混粉電火花加工Ti-6Al-4V鈦合金表面強(qiáng)化研究

趙 林，李 麗，劉 云，林本剛

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

1 引言

Ti-6Al-4V鈦合金是一種雙相合金，在航空、航天、醫(yī)療器械、艦船等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。鈦合金具有良好的綜合性能，如密度小、比強(qiáng)度高、高溫變形性好、耐腐蝕性能好等[2-3]，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防中占有重要的地位和作用。但同時(shí)鈦合金又存在著硬度低、耐磨性差、導(dǎo)熱性能差等問題[4]，屬于難加工材料。若采用傳統(tǒng)機(jī)械加工，加工過程中熱量不易散發(fā)，加工時(shí)易造成局部溫度上升快，刀具溫度急劇上升，刀尖的磨損比較嚴(yán)重，為解決上述所出現(xiàn)的問題采用電火花加工[5]。電火花加工是靠工件電極和工具電極之間的熱蝕除去除工件材料的，且工件電極和工具電極之間沒有直接接觸，沒有宏觀力的產(chǎn)生，故對(duì)難加工材料可以選擇電火花的加工方式。但電火花加工伴隨著加熱、熔化、氣化、凝固等一系列過程，會(huì)在工件表面產(chǎn)生一種“白層”，且表面較粗糙，會(huì)有顯微裂紋[6]。電火花加工后的表面很難滿足生產(chǎn)應(yīng)用中的精度要求，針對(duì)上述問題提出了混粉電火花加工技術(shù)。

混粉電火花加工技術(shù)是在普通電火花加工的工作液介質(zhì)中加入導(dǎo)電或半導(dǎo)電微細(xì)粉末，如鋁、硅[7]等懸浮在兩極間隙間，來改變電火花加工時(shí)的放電狀態(tài)，從而達(dá)到提高電火花加工效率，使表面質(zhì)量得到提高，表面粗糙度值降低的目的。正是由于鈦合金存在硬度低、耐磨性差、導(dǎo)熱性能差等缺點(diǎn)，所以采用混粉電火花加工技術(shù)來達(dá)到表面改性的目的。文獻(xiàn)[8]中在電火花加工液中加入添加一定量的Si、Al等微細(xì)粉末，使得加工精度得到了提高，表面粗糙度降低，達(dá)到類似鏡面的效果。文獻(xiàn)[9]考慮到電火花加工過程中的工作液流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)薄電極和一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤電極是在工作液中是最好的形狀。文獻(xiàn)[10]在常規(guī)電火花加工的條件下，使用Si粉懸浮在工作液中，提高了拋光工藝性能，特別是當(dāng)Si粉的濃度為2g/ml時(shí)表面質(zhì)量變好，加工效率提高。試驗(yàn)在DM71系列精密電火花成型機(jī)床上進(jìn)行混粉電火花試驗(yàn)，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，以石墨為工具電極，以Si粉為混粉粉末，研究TC4鈦合金材料的強(qiáng)化層的性能。

2 試驗(yàn)

試驗(yàn)是在普通電火花加工TC4材料的基礎(chǔ)上，在煤油工作液中混入12g/L的Si粉，為防止Si粉不能均勻的溶于工作液中，在工作臺(tái)上安裝恒溫磁力攪拌器對(duì)工作液進(jìn)行攪拌。分析Si粉的加入對(duì)加工表面的磨損率、表面質(zhì)量的影響。加工試驗(yàn)參數(shù)，如表1所示。

表1 加工試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental Parameters

試驗(yàn)材料為Ti-6Al-4V 鈦合金，尺寸大小為（10×10×4）mm。石墨作為工具電極，尺寸大小為Φ16mm×150mm。試驗(yàn)材料的熱學(xué)物理常數(shù)，如表2所示。

表2 試驗(yàn)材料的物理參數(shù)Tab.2 Physical Parameters of the Test Materials

利用TR200手持式粗糙度儀對(duì)傳統(tǒng)電火花加工和混粉電火花加工的表面進(jìn)行粗糙度的測(cè)量；利用Sirion200型掃描電子顯微鏡對(duì)工件的表面和斷面進(jìn)行微觀形貌的觀察；用D8 Advance型多晶X射線衍射儀進(jìn)行物相分析。

摩擦磨損試驗(yàn)是在MMU-10G型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)所用材料是Ti-6Al-4V鈦合金，工件尺寸設(shè)置為Φ45mm，厚度為5mm的圓柱體，對(duì)磨材料是45#鋼，直徑為30mm。設(shè)置試驗(yàn)力為100N，轉(zhuǎn)速為150r/min。分別對(duì)基體材料，普通電火花加工材料及混粉電火花加工材料表面進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)均旋轉(zhuǎn)1500轉(zhuǎn)，其他電參數(shù)均相同。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 表面粗糙度

電火花加工表面是無數(shù)凹坑和凸起組成的，表面粗糙度是指加工表面的微觀形貌，放電凹坑的大小與工件表面粗糙度有直接關(guān)系。從圖1中可以看出隨著峰值電流和脈沖寬度的增大，混粉電火花加工和普通電火花加工表面粗糙度值都會(huì)增大。這是因?yàn)榉逯惦娏鞯脑龃蠡蛎}沖寬度的增大都會(huì)引起單次脈沖放電能量的增大，從而表面形成的放電蝕坑大而深，導(dǎo)致表面粗糙度變大。觀察圖1中兩圖發(fā)現(xiàn)在電參數(shù)相同的條件下，普通電火花加工表面的粗糙度要比混粉電火花加工表面的粗糙度要高。這是由于混粉工作液使得火花放電間隙增大，放電點(diǎn)的分布趨于均勻；使得放電通道變粗，放電蝕坑變的大而淺。

圖1 表面粗糙度與峰值電流和脈沖寬度之間的關(guān)系Fig.1 The Relationship Between Surface Roughness and Peak Current and Pulse Width

3.2 強(qiáng)化層表面形貌分析

以混粉電火花加工后得到的強(qiáng)化層表面的微觀組織形貌，如圖2所示。圖2（a）、圖2（b）是在其他電參數(shù)相同，峰值電流不同的情況下拍攝的兩組照片，對(duì)比圖2（a）、圖2（b）可觀察到隨著峰值電流的增大表面質(zhì)量越好，圖2（a）中的強(qiáng)化層不均勻，且出現(xiàn)一些微小氣孔，這是由于電火花加工過程中驟冷驟熱使氣體來不及析出而形成的。但觀察圖2（c）圖發(fā)現(xiàn)圖中大部分區(qū)域都處于熔融的狀態(tài)，在工作液的作用下出現(xiàn)驟冷驟熱的現(xiàn)象使得熔融層出現(xiàn)裂紋，且翻邊現(xiàn)象比較嚴(yán)重，表面質(zhì)量變差；圖2（d）、圖2（e）、圖2（f）是在其他電參數(shù)相同，脈沖寬度不同的情況下拍攝的三組圖片，對(duì)比圖2（d）、圖2（e）可發(fā)現(xiàn)隨著脈沖寬度的增大強(qiáng)化層的致密性較好，這是由于脈沖寬度越大，火花放電時(shí)間越長(zhǎng)，脈沖放電能量增大，放電通道半徑增大，能量分布較均勻。但是隨著脈沖寬度的繼續(xù)增大，如圖2（f）所示。氣孔比較多，加工表面的性能就會(huì)受到影響。

圖2 不同工藝參數(shù)下Ti-6Al-4V鈦合金強(qiáng)化層的微觀組織形貌Fig.2 Microstructure of Ti-6Al-4V Titanium Alloy Strengthening Layer Under Different Process Parameters

3.3 斷面組織

在不同工藝參數(shù)下，如圖3所示。混粉電火花加工Ti-6Al-4V 材料的斷面金相組織。從圖 3（a）、圖 3（b）、圖 3（c）可以看出，隨著脈沖寬度的增大強(qiáng)化層的厚度也越來越厚，這是由于隨著脈沖寬度的增大火花放電的時(shí)間加長(zhǎng)，在瞬時(shí)高溫作用下煤油介質(zhì)中分解出來的碳與Ti-6Al-4V材料表面發(fā)生反應(yīng)時(shí)間生成的強(qiáng)化層也就越厚，而且越均勻。對(duì)比圖3（b）、圖3（d）圖發(fā)現(xiàn)，在脈沖寬度相同的條件下，峰值電流越大強(qiáng)化層的致密性越好，且與基體的結(jié)合力也越好。這是由于隨著峰值電流的增大會(huì)引起單次脈沖放電能量的增大，火花放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫更加顯著，Ti-6Al-4V材料表層在熔融狀態(tài)下與瞬時(shí)高溫作用下煤油介質(zhì)中分解出來的碳反應(yīng)的更加徹底。

圖3 不同工藝參數(shù)下混粉電火花加工TC4鈦合金截面組織Fig.3 Cross Section Microstructure of Mixed-Powder EDM TC4 Titanium Alloy Under Different Processing Parameters

3.4 強(qiáng)化層物相分析

圖4 混粉電火花加工表面的X射線衍射圖Fig.4 X-ray Diffraction Pattern of Mixed-Powder EDM Surface

對(duì)混粉電火花加工后的Ti-6Al-4V鈦合金表層進(jìn)行XRD分析，如圖4所示。發(fā)現(xiàn)其表層出現(xiàn)了新的化合物TiC，由X射線衍射圖發(fā)現(xiàn)在每一個(gè)峰值處都有TiC的生成，這是由于在混粉電火花加工過程中工作液煤油在瞬時(shí)高溫的作用下分解成的游離的碳滲入到Ti-6Al-4V鈦合金表層，在高溫的作用下生成TiC強(qiáng)化層,同時(shí)還有一部分是由作為工具電極的石墨在瞬時(shí)高溫作用下分解成的游離的碳熔滲到Ti-6Al-4V鈦合金表層的，生成TiC強(qiáng)化層。由于TiC的硬度很高，所以混粉電火花加工后的表面硬度得到很大程度的提高，有效的改善Ti-6Al-4V鈦合金的耐磨性。

3.5 顯微硬度

經(jīng)過混粉電火花加工過的Ti-6Al-4V鈦合金工件表面會(huì)生成一種強(qiáng)化層。這是由于在加工過程中火花放電的作用，在瞬時(shí)高溫下，熔融層發(fā)生了相互熔滲和擴(kuò)散，重新組合生成新的硬質(zhì)相，所以加工工件表層的硬度得到很大程 度的提高，在不同參數(shù)下，距離表層不同位置的硬度曲線，如圖5所示。工件表層的硬度值增加到基體材料的兩倍還要多。

圖5 不同工藝參數(shù)下Ti-6Al-4V鈦合金的顯微硬度Fig.5 Microhardness of Ti-6Al-4V Titanium Alloy with Different EDM Parameters

3.6 摩擦磨損試驗(yàn)分析

工件的磨損量和磨損率越小說明工件越耐磨，如表3所示。從表3可以看出，在三種加工條件下，混粉電火花加工表面的磨損率最小，這就說明混粉加工后的工件耐磨性最好。

表3 摩擦磨損試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test Results of Friction and Wear Test

三個(gè)工件磨損后在Sirion200型掃描電鏡下放大34倍的表面形貌圖，如圖6所示。對(duì)比圖6中的三張圖發(fā)現(xiàn)基體表面的磨痕最為明顯，且磨痕最深,而混粉電火花加工工件表面最不明顯；從圖中還發(fā)現(xiàn)混粉電火花加工的工件表面的磨痕寬度最寬，基體材料的磨痕最窄?？芍旆垭娀鸹庸け砻娴哪湍バ宰詈?。

圖6 三種加工條件下工件放大34倍的SEM圖Fig.6 Three Kinds of Processing Conditions of the Workpiece to Enlarge 34 Ttimes of the SEM Chart

4 結(jié)論

（1）隨著峰值電流和脈沖寬度的增大，混粉電火花加工和普通電火花加工表面粗糙度值都會(huì)增大，且在電參數(shù)相同的條件下，普通電火花加工表面的粗糙度要比混粉電火花加工表面的粗糙度要高。當(dāng)峰值電流和脈沖寬度增大時(shí)，工件表面質(zhì)量變好，但是增加到一定值時(shí)，若繼續(xù)增大則會(huì)影響工件表面質(zhì)量和性能。

（2）對(duì)混粉電火花加工表面進(jìn)行強(qiáng)化層物相分析，結(jié)果表明強(qiáng)化層中含有TiC硬質(zhì)相，從而提高了耐磨性，且混粉電火花加工的表面耐磨性比基體材料和普通電火花加工的表面耐磨性都要好；工件表層的硬度值增加到基體材料的兩倍還要多。

（3）隨著脈沖寬度的增大強(qiáng)化層的厚度也越厚，且越來越均勻；隨著峰值電流越大強(qiáng)化層的致密性越好，且與基體的結(jié)合力也越好。

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