劉士杰 蔡蘭蓉 李 敏 趙俊領(lǐng)

(①天津市高速切削與重點(diǎn)加工實(shí)驗(yàn)室，天津300222；②天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222)

鈦及鈦合金作為一種新型的工業(yè)金屬材料，因其密度小、比強(qiáng)度高、耐熱性、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用于航空航天、武器裝備制造等領(lǐng)域，但其存在耐磨性差、硬度低等缺陷，需要對(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)化[1-2]。

混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化是一種新型特種表面強(qiáng)化技術(shù)，該技術(shù)解決了傳統(tǒng)電火花強(qiáng)化層增強(qiáng)體種類單一的問題[3]。但隨著研究的進(jìn)一步加深，鈦合金表面強(qiáng)化層出現(xiàn)的顯微裂紋制約了強(qiáng)化層性能的提升，顯微裂紋逐漸成為影響強(qiáng)化層性能和壽命的關(guān)鍵因素[4]。李敏等[5]在混粉準(zhǔn)干介質(zhì)下試驗(yàn)獲得較好的強(qiáng)化層，并初步研究了強(qiáng)化層裂紋產(chǎn)生的原因；呂占竹等[6]指出了峰值電流、脈寬、工件材料、粉末種類等因素對(duì)裂紋的影響；鐘敏森等[7]通過對(duì)激光熔覆Nicrisb合金，對(duì)形成的強(qiáng)化層進(jìn)行研究，得出減少激光熔覆層裂紋的主要方法是從工藝上降低熔覆過程的殘余拉應(yīng)力；湯精明、姜忠宇等[8]通過對(duì)電火花表面強(qiáng)化層的應(yīng)力場(chǎng)分析，得出采用梯度強(qiáng)化和熱處理工藝可以有效地改變電火花強(qiáng)化層的應(yīng)力分布，從而控制裂紋的萌生數(shù)量和分布位置。P.Govindan，Suhas S.Joshi等[9]從微裂紋的長(zhǎng)度、數(shù)量和開裂方向入手對(duì)電火花表面強(qiáng)化過程中的微裂紋進(jìn)行了深入研究，得出:混粉準(zhǔn)干電火花加工條件下產(chǎn)生的微裂紋平均長(zhǎng)度和數(shù)量密度比在液體電介質(zhì)電火花加工條件下產(chǎn)生的低。徐明剛等[10]通過研究表明電火花加工熱應(yīng)力大小與工件材料的熱膨脹系數(shù)、縱彈性系數(shù)等性能有關(guān)，同時(shí)與放電區(qū)域熔融物質(zhì)冷卻過程產(chǎn)生的的溫度梯度成正比，溫度梯度越大，熱應(yīng)力就越大，熱應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限時(shí)便可在材料的局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)工件表面局部應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，材料表面便會(huì)產(chǎn)生裂紋。

本文重點(diǎn)研究了不同參數(shù)條件下加工TC4基體材料的強(qiáng)化層裂紋萌生分布情況，探究了不同強(qiáng)化參數(shù)對(duì)裂紋的影響，初步總結(jié)了裂紋萌生數(shù)量較少，強(qiáng)化層硬度性能較好的加工參數(shù)范圍。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文主要以峰值電流、電極極性、脈沖寬度等幾個(gè)方面作為本實(shí)驗(yàn)的主要研究因素。試驗(yàn)采用石墨電極，基體材料為TC4鈦合金，尺寸為20 mm×20 mm×5 mm。強(qiáng)化介質(zhì)為去離子水，強(qiáng)化材料為Al粉，粉末顆粒為1μm，強(qiáng)化混合介質(zhì)密度為0.3 g/L，采用峰值電流5.3/6.6/8.2 A，脈沖電壓120 V，脈沖寬度60/80/100 μs，脈間 100 μs。

本實(shí)驗(yàn)通過觀察強(qiáng)化層表面形貌特征和組織結(jié)構(gòu)，分析裂紋的產(chǎn)生分布情況，采用HMV-2T顯微硬度計(jì)對(duì)強(qiáng)化層進(jìn)行顯微硬度測(cè)定，實(shí)驗(yàn)的加載力為200 g，保載時(shí)間為15 s，測(cè)量多組不同位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取均值作為衡量強(qiáng)化層整體硬度的標(biāo)準(zhǔn)。

通過image-j軟件對(duì)強(qiáng)化層裂紋長(zhǎng)度、數(shù)量等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，裂紋分布見表1。

表1 強(qiáng)化層裂紋分布情況

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 峰值電流

由圖1a可以看出，電流較小時(shí)(Ip＝5.3 A)，裂紋萌生數(shù)量較少，分布比較分散，尺寸短小，裂紋開口寬度較小，無裂紋交叉的現(xiàn)象。短裂紋主要集中分布于熔融枝狀物或花瓣?duì)罱M織較細(xì)部分。圖1b裂紋萌生數(shù)量逐漸增多，長(zhǎng)度較圖1a有所增長(zhǎng)但仍為單段短裂紋。裂紋源主要為熔融枝狀物、花瓣?duì)罱M織較細(xì)部分及較大飛濺熔滴。圖1c裂紋數(shù)量明顯增多，長(zhǎng)度、開口寬度明顯增大，開始出現(xiàn)裂紋交匯，整體分布范圍有所增加，與圖a、b相比，孔隙缺陷處成為裂紋源。這是由于電火花放電強(qiáng)化過程中會(huì)產(chǎn)生大量熔融金屬飛濺物，放電結(jié)束，放電通道內(nèi)散熱較快，熔融金屬凝固過程表面各處過冷度是不一樣的，花瓣?duì)罱M織及熔融枝狀物散熱較快率先凝固，蝕坑內(nèi)部凝固過程較慢，兩者溫度梯度較大因而放電蝕坑內(nèi)凝固金屬將會(huì)對(duì)冷卻枝狀組織產(chǎn)生一定拉應(yīng)力，應(yīng)力達(dá)到冷凝金屬屈服強(qiáng)度極限就會(huì)產(chǎn)生裂紋。峰值電流較小時(shí)，放電能量較小，放電能量對(duì)基體材料影響較小，放電蝕坑相對(duì)集中且直徑較小，參與反應(yīng)熔融強(qiáng)化介質(zhì)較少，飛濺熔滴少且小，冷卻后產(chǎn)生裂紋也相對(duì)短小，數(shù)量較少。隨峰值電流增大放電能量增大，單次脈沖放電范圍增大，放電能量對(duì)材料基體影響較深，參與反應(yīng)強(qiáng)化介質(zhì)熔融充分，蝕除材料飛濺劇烈，花瓣?duì)罴爸钊廴诶鋮s組織生長(zhǎng)茂盛，裂紋分布位置及數(shù)量也相應(yīng)增多。

綜合圖1可以看出，隨電流的增大，強(qiáng)化層表面熔池面積明顯增大，深度明顯減小，金屬熔融飛濺物增多且尺寸較大，強(qiáng)化層菊花瓣?duì)钕嘟M織疊加嚴(yán)重，表面粗糙度值逐漸增大。峰值電流對(duì)裂紋的萌生有明顯影響，每種電流加工狀態(tài)下的強(qiáng)化層都有裂紋的萌生，整體成分散性分布，主裂紋附近無微裂紋，每個(gè)裂紋尺寸都比較小且大都是平滑型短裂紋。裂紋的平均長(zhǎng)度、長(zhǎng)度密度隨峰值電流的增大先變小后變大。

2.2 脈沖寬度

由圖2a可以看出，脈寬較小時(shí)(ton＝60μs)，放電蝕坑相對(duì)較小較深，枝狀組織生長(zhǎng)短小，表面粗糙度值相對(duì)較大，產(chǎn)生的微裂紋都是平滑型短裂紋，分布于飛濺冷卻后的枝狀組織較細(xì)部分，呈無規(guī)則分散性分布，放電蝕坑處幾乎無裂紋分布，裂紋開口寬度較小。由圖2b、c可以看出，強(qiáng)化層表面枝狀組織逐漸變得粗大，數(shù)量增多，放電蝕坑變得大而淺，層與層之間疊加緊密，表面附著的飛濺熔滴逐漸增多。這是因?yàn)殡S脈沖寬度的增加，放電能量和放電通道逐漸均勻增大，使得工件表面產(chǎn)生較大面積的均勻放電蝕坑，較高的能量使得反應(yīng)拋出的熔融物質(zhì)生長(zhǎng)茂盛，疊加更加緊密。結(jié)合圖2可以看出，隨脈沖寬度的增加，裂紋總長(zhǎng)度及裂紋長(zhǎng)度密度也逐漸增大，裂紋開口角度、開口寬度逐漸增大。強(qiáng)化層裂紋主要是分散性分布的短裂紋且均為沿放電痕分布，分布范圍增大，強(qiáng)化層表面裂紋具有細(xì)、短、小的特點(diǎn)，主要萌生于熔融飛濺物較細(xì)部分或疊加層邊緣。這是由于放電脈寬的增加，放電能量逐漸增大，單次放電蝕除材料增多，熔融物飛濺劇烈導(dǎo)致熔融組織相互疊加嚴(yán)重，熔融物中各點(diǎn)溫度和溫度變化率不一致，外部冷卻速率快，溫度低，內(nèi)部溫度變化速率小，相對(duì)溫度高，冷卻后很容易使局部變形超過材料塑性極限，從而產(chǎn)生表面裂紋和內(nèi)裂紋。

2.3 電極極性

由圖3a可以看出，對(duì)于石墨電極鈦合金基材混鋁粉來說，負(fù)極性加工表面存在零星分散性分布的短裂紋，主裂紋附近無裂紋和分支，大多萌生于熔融枝狀物邊緣，且橫穿枝狀物較細(xì)的部分，開口寬度與裂紋深度比相對(duì)較大。圖3b正極性加工裂紋萌生數(shù)量、分布范圍要明顯大于負(fù)極性加工。表面顯微裂紋數(shù)量較多且擴(kuò)展延伸到層與層疊加處或孔洞缺陷處，有時(shí)甚至穿越疊加層，整體成細(xì)小網(wǎng)狀分布，主裂紋附近存在3～5個(gè)不等的裂紋分枝，90%的裂紋節(jié)點(diǎn)都是3個(gè)分支，分布在主裂紋兩側(cè)，幾乎沒有有穿越主裂紋的分支出現(xiàn)。由圖3a、b對(duì)比可以看出，不同極性強(qiáng)化層表面都不可避免會(huì)出現(xiàn)顯微裂紋，但裂紋嚴(yán)重程度大不相同，電極正極性加工產(chǎn)生的裂紋數(shù)量、總長(zhǎng)度、平均長(zhǎng)度、長(zhǎng)度密度均比負(fù)極性加工大，其中正極性加工產(chǎn)生的裂紋數(shù)量、平均長(zhǎng)度約為負(fù)極性加工的4倍。這主要是因?yàn)樨?fù)極性加工條件下，正離子運(yùn)動(dòng)的到充分加速，對(duì)負(fù)極的轟擊作用加強(qiáng)，兩極放電點(diǎn)的大小形狀不同，正極性表面放電點(diǎn)遠(yuǎn)比負(fù)極性表面放電點(diǎn)大，因而，負(fù)極放電點(diǎn)的溫度高于正極性放電點(diǎn)的溫度，這樣經(jīng)過一次放電，負(fù)極表面便能形成較深的放電蝕坑，熔融蝕除材料拋出充分，正極表面則由于熱量相對(duì)分散，只能形成淺而平的放電蝕坑，不同脈沖放電產(chǎn)生的熔融材料相互堆疊，冷卻收縮，產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，因而裂紋相對(duì)密集且數(shù)量多。

2.4 強(qiáng)化層顯微硬度

由圖4a柱狀圖數(shù)據(jù)可以看出，隨峰值電流的增加，裂紋長(zhǎng)度密度逐漸增大，但整體增長(zhǎng)相對(duì)平緩。脈寬較小時(shí)對(duì)裂紋長(zhǎng)度密度的影響不太明顯。正極性強(qiáng)化條件下強(qiáng)化層裂紋長(zhǎng)度密度遠(yuǎn)大于其他加工條件。由圖4b可以看出不同峰值電流、脈沖寬度條件下得到的強(qiáng)化層硬度均較基體有較大提升。隨著峰值電流、脈寬增加，放電能量增大，參與反應(yīng)強(qiáng)化介質(zhì)增多，熔融強(qiáng)化層均勻致密，強(qiáng)化相占比增大，硬度增大。但由于不同電流、脈寬產(chǎn)生的放電能量不同，使得參與反應(yīng)的強(qiáng)化材料不充分，產(chǎn)生的強(qiáng)化相比例及形態(tài)可能存在差別，導(dǎo)致不同峰值電流、不同脈寬加工條件下的強(qiáng)化層硬度值有所不同。綜合強(qiáng)化層表面形貌、裂紋分布、硬度性能可以看出，峰值電流6.6～8.2 A、脈寬80～100μs條件下整體效果較好。

綜合硬度測(cè)試參數(shù)可以看出，對(duì)于鈦合金基體混鋁粉強(qiáng)化來說，負(fù)極性加工相比于正極性加工表面硬度性能較好，裂紋分布較少，但表面形貌較差，粗糙度值較大，說明對(duì)于電火花表面強(qiáng)化加工來說，不同基體材料選擇合適的電極極性，能有效改善強(qiáng)化層表面粗糙度，避免大范圍裂紋的萌生。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)隨峰值電流、脈沖寬度的增加裂紋數(shù)量、長(zhǎng)度密度基本呈增加趨勢(shì)，石墨電極正極性強(qiáng)化層裂紋數(shù)量、長(zhǎng)度密度、平均長(zhǎng)度要遠(yuǎn)大于負(fù)極性強(qiáng)化。

(2)強(qiáng)化層裂紋多為分散性分布的短裂紋，幾乎沒有有穿越主裂紋的分支出現(xiàn)，且易萌生于強(qiáng)化層枝狀組織較細(xì)部位、疊加邊緣及氣孔缺陷處。

(3) 峰值電流6.6～8.2 A、脈寬80～100 μs、負(fù)極性加工條件下裂紋萌生數(shù)量較少，強(qiáng)化層硬度性能最好。