潘 康，蔡蘭蓉，李 敏

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

0 引言

鈦合金具有抗蝕性好、比強度高和無磁性等優(yōu)良性能，是生物醫(yī)療、軍工和機車產(chǎn)業(yè)等高科技領(lǐng)域中常用的合金材料［1］。但是，TC4鈦合金存在耐磨性差、易粘附和易發(fā)生塑變等缺陷。為改善這些不足，研究者對TC4鈦合金的強化進行了研究，如表面離子滲碳滲氮、表面涂覆等技術(shù)，但是處理效果不是十分理想。

近些年，隨著表面技術(shù)的改進和創(chuàng)新，電火花表面強化技術(shù)得到了發(fā)展［2－3］，它在工模具鋼表面強化、水輪機和軋鋼支承輥表面強化以及易破壞部位的涂層和磨損修復(fù)等［4－6］領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸廣泛。在電火花強化 TC4方面，起初，Tang、Bai和張明等人［7－9］在煤油介質(zhì)、空氣介質(zhì)和霧介質(zhì)中做了相關(guān)研究，提高了其表面硬度和耐磨性等性能，但存在強化層均一性差、基體與合金化層結(jié)合度低等缺陷，所以探索更為優(yōu)越的電火花強化工藝已成為必然。此時，混粉準(zhǔn)干式電火花表面強化技術(shù)應(yīng)運而生?；旆蹨?zhǔn)干式電火花表面強化是以合金材料、碳化物和紫銅等導(dǎo)電材料為強化電極，霧(氣體和液體混相)為工作介質(zhì)，并在霧中混入強化粉末材料，通過高能量密度電流放電，使基體材料、強化粉末、工具電極以及空氣電離離子在高溫高壓下熔化，并相互熔滲、擴散和發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，從而合金化形成新的強化層。因其可在不改變基體材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)材料的表面性能和改善表面質(zhì)量，替代昂貴的材料，降低成本，提高經(jīng)濟效益。從而增大了材料使用的廣泛性，成為許多研究者的焦點［10－11］。筆者通過不同的電火花放電強化工藝，研究表面改性層的顯微組織形貌和性能，優(yōu)化電火花強化工藝，進一步改善強化層組織特性，提高工件綜合使用性能。

1 試驗

試驗基體材料為TC4鈦合金，尺寸10 mm×10 mm×5 mm?；旆蹨?zhǔn)干式工作介質(zhì)為去離子水、B4C粉末和氣體的混合物。為減小B4C粉末在液體中的沉降速度和形成均勻的固液混合相，應(yīng)盡量選用顆粒直徑較小的的強化材料，顆粒尺寸為7 μm，濃度為0.3 g/L。

采用AF1000型電火花成形機床強化設(shè)備，在混粉準(zhǔn)干式介質(zhì)條件下進行放電強化，相關(guān)試驗參數(shù)如下:峰值電流6.6 A和8.2 A，電源放電脈沖電壓120 V，脈沖寬度 60 μs，脈沖間隔 100 μs，加工深度 100 μm。實驗前將試樣打磨、拋光、清洗和干燥，然后采用石墨電極、紫銅電極以及不同放電參數(shù)對TC4鈦合金工件表面進行強化。利用SEM(TescanVEGATS5136掃描電鏡)觀察強化層的顯微組織形貌特征;采用HMV－2T顯微硬度儀測定強化層顯微硬度，測試載荷為0.2 kg，保載時間10S;在M－200型摩擦磨損試驗機上測試強化層耐磨性，磨損試驗參數(shù):最大負(fù)荷1.96 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，對磨環(huán)是外徑為38 mm的GCr15(HB190～229)，法向載荷50N，磨損時間為6 min，用電子天平(精度:1×10－4g)稱量摩擦磨損試驗試樣的失重，根據(jù)強化層磨損量及相對磨損性，對不同工藝所得強化層性能做評價分析。

2 強化層顯微組織形貌分析

混粉準(zhǔn)干式放電強化所得強化層形貌如圖1所示，圖中表示法以圖1(a)為例，6.6A/8.2A 石墨電極:表示以石墨為電極，先用6.6 A的脈沖電流強化TC4鈦合金，然后用8.2A電流再次強化已強化表面，其它組與此類似。在圖1(a)、(b)中，強化層粗糙度高于紫銅下的合金化層。因為電場產(chǎn)生的壓力使熔融金屬飛濺，顯微組織形狀不規(guī)則，大致呈棱角狀，且多層疊，表面有散落的熔融的凝聚金屬小顆粒。石墨電極易脫落和拉弧，導(dǎo)致較多的合金顆粒熔融冷卻凝聚在強化層表面。

圖1(c)、(d)采用相同的強化參數(shù)，改用紫銅為放電電極，其強化層整體質(zhì)量較好，表面光潔度較高，但強化表面有微裂紋和氣孔。在脈沖放電過程中，高溫高壓下TC4鈦合金基體局部體積熔融膨脹，受到周圍金屬的限制，此時強化層受到周圍金屬壓應(yīng)力作用，放電結(jié)束后，強化層急劇冷卻，熔融區(qū)域體積劇烈收縮，強化層因周圍金屬的限制而受拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過強化層在該溫度下的強度極限時，強化層受表面張力、內(nèi)聚力、拉壓應(yīng)力和熱疲勞作用等影響，導(dǎo)致強化層表面出現(xiàn)不同程度的疲勞微裂紋。隨著放電強化過程的進行，熱疲勞裂紋不斷增長，致使強化層裂紋邊緣褶皺，但表面相對平整。此外，熔融金屬的驟熱驟冷使氣體來不及析出，導(dǎo)致形成微小氣孔，出現(xiàn)在強化層表面某些區(qū)域。

圖1 不同工藝下形成的強化層SEM形貌

3 強化層性能測試及結(jié)果分析

3.1 強化層顯微硬度

在TC4鈦合金基體和a、b、c、d試樣強化層上隨機選取6個不同點，測其顯微硬度值如表1，由表知，基體TC4鈦合金的平均顯微硬度約為520 HV，而經(jīng)改性后強化層硬度值均高于TC4鈦合金基體，約為基體的2～3倍。強化層硬度的提高主要源于合金化層內(nèi)相組成的變化，在放電強化時，高溫高壓下熔融區(qū)域相互熔滲和擴散，發(fā)生劇烈的物理化學(xué)反應(yīng)，重新合金化成含有多種組成相的硬化層;在瞬間冷卻的過程中，多次的放電可使合金化層顯微組織細(xì)化，均勻晶格空隙，有效減少微裂紋，降低組織內(nèi)熱應(yīng)力，提高表面硬度;再者，溫度的驟熱驟降增大了TC4鈦合金基體中B4C粉末和空氣電離離子等元素的固溶度，從而顯著提高強化層顯微硬度。

表1 不同位置處基體和強化層顯微硬度 /HV

采用石墨電極放電所得強化層顯微硬度值高于使用紫銅電極，但其不同位置處顯微硬度值落差較大，原因是采用石墨電極進行放電強化時，高溫高壓下電極材料熔化后在電流作用下引起迸濺，摻和工件材料和強化粉末冷凝聚集在工件表面，形成凸凹不平的合金化組織，使其硬度值波動顯著。另外，基于石墨顆粒易脫落和掉渣，混在強化層組織中，測定硬度時，有可能恰好選擇石墨顆粒聚集處，從而出現(xiàn)異常大的硬度值。而紫銅材料組織機構(gòu)優(yōu)于石墨，物理性能較穩(wěn)定，強化結(jié)果顯示各點處硬度值變化平緩，強化層硬度值均勻且離散性較小，在1 200 HV左右浮動，合金化層力學(xué)性能更加穩(wěn)定，即強化效果相對較好。因此電極材料成分不同，電火花表面合金化層組成相也不同，以至于強化層顯微硬度值存在差異。

3.2 強化層耐磨性能試驗分析

通過摩擦磨損實驗，測得試驗前后試樣質(zhì)量如表2，由表可見，TC4鈦合金基體實驗前后失重最大，經(jīng)處理的試樣磨損量約為未處理試樣的1/7左右，即在混粉準(zhǔn)干式介質(zhì)中所得強化層磨損量較小，可見強化層對工件耐磨性能的改善至關(guān)重要。

強化層的耐磨性能與合金化層微觀組織致密程度和粗糙度有密切關(guān)系，如，孔洞的多少和大小，間隙裂縫的寬窄等因素。而摩擦磨損最初是從這些缺陷處引起，在施加的作用力下不斷磨損。本實驗采用兩種電流進行強化，在一定程度上能減少急速冷卻時因氣泡引起的孔洞，可細(xì)化顯微組織，彌補間隙微裂紋，改善強化層表面微觀不平度。所以在保證強化層表面質(zhì)量和其它性能的前提下，可適當(dāng)增加強化次數(shù)，提高強化層顯微硬度，進而改善強化層耐磨性能。

表2 摩擦磨損試驗結(jié)果 /g

但采用不同強化工藝所得強化層耐磨性也有差別，在不同電流和不同熱學(xué)性能的電極材料下，電火花強化層化學(xué)組成成分和內(nèi)部熱應(yīng)力存在差異，這對合金化層耐磨性也產(chǎn)生很大影響。采用石墨電極放電時，合金化層表面獲得含有碳化物的高硬度化合物層，得到的強化層耐磨性略高于紫銅電極，盡管耐磨性與顯微硬度無相應(yīng)關(guān)系，但耐磨失量有隨硬度的增加而降低的趨勢。此外，這與電極的化學(xué)性能、機械性能以及強化材料濃度等因素也有關(guān)。由此也可看出，混粉準(zhǔn)干式電火花表面強化是十分復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，融合了熱力學(xué)、流體力學(xué)以及能量轉(zhuǎn)換等多種學(xué)科及相關(guān)理論，所以研究強化工藝的的微觀過程對研究合金化層的形成機理具有重要意義。

4 結(jié)論

(1)在混粉準(zhǔn)干式介質(zhì)中，不同工藝放電強化TC4鈦合金，強化層微觀組織形貌各有差異。石墨電極下強化層表面凸凹不平，粗糙度較大;而紫銅電極下合金化層則組織均勻致密，表面結(jié)構(gòu)平整且連續(xù)性較好，表面不平度和光潔度均優(yōu)于前者，但有疲勞微裂紋。

(2)強化層顯微硬度均高于基體(519.8 HV)，說明了合金化層有助于提高工件表面硬度。采用石墨電極得到的強化層顯微硬度高于使用紫銅電極，約為基體材料顯微硬度的3倍。

(3)試驗參數(shù)下，處理后試樣的耐磨性能約為基體材料的7倍左右，顯著提高了基體工件的耐磨性。

(4)綜合試驗強化效果來看，其它試驗條件相同，采用紫銅電極，先用6.6A脈沖電流后8.2A脈沖電流的強化工藝所得強化層整體性能較好。

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