，分析了牺牲层工艺的可行性，并通过实验验证了牺牲层工艺的加工精度、表面粗糙度与可靠性。

1 电场有限元分析

为分析牺牲层工艺的可行性，对叶尖表面电流密度分布进行数值计算，2D模型结构如图 3所示。在模型中按照表 1的规律定义Γ1~Γ9边界，可以实现直接修型、绝缘层与牺牲层3种工艺的数值计算。

其中，Γ表示几何模型边界，Ω表示加工间隙电解液区域。

数值计算中，采用如下数学模型^[14]，

(1)

阳极边界：

(2)

阴极边界：

(3)

钛合金电解工艺规律特殊，仅当电流密度达到阈值，材料才能均匀蚀除，形成平整表面。上述特征与钛合金极化过程密切相关，但是描述极化的Bulter-Volmer方程中的i₀等参数在当前的研究中难以获得^[16]。为拟合钛合金电解特征，本研究引入阶跃函数k_eff。从物理量角度，可认为k_eff为钛合金在电解加工实验中的近似电流效率。

(4)

(5)

式(1)~(5)中，φ为电场各点电位，v_n为阳极表面法向电解速率，M为质量分数，ρ为钛合金密度，n为参与反应电子数，F为法拉第常数，i_loc为阳极表面法向电流密度，n为阳极表面法向量，η为电流效率，κ为电解液电导率。

通过式(1)~(5)，利用COMSOL软件求解，即可获得3种工艺的计算结果，为了便于分析，计算结果表示为加工间隙电流线分布与阳极表面电流密度分布曲线。

如图 4(a)所示，直接修型定域性差，作用于非加工面的分散电流造成杂散腐蚀，难以通过间接工艺彻底消除。阳极表面电流密度如图 4(b)所示，可见杂散电流密度小于阈值(20A/cm²)，无法均匀去除钛合金，而使得材料中耐蚀差的α相先蚀除^[3]，形成聚集的腐蚀坑，劣化表面质量。

如图 5所示，绝缘层工艺中，通过绝缘层隔离，分散电流无法作用于非加工面，有效避免杂散腐蚀。但是，非加工区与修型区的交界处出现“台阶”缺陷。电解加工作为电化学加工技术，电流密度与加工速度成正比。绝缘层工艺中，非加工面电流密度为0，修型面电流密度急剧上升至70A/cm²，导致非加工面与修型面的加工量差异较大，造成最终的“台阶”状形貌；直接修型工艺中，交界处电流密度平缓增加，形成平缓叶尖外形。

通过上述分析可见，理想电流密度分布应由图 4中A段与图 5中B段组成。数值计算结果显示，如图 6所示，牺牲层工艺的电流密度分布正符合此特征。牺牲层与叶片同为钛合金，将其视为整体，即与直接修型工艺相同，形成坡度平缓叶尖形貌；同时，牺牲层亦能隔离杂散电流，完全防止杂散腐蚀。故牺牲层工艺理论上能显著提高叶尖修型的精度。

2 实验验证

为验证前文的分析与计算，证明牺牲层工艺的可行性。建立实验系统，对3种工艺进行了对比性实验。

2.1 实验系统

实验中采用自制三轴联动卧式电解加工系统，见图 7。该系统配有40kHz的脉冲电源，输出电压为0~24V，最大输出电流为2000A，具有短路保护控制功能。电源系统、电解液系统与机床系统集成控制，可实现电压、电流、电解液压力等参数的自动控制及信号采集。

根据叶尖电解修型的需求，设计阴极系统，如图 8所示。其中，工具形状按照cosθ法设计^[16]；为得到均匀的流场分布，设计了侧向供液阴极流道。叶片模型采用板边微弧堆焊后的TC4钛合金薄板(50mm×30mm×2mm)，如图 1所示。

2.2 实验方法

根据TC4钛合金的电解加工特性，实验中采用前期研究中获得的优化工艺条件，如表 2所示。

为精确评价不同工艺的修型效果，利用DVM5000 HD三维显微镜观察叶尖表面局部形貌，并摄取牺牲层工艺修型后的叶尖二维轮廓。此外，为保证牺牲层工艺的可靠性，连续对6组叶尖试样的两侧分别进行修型，采用SZX12型显微镜观察微观形貌。同时，通过Form Talysurf粗糙度仪测量修型面与非加工面粗糙度。

3 结果与讨论 3.1 3种工艺修型效果

3种工艺修型效果如图 9所示，直接修型中非加工面出现了杂散腐蚀现象；对于绝缘层工艺，交界处形成“台阶”缺陷，影响流场分布，形成流纹。与上述传统工艺相比，牺牲层工艺防止了缺陷产生，得到精度较高的修型效果。

3.2 采用牺牲层工艺修型的叶片形貌

如图 10所示，摄取XOZ，YOZ截面的二维轮廓。可见，XOZ截面轮廓与仿真结果相同，无“台阶”、杂散腐蚀缺陷；YOZ截面轮廓较平直，可见牺牲层设计合理，电解修型过程稳定。

为验证牺牲层工艺的可靠性，连续对6组叶尖试样的两侧分别进行修型，加工过程稳定，每组修型时间为60s，加工出的试样如图 11(a)所示。叶尖截面如图 11(b)所示，6组实验结果相对误差较小，可见牺牲层工艺具有较好的重复精度与可靠性，为叶尖进一步的精加工创造了条件。

为精确评价牺牲层工艺修型后的表面精度，如12所示，对A非加工面、B交界处与C修型面三个典型区域截面的微观形貌观察，可见典型截面表层无影响层，非加工面仍保持原有精度，交界处过渡平缓，满足叶片形状要求。如图 13所示，非加工面与修型面的表面微观形貌较平整、无明显腐蚀缺陷，且形成耐腐蚀的氧化薄层，具有较好的表面质量。

牺牲层工艺修型后的粗糙度如图 14所示，其中修型面粗糙度为R_a=0.488μm，非加工面粗糙度R_a=0.283μm，表面质量具有较高精度，满足设计要求^[3]。

4 结论

(1)基于堆焊叶尖的电解修型，通过直接修型、辅助绝缘层和辅助牺牲层3种非加工面保护工艺实验结果对比，结合数值计算结果，验证了采用辅助牺牲层工艺，具有优化加工精度的作用。

(2)通过数值分析与实验结果对比，验证了引入k_eff以拟合钛合金的电解加工特性，有较好的准确性。

(3)数值计算表明：直接修型工艺形成杂散腐蚀的原因是电流的分散；绝缘层工艺形成“台阶”缺陷的原因是交界处电流密度的突变；牺牲层工艺既隔绝杂散电流又形成平缓电流密度过渡，能得到良好的修型效果。

(4)实验结果表明：采用牺牲层工艺对堆焊叶尖电解修型，单组叶片的修型时间60s，提高效率的同时具有良好的可靠性；此外，修型后的叶尖形状精度较高，表面粗糙度R_a≤0.6μm，满足叶尖修型的要求。