磁力攪拌混粉電火花加工Ti-6Al-4V表面改性

趙 林，王好臣，李 麗，畢方淇，吳亞洲

（山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255049）

磁力攪拌混粉電火花加工Ti-6Al-4V表面改性

趙 林，王好臣，李 麗，畢方淇，吳亞洲

（山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255049）

0 引言

Ti-6Al-4V鈦合金是一種典型的α+β型兩相鈦合金，具有良好的綜合性能。鈦合金因其比強(qiáng)度高、耐腐蝕、高溫力學(xué)性能優(yōu)異和生物相容性好等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、海洋開發(fā)、原子能及醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域中[1]。隨著鈦合金在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的逐步擴(kuò)大，對(duì)鈦合金加工件的表面質(zhì)量及力學(xué)性能的要求也越來越高，鈦合金表面改性技術(shù)受人矚目，目前也取得了一些研究成果[2,3]。但鈦合金同時(shí)存在硬度低、耐磨性能差等問題[4]。針對(duì)這一問題，采用混粉電火花對(duì)鈦合金進(jìn)行成型加工。混粉電火花表面強(qiáng)化技術(shù)通過在工作液中混入半導(dǎo)體的粉末，利用銅電極直接進(jìn)行表面強(qiáng)化，克服了固體電極、粉末壓結(jié)體電極和粉末燒結(jié)體電極的高損耗、難加工、強(qiáng)化費(fèi)用高等缺點(diǎn)[5]。

混粉電火花加工最早是由日本學(xué)者毛利尚武等人在研究中發(fā)現(xiàn)，在電火花加工工作介質(zhì)中加入添加一定量的Si、Al等粉末以后，加工表面的粗糙度得到很大程度的改善一般來說，電火花加工液中混合不同粉末對(duì)于工件表面性能的影響程度各不相同[6,7]。此外, 粉末的顆粒度、濃度、導(dǎo)電性等對(duì)加工表面的影響也非常大[8]。新加坡學(xué)者Y S Wong等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱性好、導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的粉末更易獲得光亮的加工表面，而粉末材料與工件材料組合也對(duì)光亮表面的形成起到重要作用[9]。為了進(jìn)一步降低電火花加工的表面粗糙度，張?jiān)迄i等[10]對(duì)鈦合金進(jìn)行混粉電火花復(fù)合加工，即在電火花加工的基礎(chǔ)上，在煤油工作液中混入一定比例的磨料粉，并對(duì)電極附加一超聲振動(dòng)的復(fù)合加工方法。加工過程中以火花放電為材料的主要去除方式，以磨料微切削為輔助去除方式，降低了零件表面粗糙度值。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)電火花加工鈦合金存在表面質(zhì)量差等問題，采用磁力攪拌混粉電火花加工方法來改善改性層質(zhì)量。具體做法是在DM71系列精密電火花成型機(jī)原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，在工作臺(tái)下方安裝恒溫磁力攪拌器，使混粉粉末在攪拌器的作用下均勻的懸浮在工作液介質(zhì)中，然后研究混粉電火花加工后表面改性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

圖1 機(jī)床示意圖

本實(shí)驗(yàn)裝置是在DM71系列精密電火花成型機(jī)上進(jìn)行改造而完成的，在機(jī)床工作臺(tái)上安裝攪拌裝置，如圖2所示。

在常規(guī)電火花加工Ti-6Al-4V的基礎(chǔ)上，在工作介質(zhì)中混入12g/L的Sic磨料。前期大量實(shí)驗(yàn)證明混粉的添加濃度由5g/L增大到12g/L時(shí)，加工表面粗糙度值明顯降低，當(dāng)濃度進(jìn)一步增大時(shí)加工后的表面粗糙度仍可降低，但降低的程度已很小，說明12g/L的濃度更接近其最佳值[11]。同時(shí)利用恒溫磁力攪拌器對(duì)工作液進(jìn)行攪拌，使Sic磨料均勻的懸浮在工作液中，在混粉加工的基礎(chǔ)上，研究Sic磨料的加入對(duì)Ti-6Al-4V加工表面質(zhì)量的影響，加工參數(shù)如表1所示。

表1 加工參數(shù)

實(shí)驗(yàn)材料為Ti-6Al-4V鈦合金，工件電極尺寸為10mm×10mm×4mm，圓柱形工具電極尺寸Φ16mm×150mm，如圖3所示。

圖3 工件和工具電極示意圖

表2 實(shí)驗(yàn)材料的特性參數(shù)

1.2 測試方法

對(duì)加工后的Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行檢測和分析，用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察表面形貌，為觀察斷面形貌，對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光處理后，用HF，HNO3和水（10mg:20mg:70mg）組成的混合溶液進(jìn)行腐蝕（5s～10s），清洗，烘干然后用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。用D8 Advance型多晶X射線粉末衍射儀對(duì)材料表面層進(jìn)行物相分析。用FM800型顯微硬度計(jì)測試斷面不同位置處的顯微硬度值，測試載荷為50gf，加載時(shí)間為15s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面形貌分析

圖4 不同工藝參數(shù)下的Ti-6Al-4V表面形貌

圖4(a)、(b)為在相同電參數(shù)下，混粉電火花加工與普通電火花加工出來的鈦合金的表面顯微照片。由圖可觀察到混粉電火花加工的放電凹坑邊界相比普通電火花加工較為清晰，且加工表面比較光滑，這是由于加入導(dǎo)電性混粉以后使得電火花加工的放電間隙增大，放電點(diǎn)趨于均勻。而且還使得放電通道變粗，形成大而粗的放電凹坑。所以表面粗糙度降低[12]。

對(duì)比圖4(a)、(c)可觀察到在其他電參數(shù)相同的條件下脈沖寬度越小放電凹坑越小，表面質(zhì)量越好。對(duì)比圖4(c)、(d)圖在其他電參數(shù)一定的條件下脈沖電流越大放電凹坑越大且凹坑周圍出現(xiàn)熔融狀物質(zhì)，這是因?yàn)樵龃竺}沖電流，單個(gè)放電脈沖能量增大，在混粉電火花加工過程中產(chǎn)生的熱量增多，但由于放電間隙增大在工作液的作用下冷卻速度也比較快，材料熔化，氣化再凝固[13]，表面質(zhì)量變差。

2.2 斷面組織及相結(jié)構(gòu)

圖5 不同電火花加工工藝參數(shù)下的Ti-6Al-4V斷面組織

圖5為在不同脈沖能量下加工端面的掃描照片。從圖中可以觀察到電火花加工后的斷面組織可分為三層[14]，位于工件表面的最上層是強(qiáng)化層，強(qiáng)化層的下面是熱影響層，最里層是基體材料。強(qiáng)化層是由工作介質(zhì)中的混粉粉末與材料表面發(fā)生反應(yīng)而生成的，因此可以改善材料表面的硬度，耐磨性等優(yōu)點(diǎn)。強(qiáng)化層與電參數(shù)密切相關(guān)，當(dāng)放電能量增大時(shí)，在其他電參數(shù)不變的條件下，增大脈沖寬度，工作時(shí)間變長，工件材料有充分的時(shí)間和混粉粉末中的元素發(fā)生反應(yīng)。觀察圖5(a)、(b)、(c)可發(fā)現(xiàn)隨脈沖寬度的增大，強(qiáng)化層質(zhì)量也越好，一方面表現(xiàn)在強(qiáng)化層的厚度增加，另一方面表現(xiàn)在強(qiáng)化層的連續(xù)性好。對(duì)比圖5(b)、(d)可發(fā)現(xiàn)脈沖電流對(duì)強(qiáng)化層的影響更明顯，在大的脈沖電流的條件下如圖5(d)所示，強(qiáng)化層厚度明顯增加且與熱影響層的粘結(jié)性好。這是由于增大脈沖電流，單脈沖放電能量增大，混粉電火花放電時(shí)的溫度也越高，在高溫條件下煤油介質(zhì)生成碳粒子，再加上混粉介質(zhì)中被電離的碳離子等熔滲、擴(kuò)散到工件表面，所以更有助于強(qiáng)化層的形成。在高溫條件下工件材料表層處于熔融狀態(tài)下，碳粒子與工件發(fā)生冶金反應(yīng)，粘著性能好。加工表面性能的變化一般是表面的金相組織和組織結(jié)構(gòu)而引起的。為分析加工表面層的變化，用XRD對(duì)混粉電火花加工進(jìn)行分析。結(jié)果如圖6所示。由圖可觀察到材料加工表面生成了兩種TiC和TiN硬質(zhì)相，這表明在樣品制備的過程中，在混粉電火花加工過程中工作介質(zhì)中的Sic粉末在高溫的作用下和工件發(fā)生了反應(yīng)。由于TiC和

圖6 混粉電火花加工后Ti-6Al-4V材料的X射線衍射圖

TiN硬度很高，因此非常有利于強(qiáng)化層硬度的提高。而強(qiáng)化層硬度對(duì)強(qiáng)化層的耐磨性等物理性能起著決定性作用，所以使得強(qiáng)化層的整體性能得到顯著的提高[15]。

2.3 顯微硬度

圖7 混粉電火花加工后不同工藝參數(shù)下Ti-6Al-4V材料的顯微硬度

加工表層顯微硬度對(duì)加工表面性能有較大影響，它關(guān)系到表面耐磨性，硬度，壽命等多種指標(biāo)。經(jīng)電火花加工鈦合金表面形成一層強(qiáng)化層，圖7為不同脈沖放電能量下，顯微硬度隨表層距離變化的曲線。在距離工件表層約20um處，工件表層的硬度約為基體材料的兩倍。這與前面所提到的工件表層生成了一種Tic硬質(zhì)相相對(duì)應(yīng)。強(qiáng)化層約為20um，所以距離表層超過20um以后電火花加工由于瞬時(shí)高溫先熱膨脹后冷收縮作用而形成殘余應(yīng)力，硬度顯著下降。觀察上圖可知，峰值電流和脈沖寬度對(duì)顯微硬度都有一定的影響。在其他工藝參數(shù)一定的條件下當(dāng)峰值電流從4.5A增加到9A時(shí)硬度也有明顯的提高。當(dāng)其他工藝參數(shù)一定脈沖間隔從30um增加到60um的過程中，硬度也有一定程度的提高，但是脈沖寬度對(duì)硬度的影響不如峰值電流的對(duì)硬度的影響大。

3 結(jié)論

1）在相同的電參數(shù)下對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金材料進(jìn)行混粉電火花加工和普通電火花加工，材料表面會(huì)出現(xiàn)不同的組織形貌，混粉電火花加工放電凹坑邊界相比普通電火花加工較為清晰，且加工表面比較光滑，形成大而粗的放電凹坑，普通電火花加工表面形貌則會(huì)出現(xiàn)小而深的凹坑。另外，在不同脈沖能量的條件下對(duì)混粉電火花加工的表面形貌進(jìn)行了比較。當(dāng)脈沖能量大時(shí)，放電凹坑越大且凹坑周圍出現(xiàn)熔融狀物質(zhì)，表面質(zhì)量變差。當(dāng)脈沖能量較小時(shí)放電凹坑較小表面質(zhì)量較好。

2）在混粉電火花加工過程中，隨著脈沖能量的增大，強(qiáng)化層的厚度增大，致密性好且與熱影響層的粘結(jié)性好。

3）X射線衍射結(jié)果表明強(qiáng)化層的化學(xué)成分中含有Tic和TiN硬質(zhì)合金相，從而使得強(qiáng)化層的顯微硬度等性能得到提高。

4）混粉加工后工件表面改性層的硬度提高到基體材料的兩倍以上。

[1]張寶柱,孫潔瓊.鈦合金在典型民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].航空工程進(jìn)展,2014,5(3):275-280.

[2]Lian Feng.Zhang Huichen.Technology and development of Ti alloy machined by EDM[J].Modern Manufacturing Engineering,2012(2):18-23.

[3]Jiao Lei,Qiao Sheng ru et al. Fatigue Properties of Ti17 Alloy Strengthened by Combination of Electric Spark Treatment with Ultrasonic Surface Treatment[J].Rare Metal Materials and Engineering,2010,39(12):2091-2094.

[4]遲恩田,任中根,張?jiān)迄i,等.超聲磨料混粉電火花復(fù)合加工的研究[J].電加工與模具,2003(3):29-32.

[5]宋夕超,張建華,董春杰.超聲振動(dòng)輔助混粉電火花表面強(qiáng)化試驗(yàn)研究[J].電加工與模具.2011(5):21-25.

[6]Simao J , Lee H G , Aspinw all D K , et al. Workpiece Surface Modification Using Electrical Discharge Machining[J].International Journal of Machine Tools Manufacture,2003,43(9):121-128.

[7]黃博.添加粉末對(duì)混粉電火花加工作用機(jī)制的研究[D].大連:大連理工大學(xué).2009.

[8]陳松.混粉電火花添加劑及加工工藝的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué).2012.

[9]呂戰(zhàn)竹,趙福令,張龍,等.混粉電火花加工機(jī)理的分析[J]. 模具工業(yè),2003,(8):49-52.

[10]張?jiān)迄i,孫廣標(biāo),張安洲.超聲磨料對(duì)TC4鈦合金電火花加工表面質(zhì)量的影響[J].航空學(xué)報(bào),2010,31(1):204-209.

[11]王剛.混粉電火花加工添加劑的研究及其應(yīng)用[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué).2009.

[12]趙萬生.先進(jìn)電火花加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[13]李麗.燒結(jié)NdFeB永磁材料加工方法及加工機(jī)理研究[D].山東:山東大學(xué).2005.

[14]郭峰,李平,蘇勛家,等.LY12鋁合金表面電火花強(qiáng)化組織與性能研究[J].材料工程,2010,(1):28-31.

[15]許家源.超聲振動(dòng)輔助電火花放電表面改性技術(shù)研究[D].山東:山東大學(xué).2010.

Surface modification of Ti-6Al-4V by magnetic stirring mixed powder electrical discharge machining

ZHAO Lin, WANG Hao-chen, LI Li, BI Fang-qi, WU Ya-zhou

為實(shí)現(xiàn)Ti-6Al-4V的表面改性，利用磁力攪拌混粉電火花技術(shù)在不同電參數(shù)下，用紫銅電極對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金材料在混粉工作介質(zhì)中進(jìn)行了負(fù)極性加工。采用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀等對(duì)材料強(qiáng)化層的成分、表面形貌及組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；用FM800型顯微硬度計(jì)測試斷面不同位置處的顯微硬度值。分析了脈沖寬度和峰值電流等因素對(duì)表面強(qiáng)化層的形成的影響規(guī)律。結(jié)果表明，磁力攪拌混粉電火花加工使得工件表面質(zhì)量得以提高，工件表面形成了兩種硬質(zhì)合金相TiC和TiN，使得材料表面的硬度提高到基體材料的兩倍。在不同脈沖能量條件下對(duì)混粉電火花加工的表面形貌進(jìn)行了比較，當(dāng)脈沖能量大時(shí)，放電凹坑越大且凹坑周圍出現(xiàn)熔融狀物質(zhì)，表面質(zhì)量變差。當(dāng)脈沖能量較小時(shí)放電凹坑較小表面質(zhì)量較好。

鈦合金；混粉電火花加工；顯微硬度；表面強(qiáng)化

趙林（1991 -），女，山東人，碩士生，研究方向?yàn)槌曤娀鸹ū砻娓男约俺尚图庸ぁ?/p>

TG661

A

1009-0134(2015)12(上)-0035-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.10

2015-07-21

國家自然基金項(xiàng)目（51105235）