ZrB2基超高溫陶瓷電火花線切割加工表面粗糙度對其力學(xué)性能的影響

楊宏青，丁國智，姜 濤，伏金娟，韓文波，楊立光

（1.北京星航機電裝備有限公司，北京 100074；2.北京市電加工研究所，北京 100191；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國家級重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001）

電火花線切割加工工藝是基于電極間脈沖放電時的電火花腐蝕原理，利用移動的電極絲作為工具加工出所需形狀和尺寸的工件，適合于加工普通機械難以加工的特殊材料或復(fù)雜形狀的工件[1-3]。由于加工過程中脈沖放電持續(xù)的時間極短，放電時產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)擴散范圍小，使材料被加工表面受熱影響的范圍較??；更重要的是，加工時工具電極與工件材料不接觸，兩者間的宏觀作用力極小，可用軟的工具加工任何導(dǎo)電的高硬度材料[1，4]。電火花線切割加工便于實現(xiàn)自動化，能降低勞動強度，加工質(zhì)量較好[1，5]；其種種優(yōu)點使國內(nèi)外專家在利用其加工高溫陶瓷材料方面做了大量的研究工作，并取得了一些進展[6]。

以ZrB2基超高溫陶瓷為代表的復(fù)合材料，可應(yīng)用于高達2000℃的環(huán)境，且具有良好的耐燒蝕性、耐熱性和耐腐蝕性[7]。ZrB2基超高溫陶瓷屬脆性材料，切削加工性很差，限制了其應(yīng)用，尤其是在制造形狀復(fù)雜的零件時，難加工成了阻礙其應(yīng)用的瓶頸。由于ZrB2基超高溫陶瓷具有良好的導(dǎo)電性，故采用電火花加工方法對其進行加工較具優(yōu)勢。

本文采用電火花線切割工藝對ZrB2基超高溫陶瓷進行加工，研究不同加工表面粗糙度對其性能的影響規(guī)律，為其未來應(yīng)用奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料特性與實驗方法

1.1 材料特性

ZrB2基超高溫陶瓷的各組分含量如下：ZrB2的體積分?jǐn)?shù)為65%，SiC的體積分?jǐn)?shù)為20%，剩余體積分?jǐn)?shù)為第三相等（即石墨的體積含量為15%）。其純度、密度和粒度等主要技術(shù)參數(shù)見表1。塊體ZrB2基超高溫陶瓷的制備采用熱壓燒結(jié)工藝，燒結(jié)溫度為1900℃，燒結(jié)壓力為30 MPa，燒結(jié)時間為1 h。

表1 原料粉的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 實驗方法

實驗采用DK7740E型電火花線切割機床對ZrB2基超高溫陶瓷進行切割，切割表面粗糙度為Ra≤2.5 μm。將 ZrB2基超高溫陶瓷試樣加工成矩形截面的長棒狀。其中，用于抗彎強度測試的試樣尺寸為3 mm×4 mm×36 mm，長度方向的4個棱邊倒角為 0.1～0.3 mm×45°；用于斷裂韌性測試的試樣尺寸為2 mm×4 mm×22 mm，在受拉面中心開一個深為2 mm、寬為0.2 mm的切口，試樣跨距為16 mm。每組試樣數(shù)為6個，并取6個數(shù)值的平均值。通過調(diào)整加工工藝參數(shù)，獲得不同表面粗糙度的樣件。

1.3 力學(xué)性能測試

1.3.1 抗彎強度測試

使用Instron-5569電子萬能試驗機并采用三點彎曲法，測試超高溫陶瓷材料的室溫彎曲強度和彈性模量。對試樣表面做拋光處理，卡頭位移速率為0.5 mm/min。 根據(jù)式（1）計算材料的抗彎強度 σb：

式中：Pf為試樣斷裂時的最大載荷，N；L為跨距，mm；w為試樣寬度，mm；h為試樣高度，mm。

1.3.2 斷裂韌性測試

使用Instron-5569電子萬能試驗機并采用單邊切口梁三點彎曲斷裂法（即SENB法），對超高溫陶瓷材料進行斷裂韌性測試。根據(jù)式（2）計算材料的斷裂韌性KIC：

式中：P為試樣斷裂時的最大載荷，N；L為跨距，mm；w為試樣寬度，mm；h為試樣高度，mm；a為試樣切口深度，mm；Y為試樣形狀因子，且在0≤a/h≤0.6、L/h=4 的條件下：

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 ZrB2基超高溫陶瓷表面形貌分析

電火花加工主要通過電極間放電產(chǎn)生的高溫熔化和汽化蝕除材料的。在電火花加工過程中，陶瓷材料可能在3種狀態(tài)下被蝕除，即：熔化、汽化和熱應(yīng)力蝕除。對于ZrB2基超高溫陶瓷復(fù)合材料，盡管其熔點較SiC高，但因其導(dǎo)電性較SiC好，火花放電將首先發(fā)生在ZrB2處；且放電產(chǎn)生的熱量能使ZrB2附近的微小區(qū)域熔化或蒸發(fā)，從而形成微小的放電凹坑，ZrB2的蝕除導(dǎo)致不易導(dǎo)電的SiC相暴露，在交變的熱應(yīng)力作用下而蝕除。電流越大，電火花能量密度越大，材料去除率越大，加工表面越粗糙。

對電火花線切割加工后的材料表面及截面進行微觀組織觀察，可發(fā)現(xiàn)：電火花放電過程中的高溫使試樣表面微區(qū)有明顯的熔化現(xiàn)象；加工后的材料表面明顯存在凹凸不平現(xiàn)象；氧化現(xiàn)象也極明顯；同時，試樣表面存在著大量氣孔，分析原因可能是加工過程中反應(yīng)生成的氣體及材料中的低熔點相揮發(fā)后所留下的（圖1）。

圖1 電火花加工后的表面形貌

2.2 不同的表面粗糙度對材料性能的影響

2.2.1 對抗彎強度的影響

材料抗彎強度隨加工試樣表面粗糙度的變化曲線見圖2。

圖2 抗彎強度隨表面粗糙度的變化曲線

當(dāng)試樣表面粗糙度值從 Ra0.25 μm增加到Ra0.55 μm時，材料平均抗彎強度從370 MPa提高到420 MPa，說明在該Ra值區(qū)間內(nèi)，材料平均抗彎強度對表面狀態(tài)不敏感。

當(dāng)試樣表面粗糙度值超過Ra0.55 μm后，隨著Ra值的增大，材料平均抗彎強度迅速下降，說明材料性能對表面粗糙度較敏感。當(dāng)達到Ra2.25 μm時，材料平均抗彎強度降到了290 MPa。此時，由于加工痕跡的存在，材料表面形成了裂紋源，在一定外力載荷作用下，裂紋會迅速擴展，導(dǎo)致材料性能下降。

通過打磨拋光的方法進一步對電火花線切割試樣進行表面處理，觀察拋光前后材料表面狀態(tài)對抗彎強度的影響。電火花線切割加工后的試樣表面粗糙度值為Ra2.939 μm，經(jīng)400目和1000目砂紙拋光后，試樣表面粗糙度值為Ra0.277 μm。由圖3可看出，由于拋光后的試樣表面粗糙度值降低，表面缺陷減少，材料抗彎強度得到顯著提高；拋光后的試樣抗彎強度比拋光前提高了100 MPa以上。

圖3 電火花線切割試樣拋光前后的抗彎強度

2.2.2 對斷裂韌性的影響

對電火花線切割試樣進行打磨拋光處理后，試樣表面粗糙度值明顯降低，且表面毛刺和尖峰均減少。通過測試其斷裂韌性發(fā)現(xiàn)，拋光導(dǎo)致的材料表面粗糙度變化對材料斷裂韌性的影響較小，電火花線切割試樣在拋光前后的斷裂韌性變化范圍極?。▓D 4）。

圖4 電火花線切割試樣拋光前后的斷裂韌性

通過上述分析可看出，加工后的材料表面粗糙度對材料性能有顯著影響，且存在一定的對應(yīng)關(guān)系。因此，可通過確定加工后的材料表面粗糙度對材料的性能進行預(yù)測。

3 結(jié)論

（1）采用電火花線切割工藝加工ZrB2基超高溫陶瓷，材料表面微區(qū)會發(fā)生熔化和氧化現(xiàn)象，材料表面呈現(xiàn)凹凸不平的形貌。

（2）ZrB2基超高溫陶瓷屬脆性材料，其表面狀態(tài)對材料性能影響較大。當(dāng)表面粗糙度值低于Ra0.55 μm時，材料的抗彎強度對其性能影響不大，且材料抗彎強度在某一表面粗糙度值時存在最大值；當(dāng)表面粗糙度值高于Ra0.55 μm時，材料的抗彎強度會隨著Ra值的增加而迅速下降。

（3）材料表面狀態(tài)對其斷裂韌性的影響較小。

[1] 曹鳳國，翟力軍，桂小波，等.電火花加工[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[2] 狄士春，于濱，趙萬生，等.國外電火花線切割加工技術(shù)最新進展[J].電加工與模具，2003（3）：12-16.

[3] 劉新民，柯宏發(fā).電火花加工技術(shù)在陶瓷加工中的應(yīng)用[J].機械制造，1997（10）：19-20.

[4] 朱曾.工程陶瓷Al2O3-TiC電火花線切割加工的試驗研究[J].電加工，1995（3）：33-36.

[5] 劉永紅，王致良，劉晉春.非導(dǎo)電材料的電加工[J].電加工，1994（5）：2-6.

[6] 薛建勛.工程陶瓷切削加工技術(shù)研究 [J].中國陶瓷，2012，48（7）：54-56.

[7] 熊金松，王璽堂.ZrB2在無機非金屬材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報， 2006，29（3）：229-232.