LY12鋁合金表面電火花強(qiáng)化層組織與性能研究

郭 鋒,李 平,蘇勛家,侯根良,谷建榮

(1第二炮兵工程學(xué)院,西安710025;2中國(guó)人民解放軍96633部隊(duì),北京100096)

LY12鋁合金表面電火花強(qiáng)化層組織與性能研究

郭 鋒1,李 平1,蘇勛家1,侯根良1,谷建榮2

(1第二炮兵工程學(xué)院,西安710025;2中國(guó)人民解放軍96633部隊(duì),北京100096)

采用自制電火花強(qiáng)化機(jī),以 TC4合金作為電極,在空氣介質(zhì)中對(duì)L Y12鋁合金進(jìn)行了表面強(qiáng)化。分別用掃描電鏡、電子能譜分析儀與X射線衍射儀對(duì)強(qiáng)化層的組織、成分與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與研究;用顯微硬度計(jì)與磨損試驗(yàn)機(jī)等實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)強(qiáng)化層的顯微硬度與耐磨性進(jìn)行了測(cè)量與分析。結(jié)果表明:強(qiáng)化層連續(xù)、致密,與基體之間呈冶金結(jié)合;主要由鈦-鋁金屬間化合物和鈦或鋁的氮、氧化物相組成,顯微硬度可達(dá) HV596;在干摩擦磨損實(shí)驗(yàn)條件下,強(qiáng)化后試樣磨損體積僅為未強(qiáng)化試樣的1/7。鋁合金表面性能得到顯著改善。

鋁合金;TC4合金;電火花;表面強(qiáng)化

Abstract:The L Y12 alloy surface was strengthened by electrospark system in air medium,with Ti6Al4V titanium alloy as electrode.The microstructure,element distribution and phase construction of strengthened coating were analyzed by scanning electron microscopic,energy-dispersive spectrum and X-ray diffractometer respectively.Furthermore,the microhardness distribution and wear resistance of strengthened coating contrast to L Y12 substrate were studied by microhardness tester and abrasion tester respectively.The results show that excellent metallurgical bonding between the coating and the substrate is obtained.The coating is mainly composed of Ti-Al intermetallic compounds and Ti/Al oxides and nitrides,the microhardness can reach HV596.Compared with the L Y12 alloy substrate,the wearing volume loss of strengthened samples is just one seventh.The surface performance of L Y12 alloys is dramatically improved.

Key words:aluminum alloy;TC4 titanium alloy;electrospark;surface strengthening

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能良好、塑性好、無低溫脆性以及較好的耐腐蝕性等優(yōu)異性能,是一種具有良好綜合性能的結(jié)構(gòu)材料,在航空航天、軍工兵器、石油化工、電子電器等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是,鋁合金也存在著表面硬度低、耐磨性差等明顯缺點(diǎn),這在很大程度上限制了其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大[1]。因此,對(duì)鋁合金進(jìn)行表面改性,一直是國(guó)內(nèi)外研究者共同關(guān)注的焦點(diǎn)課題[2-7]。

電火花表面強(qiáng)化技術(shù)是利用電極材料和被強(qiáng)化基體材料間的高能局部脈沖放電,使電極材料快速熔融到工件表面,并通過電極材料和被強(qiáng)化基體材料在局部高溫下的物理化學(xué)冶金過程,使工件表面重新合金化,形成表面強(qiáng)化層。該技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、使用靈活、環(huán)保節(jié)能等顯著優(yōu)點(diǎn)。通過選擇合適的電極材料與工藝參數(shù),可以獲得具有優(yōu)異綜合性能的強(qiáng)化層。因此,該技術(shù)在多種金屬材料的表面強(qiáng)化方面得到了成功應(yīng)用[8-10]。

本工作以L Y12鋁合金為基體,以 TC4鈦合金作為電極,利用電火花表面強(qiáng)化技術(shù),在空氣中對(duì)L Y12鋁合金進(jìn)行了表面強(qiáng)化,并對(duì)所得強(qiáng)化層的組織、結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了研究與分析。選擇 TC4鈦合金作為電極的原因是期望它在強(qiáng)化過程中與基體和空氣中的氮和氧發(fā)生反應(yīng),生成鈦-鋁金屬間化合物和鈦的氮化物與氧化物。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用基體材料為L(zhǎng) Y12鋁合金,基本熱處理狀態(tài)為淬火+自然時(shí)效處理。電極材料采用 TC4鈦合金,尺寸為φ2mm×30mm的短圓柱。

強(qiáng)化設(shè)備采用本實(shí)驗(yàn)室自制的電火花表面強(qiáng)化器。強(qiáng)化工藝參數(shù)為電容300μF、電壓98V。強(qiáng)化前,使用金相砂紙打磨待強(qiáng)化試樣表面,去除表面的氧化膜,然后用丙酮清洗。強(qiáng)化時(shí),手持電極在試樣表面勻速移動(dòng),移動(dòng)線速度為100mm/min。

對(duì)尺寸為φ10mm×5mm的鋁合金圓片進(jìn)行電火花表面改性后,使用VEGA Ⅱ掃描電子顯微鏡觀察強(qiáng)化層的顯微組織;使用Energy 350電子能譜儀對(duì)強(qiáng)化層進(jìn)行元素線掃描;使用D/max 2400X射線衍射儀分析強(qiáng)化層的物相組成;采用Ominent 88-7000型全自動(dòng)顯微硬度計(jì),測(cè)量從強(qiáng)化層到基體的顯微硬度,測(cè)量規(guī)范:載荷0.25N,加載時(shí)間10s。

磨損實(shí)驗(yàn)采用環(huán)-塊磨損方式,上下對(duì)磨,上方試樣為鋁合金,尺寸為15mm×15mm×22mm。對(duì)其15mm×22mm的一個(gè)側(cè)面進(jìn)行電火花表面強(qiáng)化后,在丙酮中進(jìn)行10min的超聲波清洗,干燥后即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。下方試樣為 T10鋼材質(zhì)的圓環(huán),經(jīng)表面淬火及低溫回火處理,硬度為 HRC58～62,尺寸為 φ30mm× φ16mm×10mm。實(shí)驗(yàn)條件:載荷 30N,圓環(huán)轉(zhuǎn)速200r/min。強(qiáng)化層的磨損量采用體積磨損量來評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 強(qiáng)化層的顯微組織

圖1為 TC4電極在空氣中對(duì)L Y12鋁合金進(jìn)行表面強(qiáng)化后得到的強(qiáng)化層的橫截面照片?？梢钥闯?強(qiáng)化層與基體之間呈現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合,無明顯的分界線;強(qiáng)化層厚度約30μm;強(qiáng)化層連續(xù)、致密,僅含有少量顯微裂紋和氣孔等缺陷。氣孔存在的原因是由于在電火花表面強(qiáng)化過程中,電極和基體材料的熔化與凝固都是在極短的時(shí)間內(nèi)完成,強(qiáng)化過程中混入或反應(yīng)生成的一些氣體來不及析出,殘留在強(qiáng)化層中便形成了氣孔。微裂紋的產(chǎn)生則是由于火花放電過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力不斷累積,其值超過強(qiáng)化層的材料強(qiáng)度極限時(shí),就產(chǎn)生了微裂紋[11]。因此,微裂紋的產(chǎn)生一方面與脈沖能量、放電次數(shù)有關(guān),另一方面與強(qiáng)化層的材料強(qiáng)度極限也有很大關(guān)系。

文獻(xiàn)指出[12,13]:電火花強(qiáng)化層一般由三部分組成,其中最外層耐腐蝕性能最好,經(jīng)腐蝕液腐蝕后,在金相顯微鏡下呈現(xiàn)白亮色,因此稱為白亮層;再往里是過渡層;臨近基體的部分被稱為熱影響區(qū)。其中過渡層與熱影響區(qū)的厚度受到強(qiáng)化參數(shù)、基體性質(zhì)等多種因素的影響,有些情況下可能不明顯。但仔細(xì)觀察SEM照片可以發(fā)現(xiàn),鋁合金經(jīng)電火花表面強(qiáng)化后,有明顯的熱影響區(qū)存在。這可能與鋁合金本身的熱傳導(dǎo)性較好,火花放電的能量向基體傳遞較多有關(guān)。而過渡層的存在將在2.2節(jié)的強(qiáng)化層元素線掃描結(jié)果中得到驗(yàn)證。

圖1 強(qiáng)化層的橫截面SEM形貌Fig.1 Cross-section morphology of strengthened coating

2.2 強(qiáng)化層的元素分布

圖2是對(duì)強(qiáng)化層進(jìn)行線掃描后得到的部分元素的分布曲線。由圖2可見,強(qiáng)化層中不僅含有基體主要元素Al和Mg,而且含有電極主要元素 Ti,V等,證明電極材料實(shí)現(xiàn)了向基體的轉(zhuǎn)移。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn),隨著距表面距離的增大,主要元素大致成階梯分布:距表面達(dá)到一定距離后,電極材料主要元素含量逐漸下降,而基體材料主要元素含量則不斷上升。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),強(qiáng)化層中元素Al的含量最高。這一方面是因?yàn)椴粌H基體中含有大量的鋁,TC4電極中也含有少量的鋁元素;另一方面,由于鋁合金的熔點(diǎn)較低且具有良好的導(dǎo)熱性,相同脈沖能量下,在基體形成了較深的熔坑,放電能量大部分被基體吸收,降低了熔化電極材料的能量,進(jìn)而減弱了它向基體內(nèi)部擴(kuò)散的能力。

圖2 強(qiáng)化層深度方向的元素分布曲線Fig.2 Element distribution of strengthened coating along the depth direction

從圖2還可看出,根據(jù)基體主要元素Al和電極主要元素Ti的分布情況,可以把橫坐標(biāo)軸分為三個(gè)區(qū)間:第一區(qū)間(0～8μm),對(duì)應(yīng)電火花強(qiáng)化層的白亮層,在此區(qū)間內(nèi),Ti元素含量較高,且比較平穩(wěn),Al元素含量也比較平穩(wěn);第二區(qū)間(8～20μm),對(duì)應(yīng)強(qiáng)化層的過渡層部分,在此區(qū)間內(nèi),Ti元素含量逐漸降低到正常基體含量,而Al元素含量則逐漸上升到正?；w含量;第三區(qū)間(＞20μm),對(duì)應(yīng)熱影響區(qū)和基體,Al和 Ti的含量與基體大致相同。

2.3 強(qiáng)化層的相組成

圖3是強(qiáng)化層的X射線衍射圖譜。可以看出,Al相的衍射峰值最強(qiáng),這可能是由于強(qiáng)化層的厚度較薄(僅有幾十個(gè)微米),基體中富含的Al相的衍射結(jié)果反映在XRD圖譜中,進(jìn)而影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。除Al相外,強(qiáng)化層主要由 TiAl3,Ti3Al5,TiAl等金屬間化合物與 TiN,TiO2,Al2O3等氮、氧化物相組成。

圖3 強(qiáng)化層的X射線衍射圖譜Fig.3 XRD pattern of strengthened coating

在電火花產(chǎn)生的瞬時(shí)巨大能量的激勵(lì)下,基體表面形成了微熔坑。在微熔坑內(nèi),熔融態(tài)的電極材料和基體材料發(fā)生了劇烈的合金化反應(yīng),生成了 TiAl3, Ti3Al5與 TiAl等金屬間化合物。同時(shí),在火花放電產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境下,本身活性較高的鈦與空氣介質(zhì)中的氮、氧元素發(fā)生反應(yīng),生成了鈦的氮化物和氧化物。在瞬時(shí)能量的激勵(lì)下,鋁元素也與氧元素發(fā)生反應(yīng)生成了氧化鋁?；瘜W(xué)反應(yīng)方程如下:

由X射線衍射分析結(jié)果可知,電火花表面強(qiáng)化并非簡(jiǎn)單的涂覆過程,而是十分復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。因此,在選擇電極與工藝參數(shù)時(shí),應(yīng)特別注意電火花表面強(qiáng)化技術(shù)的這一顯著特點(diǎn)。

2.4 強(qiáng)化層的顯微硬度

圖4是電火花強(qiáng)化層的顯微硬度分布曲線?？梢钥闯?近強(qiáng)化層表面的顯微硬度可達(dá) HV596,是未強(qiáng)化基體的4倍以上,鋁合金表面硬度得到顯著提高。組成強(qiáng)化層的 TiAl3,Ti3Al5,TiAl以及 TiN,TiO2, Al2O3等物相均具有較高的硬度,特別是與空氣反應(yīng)生成的氮化物與氧化物。上述物相的生成使鋁合金強(qiáng)化層的硬度得到明顯提高。繼續(xù)觀察圖4可以發(fā)現(xiàn),隨著距強(qiáng)化層表面距離的增大,強(qiáng)化層的顯微硬度逐漸降低。距表面距離大于20μm(對(duì)應(yīng)過渡層與熱影響區(qū)分界線)以后,顯微硬度基本維持在 HV140左右,與鋁合金基體的硬度基本一致。

圖4 強(qiáng)化層深度方向的顯微硬度分布曲線Fig.4 Microhardness distribution of strengthened coating along the depth direction

2.5 強(qiáng)化層的耐磨性分析

滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:經(jīng) TC4電極表面強(qiáng)化后,L Y12鋁合金的耐磨損特性得到顯著改善,其磨損體積僅為未強(qiáng)化基體的1/7。文獻(xiàn)指出[14,15]:以體積計(jì)量的磨損量正比于所加載荷和摩擦面相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離,而反比于金屬材料表面的硬度。由上述分析可知,電火花合金化生成的金屬間化合物以及氮、氧化物均具有較高的硬度。顯然,它們?yōu)閺?qiáng)化層耐磨性的改善創(chuàng)造了有利條件。此外,電火花強(qiáng)化層表面起伏不平的特殊形貌在磨損過程有儲(chǔ)存磨粒的作用,一定程度上緩和了磨損過程,同樣有利于強(qiáng)化層耐磨性的提高。

圖5是試樣的磨損形貌SEM照片。對(duì)比圖5(a)與圖5(c)發(fā)現(xiàn),與未強(qiáng)化試樣相比,經(jīng) TC4電極強(qiáng)化后的強(qiáng)化層磨損表面相對(duì)平整許多,沒有較深的溝槽和顯著的塑性變形,磨損狀況明顯改善。繼續(xù)對(duì)比圖5(b)與圖5(d)發(fā)現(xiàn),未強(qiáng)化試樣表面除明顯的溝槽以外,還存在著明顯的舌狀塑性流變和大量的磨粒;而強(qiáng)化層磨損表面僅能看到少量疲勞剝落坑。因此,可以認(rèn)為,強(qiáng)化層的磨損類型主要為疲勞磨損和磨粒磨損。

圖5 試樣磨損表面形貌SEM照片 (a),(b)L Y12基體;(c),(d)TC4強(qiáng)化后Fig.5 Surface SEM morphology of abrasion samples (a),(b)L Y12 substrate;(c),(d)strengthened by TC4

3 結(jié)論

(1)在電壓98V、電容300μF的工藝參數(shù)下,使用TC4電極在空氣中對(duì)L Y12鋁合金進(jìn)行表面強(qiáng)化后,獲得厚度約30μm的連續(xù)、致密的強(qiáng)化層,且強(qiáng)化層與基體之間呈冶金結(jié)合。

(2)電火花強(qiáng)化層主要由 TiAl3,Ti3Al5和 TiAl等金屬間化合物相與 TiN,TiO2和Al2O3等氮、氧化物相組成。

(3)電火花強(qiáng)化層顯微硬度可達(dá) HV596,高硬度物相的生成是強(qiáng)化層硬度顯著提高的主要原因。

(4)經(jīng) TC4電極電火花強(qiáng)化后,強(qiáng)化層的磨損體積僅為未強(qiáng)化試樣的1/7;強(qiáng)化層的磨損類型以疲勞磨損和磨粒磨損為主。

[1]紀(jì)紅,許越,呂祖舜,等.鋁合金激光表面強(qiáng)化的研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工藝,2003,11(2):220-224.

[2]趙建華,趙占西,尹小三.鋁合金復(fù)合陽極氧化表面處理工藝[J].表面技術(shù),2008,37(4):54-56.

[3]李平,王漢功.鋁合金表面Ti-Al雙絲超音速電弧噴涂涂層的組織與性能研究[J].材料工程,2003,(3):17-20.

[4]吳振東,姜建華,姚忠平,等.反應(yīng)時(shí)間對(duì)LY12鋁合金微弧氧化膜層組織及性能的影響[J].無機(jī)材料學(xué)報(bào),2007,22(3):555-559.

[5]VOEVODIN N,JEFCOATE C,SIMON L,et a1.Characterization of pitting corrosion in bare and sol-gel coated aluminum 2024-T3 alloy [J].Surface and Coatings Technology,2001,140:29-34.

[6]DASARI A,NAYAK S,MISRA R D K,et a1.Surface characteristics and wear performance of laser surface engineered iron oxide coatings on cast aluminum alloy[J].Materials Science and Technology,2002,18(9):1036-1040.

[7]MAN H C,YANG Y Q,LEE W B.Laser induced reaction synthesis of TiC+WC reinforced metal matrix composites coatings on Al6061[J].Surface and Coatings Technology,2004,185(11):74 -80.

[8]陳鐘燮.電火花表面強(qiáng)化工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1987.

[9]何鵬,吳承東,錢乙余,等.鈦合金表面電火花沉積WC電極的粘連行為分析[J].焊接學(xué)報(bào),2006,27(4):25-28.

[10]TEPLENKOTRINA M A,PODCHERNYAEVA A,PANASYUK A D.Structure and wear resistance of coatings on titanium alloy and steels obtained by electrospark alloying with AlN-ZrB2material[J].Powder Metallurgy and Metal Ceramics,2002,41(3):154-161.

[11]王少鵬.Ti17合金瞬態(tài)電能及IBED表面復(fù)合強(qiáng)化[D].西安:西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[12]王建升.電火花沉積及其合金化[D].昆明:昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.

[13]劉建超.電火花局域強(qiáng)化及其合金化[D].西安:西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2001.

[14]HABIG K H.材料的磨損與硬度[M].嚴(yán)立譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[15]張健,魏德君,郭策安.PCrNi3MoVA鋼表面電火花沉積Cr的強(qiáng)化層性能研究[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2008,20(2):110 -113.

Microstructure and Properties of Strengthened Coating on L Y12 Alloy Surface Fabricated by Electrospark Deposition

GUO Feng1,LI Ping1,SU Xun-jia1,HOU Gen-liang1,GU Jian-rong2
(1 The Second Artillery Engineering College,Xi’an 710025, China;2 The 96633 army of PLA,Beijing 100096,China)

TG174.42

A

1001-4381(2010)01-0028-04

2008-12-25;

2009-11-02

郭鋒(1982—),男,博士研究生,從事材料表面改性技術(shù)研究,聯(lián)系地址:西安市灞橋區(qū)洪慶鎮(zhèn)驪山路1號(hào)第二炮兵工程學(xué)院501教研室(710025),E-mail:guofeng117126@163.com