趙俊領(lǐng),蔡蘭蓉,李 敏

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

0 引 言

混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化技術(shù)被提出之后，一直是強(qiáng)化表面研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，并探索出很多新型的強(qiáng)化工藝[1-2]?，F(xiàn)階段在電火花加工領(lǐng)域，國內(nèi)外主要的研究內(nèi)容是如何改善加工工藝性能、提高硬度等[3-4]。然而對所獲得的強(qiáng)化層在高溫保溫條件下性能變化的研究很少，特別是強(qiáng)化層硬度和耐磨性等性能變化與其顯微組織微觀變化的聯(lián)系這一領(lǐng)域研究更少。因此，對混粉準(zhǔn)干式電火花強(qiáng)化所獲得的強(qiáng)化層在耐高溫性能這一領(lǐng)域上的探究是十分必要的，可以提供其在高溫環(huán)境中微組織變化的參照，也可以有更多的耐高溫性能指標(biāo)。

關(guān)于電火花表面強(qiáng)化的研究，特別是復(fù)合電極電火花表面強(qiáng)化技術(shù)這一領(lǐng)域，大多集中在工具電極的選擇、強(qiáng)化介質(zhì)放電環(huán)境的改善和放電參數(shù)的優(yōu)化[5]。電極在電火花加工中所起到的作用和影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合電極可以影響加工的效率和工件表面粗糙度[6]。

最近幾年的工業(yè)發(fā)展和科技創(chuàng)新應(yīng)用上，對于表面的耐磨損性能的提升得到了廣泛的關(guān)注，特別是通過抗高溫磨損性能的提高來保障機(jī)械工件的穩(wěn)定長效運(yùn)行，一般表面強(qiáng)化的合金組織在一定的高溫下進(jìn)行耐高溫沖擊試驗(yàn)，合金材料微裂紋且微裂紋起源于邊緣，不斷擴(kuò)展，形成裂縫[7-8]。

文中主要研究復(fù)合電極下電火花表面強(qiáng)化層上顯微組織，以及強(qiáng)化層表面耐磨性能，在耐高溫試驗(yàn)之后，不同復(fù)合電極的強(qiáng)化層上微觀組織與耐磨性能的變化。最后，通過對不同復(fù)合電極下強(qiáng)化層的表面觀測和耐高溫性能的研究，進(jìn)一步判定復(fù)合電極下加工強(qiáng)化層耐高溫性能，提供在高溫環(huán)境實(shí)際應(yīng)用下性能參照的標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)材料和方法

在AF1100型電火花成型機(jī)床上，應(yīng)用準(zhǔn)干式電火花復(fù)合電極強(qiáng)化TC4鈦合金表面，獲得具有一層強(qiáng)化層的鈦合金板材作為試驗(yàn)材料，尺寸為25 mm×25 mm×3 mm。電火花加工強(qiáng)化層過程中，復(fù)合電極采取不同加工順序，分別是先石墨后紫銅和先紫銅后石墨，放電參數(shù)中峰值電流8.2 A、脈沖寬度100 μs、脈沖間隙100 μs，脈沖電壓120 V，尺寸7 μm的B4C粉末顆粒與去離子水調(diào)配成0.3 g/L的溶液以霧狀的形式作為強(qiáng)化介質(zhì)，石墨和紫銅電極分別加工深度是0.05 mm，加工總深度為0.1 mm。

將試驗(yàn)材料樣品分別放入到瑪福特加熱爐中，溫度保溫為700 ℃，保溫時間為30 min，60 min和90 min，之后迅速放入常溫水(20 ℃)中冷卻。用Tescan VEGA TS 5136XM掃描電子顯微鏡觀測強(qiáng)化層的表面微觀形貌同耐高溫試驗(yàn)之前進(jìn)行對比分析，用MM-200型磨損試驗(yàn)機(jī)對樣品進(jìn)行磨損量的測試，設(shè)置轉(zhuǎn)速為200 r/min，載荷為100 N，試驗(yàn)時間為5 min。分別記錄測試過程中的磨損量。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 復(fù)合電極對TC4鈦合金表面強(qiáng)化層的影響

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，先紫銅電極加工后石墨電極加工，強(qiáng)化層上顯微組織呈現(xiàn)較多的長條型花瓣?duì)顝?qiáng)化相，蝕坑組織明顯，花瓣?duì)顝?qiáng)化相錯落有致，但花瓣?duì)顝?qiáng)化相之間有少量的片狀組織和裂紋存在。

圖1 不同復(fù)合電極強(qiáng)化層表面組織形貌

先石墨電極加工后紫銅電極加工，強(qiáng)化層上顯微組織呈現(xiàn)很多的熔覆型花瓣?duì)顝?qiáng)化相，強(qiáng)化相致密性較差，熔覆花瓣組織周圍存在很多堆疊型的強(qiáng)化相，而且整體粗糙度較好。

2.2 復(fù)合電極強(qiáng)化TC4鈦合金表面強(qiáng)化層耐高溫試驗(yàn)

2.2.1 紫銅到石墨復(fù)合電極強(qiáng)化TC4鈦合金強(qiáng)化層的耐高溫試驗(yàn)

在700 ℃條件下，當(dāng)保溫時間是30 min時，強(qiáng)化層上花瓣組織遇高溫后凸顯出亮白色，在花瓣組織周圍出現(xiàn)黑色的燒蝕組織；保溫時間60 min后，強(qiáng)化層上花瓣?duì)顝?qiáng)化相逐漸變成亮白色，且花瓣組織上開始出現(xiàn)裂紋，周圍組織出現(xiàn)也逐漸變成亮白色；保溫90 min后，強(qiáng)化層逐漸變成暗灰色，花瓣?duì)顝?qiáng)化相上裂紋進(jìn)一步增多，周圍組織變成暗灰色，且出現(xiàn)細(xì)小板結(jié)化組織。這是由于紫銅電極加工后石墨電極加工過程中，當(dāng)紫銅電極加工時，TC4鈦合金表面先是生成一層熔覆型花瓣?duì)顝?qiáng)化相，石墨電極加工后，強(qiáng)化層上生成更多的長條花瓣?duì)顝?qiáng)化相，含有TiC、TiB、TiB2等強(qiáng)化相[9-10]，這些強(qiáng)化相分布均勻。當(dāng)在高溫環(huán)境中，由于花瓣?duì)顝?qiáng)化相組織的凹凸性的特點(diǎn)，受熱不均勻，導(dǎo)致花瓣?duì)顝?qiáng)化相產(chǎn)生大量的熱應(yīng)力，為裂紋產(chǎn)生提供能量。

圖2 強(qiáng)化層在不同保溫時間下的表面組織形貌

2.2.2 石墨到紫銅復(fù)合電極強(qiáng)化TC4鈦合金強(qiáng)化層的耐高溫試驗(yàn)

在700 ℃條件下，當(dāng)保溫時間是30 min時，強(qiáng)化層表面全部燒蝕狀態(tài)，出現(xiàn)嚴(yán)重的板結(jié)化狀態(tài)現(xiàn)象，表面強(qiáng)化層已變成灰白色狀片層組織；當(dāng)保溫60 min后，強(qiáng)化層表面產(chǎn)生宏觀裂紋，且部分強(qiáng)化層組織脫落，出現(xiàn)部分強(qiáng)化層脫落現(xiàn)象；當(dāng)保溫90 min后，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，所加工的強(qiáng)化層大面積脫落，出現(xiàn)表面上凹凸不平的燒蝕表面。這是由于先石墨電極加工TC4鈦合金表面，生成強(qiáng)化相TiC，具有提高硬度和耐磨性的作用，在紫銅電極加工后，由于紫銅是連續(xù)性晶體結(jié)構(gòu)，熱膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)致強(qiáng)化表面上強(qiáng)化相二次熔融再凝固，使得生成的TiC等部分強(qiáng)化相熔融凝固過程中遭到一定的破壞。在高溫環(huán)境中，發(fā)生嚴(yán)重的氧化反應(yīng)，使得強(qiáng)化層失效脫落。

2.3 強(qiáng)化層耐磨性

表1測量了不同條件下，樣品從磨損前到磨損后的質(zhì)量變化，得出樣品的磨損量。

表1 不同條件下樣品的磨損量

在圖4中可以看出，復(fù)合電極加工條件下，帶有強(qiáng)化層的鈦合金板材相比于基體板材磨損量低，在先紫銅后石墨電極復(fù)合加工條件下，磨損量最低；從圖5中發(fā)現(xiàn)，在700 ℃高溫條件下，保溫一段時間后，無論是那種復(fù)合電極順序條件下，其磨損量均升高。當(dāng)保溫30 min時，先石墨后紫銅電極復(fù)合強(qiáng)化條件下的磨損量升高值大于先紫銅后石墨電極強(qiáng)化的磨損量；之后，保溫60 min時，磨損量都逐漸的升高，但幅度逐漸降低；在保溫90 min時，先石墨后紫銅電極復(fù)合強(qiáng)化條件的磨損量幅度變化小，兩種復(fù)合電極條件下的磨損量升高值逐漸接近；但在整個保溫過程中，先紫銅后石墨電極強(qiáng)化條件下磨損量的升高值一直低于先石墨后紫銅電極強(qiáng)化條件下的磨損量，但其強(qiáng)化層磨損量依然低于基體表面。這是由于當(dāng)石墨電極強(qiáng)化TC4鈦合金表面時，生成的強(qiáng)化層中含有大量的TiC等含有碳元素強(qiáng)化相在高溫的條件下，發(fā)生一定的氧化反應(yīng)，使得強(qiáng)化層的耐磨損性能下降。

圖4 基體與不同復(fù)合電極強(qiáng)化表面的磨損量

圖5 強(qiáng)化層受高溫保溫后的磨損量

3 結(jié) 論

(1) 不同復(fù)合電極條件下加工出的強(qiáng)化層均有花瓣?duì)顝?qiáng)化相生成，然而表面形貌差別很大，先紫銅后石墨電極條件下加工的強(qiáng)化層耐磨損性能高于先石墨后紫銅電極條件下加工的強(qiáng)化層。

(2) 在700 ℃條件保溫一段時間后，在先紫銅后石墨與先石墨后紫銅這兩種復(fù)合電極條件下強(qiáng)化層，前者表面形貌中出現(xiàn)微裂紋，后者表面形貌中出現(xiàn)宏觀裂紋；兩者磨損量都升高，前者磨損量的升高值一直低于后者磨損量的升高值，但兩者強(qiáng)化層磨損量依然都低于基體表面磨損量；因此，高溫環(huán)境中，這兩種復(fù)合電極下強(qiáng)化層耐磨性能均降低，但是先紫銅后石墨電極加工強(qiáng)化層耐高溫性能較好。