胡小康 管小燕 任近靜 任家隆

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

亞干式噴霧冷卻技術(shù)對TC4合金金相組織的影響研究**

胡小康 管小燕 任近靜 任家隆

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

用亞干式中噴霧冷卻方式對加熱至特定溫度的TC4合金進(jìn)行冷卻試驗(yàn)，觀察試件金相組織，并研究冷卻方法及條件對試件材料微觀組織的演化和規(guī)律。分析表明：亞干式噴霧冷卻技術(shù)影響且可以顯著改善TC4合金的金相組織，隨著加熱溫度的不同，被冷卻后試件材料的組織有不同的組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)。研究和比較冷卻TC4合金試驗(yàn)的冷卻條件和相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)及形態(tài)，初探其演變規(guī)律；以期應(yīng)用優(yōu)化的冷卻參數(shù)指導(dǎo)人們獲得所需要的被加工工件表面金相組織和使用性能。

噴霧冷卻；TC4合金；微觀組織；冷卻參數(shù)

鈦合金[1]具有高強(qiáng)度、耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于國防、航空等各個(gè)領(lǐng)域；但是鈦合金也具有切削加工溫度高、加工時(shí)易磨損刀具等特點(diǎn)，使得鈦合金難以被加工。在銑削加工鈦合金時(shí)，加工過程中會產(chǎn)生很高的熱量，極易使刀具磨損，工件表面金相組織發(fā)生改變，從而影響被加工材料的原始組織和使用性能；在對材料進(jìn)行加工后，人們往往希望得到的被加工材料表面金相組織細(xì)小而均勻，使用性能不低于甚至高于原始材料。通常，晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)的晶粒界面就會越多，晶界之間的原子排列相對于晶粒來說更為復(fù)雜，錯(cuò)位密度也更高，所以晶粒細(xì)化會導(dǎo)致材料的強(qiáng)度提高，本研究的目的就是探討通過優(yōu)化工藝措施方法達(dá)到上述目標(biāo)的可能性和途經(jīng)。

隨著綠色制造[2-5]的逐步實(shí)施，微潤滑冷卻和低溫噴霧冷卻等亞干式切削加工冷卻方式[6-9]相繼被推廣。這些冷卻方式在解決了使用傳統(tǒng)冷卻液冷卻對環(huán)境不同程度污染的同時(shí)，也為保證被加工材料表面質(zhì)量的研究提供了一條重要和可靠的途經(jīng)，該研究是今后亞干式切削加工冷卻方式的研究方向。本文運(yùn)用綠色制造技術(shù)對TC4合金進(jìn)行亞干式不同條件的冷卻，觀察不同冷卻參數(shù)下得到的金相組織結(jié)構(gòu)，以期探討他們之間的規(guī)律和優(yōu)化條件。

1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)原理簡介

在切削加工中，由于刀具與工件、刀具與切屑在加工區(qū)域存在強(qiáng)烈的摩擦與擠壓作用，使工件被加工區(qū)域的溫度升高；選擇不同切削參數(shù)的，工件被加工區(qū)域的溫度也不同，當(dāng)溫度升高到使TC4合金發(fā)生固態(tài)相變時(shí)，被加工工件TC4合金表面的金相組織會發(fā)生不同程度的改性和演變，從而影響被加工工件材料加工前原有的使用性能。

本研究用加熱爐模擬對TC4合金試樣進(jìn)行切削時(shí)所能達(dá)到的切削溫度，然后將不同劑量的冷卻介質(zhì)水在冷風(fēng)射流機(jī)的作用下形成霧化噴向試樣表面進(jìn)行冷卻。通過選取和調(diào)節(jié)冷卻參數(shù)進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，觀察在不同冷卻參數(shù)下得到的TC4表面金相組織，探索TC4合金試驗(yàn)的冷卻條件和相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)及形態(tài)之間的演變規(guī)律；以期應(yīng)用優(yōu)化的冷卻參數(shù)指導(dǎo)人們獲得所需要的被加工工件表面金相組織和使用性能。

1.2 試驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)定

本試驗(yàn)選用的主要實(shí)驗(yàn)裝置有：綠色射流冷卻實(shí)驗(yàn)及檢測系統(tǒng)(-50 ℃)、加熱爐(最高溫度1 100 ℃)和ZEISS大型金相顯微鏡等。本試驗(yàn)加熱爐加熱溫度范圍選為400～700 ℃；綠色射流冷卻實(shí)驗(yàn)及檢測系統(tǒng)選用室溫，默認(rèn)為20 ℃，冷卻介質(zhì)水的劑量選為1～10 mL/min；ZEISS大型金相顯微鏡的放大值選為500倍。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)綠色射流冷卻機(jī)的射流壓力，將一定劑量的水與高壓空氣攪拌融合，形成噴霧狀從噴口，射向被加熱的試件表面。

2.1 試樣溫度為400 ℃時(shí)選用不同水劑量冷卻試樣得到的表面金相組織

由圖1可以看出，試樣在400 ℃冷卻時(shí)表面金相組織的變化不是很明顯，但是此時(shí)已經(jīng)有亞穩(wěn)態(tài)的β相轉(zhuǎn)變成α相，轉(zhuǎn)換公式為亞穩(wěn)態(tài)β=β+α，局部有新的相析出，呈現(xiàn)細(xì)小的針狀和短棒狀。對比圖1a、b和c，可以看出隨著水劑量的增大，試樣的冷卻速度增加，易新生α相晶粒且更細(xì)，這是因?yàn)楫a(chǎn)生α相需要相應(yīng)的冷卻速度，而晶粒的長大卻需要在相應(yīng)溫度下保持一定時(shí)間。而隨著冷卻速度的增加，α相晶粒得到保溫的時(shí)間縮短，被迅速冷卻到晶粒不能長大的溫度，所以晶粒會相應(yīng)變得更細(xì)。隨著水劑量的增加試件表面的冷卻速度并沒有進(jìn)一步增加，由于驟冷作用減弱，亞穩(wěn)態(tài)β相的轉(zhuǎn)變程度變小，對比圖1c和d，發(fā)現(xiàn)圖1c中析出的針狀α相更多；而圖1e和f中，只有少量的針狀相出現(xiàn)，說明冷卻速度對亞穩(wěn)態(tài)β相的轉(zhuǎn)變有一定影響，冷卻速度過快會導(dǎo)致轉(zhuǎn)變程度減小，而且轉(zhuǎn)變所生成的α相較小，大部分會以點(diǎn)狀形式存在于β相晶體內(nèi)，不易被察覺。

綜合分析可以看出，在試樣溫度為400 ℃時(shí)，選用水劑量為3 mL/min的速度進(jìn)行試樣表面冷卻，得到的TC4合金表面金相組織最好。

2.2 試樣溫度為550 ℃時(shí)選用不同水劑量冷卻試樣得到的表面金相組織

由圖2可以看出，試樣在550 ℃冷卻時(shí)表面金相組織變化非常明顯，有較多的相生成，但是伴隨著水劑量的不同，生成的α相形態(tài)也不一樣。在圖2a與圖2b中，由于水劑量較小，冷卻速度較慢，使得試樣的保溫時(shí)間較長，金相組織圖片中出現(xiàn)了成片的初生α相晶粒，每一片α相晶粒由相對粗大的針狀相平行構(gòu)成，沿β相的晶界排列，形成了基體為片狀α+β相晶界的魏氏組織，由于該組織中α相為片狀，晶粒相對粗大，會使得材料的力學(xué)性能下降，影響材料的表面質(zhì)量。

在圖2c和2d中，隨著冷卻速度的增加，α相晶粒不再呈片狀析出，有部分α相在β相晶體內(nèi)部析出，且呈現(xiàn)針狀，獨(dú)立的α相沿晶粒長度和寬度方向均有長大趨勢，相對于前面生成的魏氏組織晶粒更細(xì)、更均勻些，材料的力學(xué)性能得到了一定的改善，表面質(zhì)量有明顯的提高；當(dāng)水劑量為6 mL/min冷卻試樣時(shí)，得到圖2e所示金相組織，由于冷卻速度的增加，初生α相得不到較長時(shí)間的保溫而無法長大，以細(xì)小針狀和點(diǎn)狀形式被析出；隨著水劑量的進(jìn)一步增加，試件的冷卻速度的變化，亞穩(wěn)態(tài)β相此時(shí)的分解程度明顯變小，這一點(diǎn)在圖2f中得到進(jìn)一步驗(yàn)證。圖2e金相組織在圖組中更為均勻、細(xì)小。

綜合分析可以看出，在試樣溫度為550 ℃時(shí)，選用水流劑量為6 mL/min的速度進(jìn)行冷卻，得到的TC4合金表面金相組織最好。

2.3 試樣溫度為700 ℃選用不同水劑量冷卻試樣得到的表面金相組織

由圖3可以看出，初生相在試樣為700 ℃冷卻時(shí)有明顯長大現(xiàn)象，當(dāng)水劑量為3 mL/min時(shí)，冷卻速度較慢，試樣在相對高溫下保溫時(shí)間較長，在相晶體內(nèi)生成的相相對粗大，觀察圖3a以及3b，可以看到較多黑色的β相晶體內(nèi)部有粗大的α相生成。隨著冷卻速度的增大，β相晶體內(nèi)部生成的α相得不到較長的保溫時(shí)間，有明顯減小趨勢，在圖3c和3d中，初生相更多的呈現(xiàn)針狀沿晶界長出，在β晶體內(nèi)部仍有圓點(diǎn)狀α相析出，但比圖3a和3b圖中初生相小。

在圖3e和3f中，由于冷卻速度的進(jìn)一步增大，β相晶體內(nèi)部生成的相晶粒α相對于前面進(jìn)一步被細(xì)化，而且晶粒大小相對比較均勻，材料的表面質(zhì)量相對于前面有了明顯的提高。

在圖3g和3h中，水劑量達(dá)到9 mL/min以及10 mL/min時(shí)，相同的試件溫度，由于水劑量的進(jìn)一步增加，試件表面汽化水劑量能力并沒有增加，不能汽化升騰的冷卻介質(zhì)形成水膜，阻礙冷卻使試件的冷卻速度沒有進(jìn)一步增加乃至降低，亞穩(wěn)態(tài)β相的分解程度相對于前面有所下降，得到的初生α相也相對較少。不易發(fā)現(xiàn)。

綜合分析可以看出，在試樣溫度為700 ℃時(shí)，選用水劑量為8 mL/min的速度進(jìn)行冷卻，得到圖3f的TC4合金表面金相組織最好。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

(1)亞干式噴霧冷卻時(shí)，在一定的條件下，隨著水劑量的增加，試件表面冷卻速度增加，TC4合金表面金相組織更細(xì)、更均勻；但冷卻速度太高，會抑制亞穩(wěn)態(tài)β相的分解，不能得到理想的組織結(jié)構(gòu)。所以試樣在每一種溫度下，就TC4合金表面金相組織細(xì)化程度而言，都會有一個(gè)最佳的冷卻參數(shù)和冷卻速度。

(2)本文所在條件下，試驗(yàn)得到的優(yōu)化冷卻參數(shù)和相應(yīng)組織是：

①TC4合金在400 ℃進(jìn)行噴霧冷卻時(shí)有少量針狀α相析出，β相晶體內(nèi)部開始有α相析出，但兩種形式析出的α相均不明顯，選用水劑量為3 mL/min時(shí)得到的冷卻速度對試樣進(jìn)行冷卻，TC4合金表面金相組織最好。

②TC4合金在550 ℃進(jìn)行噴霧冷卻時(shí)表面金相組織變化非常明顯，亞穩(wěn)態(tài)相的分解程度最高，且初生α相呈針狀，主要沿β相晶界平行分布，部分相晶體內(nèi)部有相析出，選用水劑量為6 mL/min時(shí)得到的冷卻速度對試樣進(jìn)行冷卻，TC4合金表面金相組織最好。

③TC4合金在700 ℃進(jìn)行噴霧冷卻時(shí)可以明顯看到相晶體內(nèi)部有粗大的相析出，針狀相有明顯長大跡象，晶粒相對粗大，且亞穩(wěn)態(tài)相的分解程度有所降低，選用水劑量為8 mL/min時(shí)得到的冷卻速度對試樣進(jìn)行冷卻，TC4合金表面金相組織最好。

(3)在工業(yè)4.0背景下，以綠色制造為先導(dǎo)，綠色制造工藝的精準(zhǔn)研究才能有利于傳統(tǒng)生產(chǎn)加工方式的革新，才能更好地服務(wù)現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用。

[1]沈正華. 鈦合金薄壁銑削變形有限元仿真及加工參數(shù)優(yōu)化[D]. 南京:南京航空航天大學(xué)，2009.

[2]孫建國. 論綠色切削液的必要性和可行性[J]. 潤滑與密封，2001(2)：68-74.

[3]Varadarajan AS，Philip PK, Ramamoorthy B．Investigation on hard turning with minimal fluid application(HTMF) and comparison with dry and wet turning [J]. Inter. J. of Machine Tools & Manufacfure, 2002, 42(2)：193-200.

[4]Mori M, Furuta M, Nakai T, et al. High Speed Machining of Titanium by New PCD Tools[J]. SAE Technical Paper, 1999(1)：1-6.

[5]劉飛，張華，岳紅輝，等. 綠色制造——現(xiàn)代制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式[J]. 中國機(jī)械工程，1998，9(6)：76-78.

[6]劉獻(xiàn)禮，岳彩旭. 綠色切削技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J]. 航空制造技術(shù),2010(11):26-30.

[7]牛曉欽，王春燕.低溫微量潤滑切削技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2011(1):212-214.

[8]袁松梅，劉思，嚴(yán)魯濤.低溫微量潤滑技術(shù)在幾種典型難加工材料加工中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2011(14):45-47.

[9]Hong S Y, Ding Y. Cooling approaches and cutting temperatures in cryogenic machining of Ti6Al4V[J]. Inter. J. of Machine Tools & Manufacture, 2001, 41(10): 1417-1437.

(編輯 李 靜)

如果您想發(fā)表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

Study on the influence of spray cooling technology on microstructure of TC4 alloy

HU Xiaokang, GUAN Xiaoyan, REN Jinjing, REN Jialong

(Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, CHN)

Heat TC4 alloy to a certain temperature, then do cooling experiment by using spray cooling. Observe the microstructure of the sample and study the law of the inference of the cooling situation to the microstructure, the results show that: the microstructure of TC4 alloy can be significantly improved by the spray cooling technology; and with different heating temperature, the samples have different structure and form. Study and compare the difference of the microstructure, explore the law of evolution preliminary. We can use optimized cooling parameter to guide people to get microstructure and performance which we need.

spray cooling; TC4 alloy; microstructure; cooling parameter

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50845064)

TG156

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.005

2016-02-02)

161213