陳夢浩, 王哲峰, 韓 勁, 賀瑞軍, 張旺峰, 郭嘉琪, 孔令利, 倪志銘

(1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院, 北京 100095; 2. 沈陽航空航天大學 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室, 遼寧 沈陽 110136)

鈦合金因具有優(yōu)異的耐蝕性能、良好的生物相容性及高強度低密度的特點而被廣泛應用于海洋石油[1]、醫(yī)療器械[2]等方面,并且因在航空航天[3]、兵器裝備[4]等領域具有重大的戰(zhàn)略意義而被列為高端戰(zhàn)略性金屬材料。在航空領域中,鈦合金多被用于噴氣發(fā)動機的機匣、壓氣機盤和葉片等部件的制造[5]。但是由于鈦合金自身硬度相對較低,且材料的耐磨損性能較弱,導致其制件在實際使用時極易受到環(huán)境中粉塵等的摩擦損耗,降低使用壽命。因此,如何更好地提升鈦合金的表面性能成為近年來科研學者一直致力于解決的問題[6-8]。

脈沖磁場(Pulsed magnetic field,PMF)沖擊作為電磁脈沖制造工藝之一,是一項高效便捷、無接觸式的材料處理技術。此技術利用高電壓、大電容瞬時放電產(chǎn)生的強脈沖磁場,使被處理零件的近表面產(chǎn)生感應電流,磁場與感應電流相互切割形成MPa至GPa級的磁壓力,同時強磁場能夠將高強度的能量傳遞至物質的原子尺度,影響材料內(nèi)部原子的電子自旋狀態(tài)及排列、匹配和遷移等,使原子排列結構發(fā)生轉變,如位錯發(fā)源和運動等[9]。利用這些效應可以優(yōu)化材料組織,提升材料性能。王巖[10]利用脈沖磁場沖擊20Cr2Ni4A鋼,通過改變磁場強度及沖擊次數(shù)得出脈沖磁場處理可以使該鋼種的低碳馬氏體及磁疇分布均勻并使鐵素體基體上的位錯增加,進而改善材料的硬度、屈服強度等力學性能。韋遼[11]通過試驗得出脈沖磁場處理為YG8硬質合金中的位錯運動提供了動力,使其硬度、橫向斷裂強度較未處理試樣均有所提高,且隨磁場強度增加而不斷提升。另外王琳等[12]使用脈沖磁場對TC11鈦合金進行作用,主要研究了材料微觀組織的變化,結果表明處理后的TC11鈦合金組織不僅發(fā)生了β相向α相的轉變,而且促使α相的軸比c/a增大。

因此本文針對TC4鈦合金,采用外加脈沖磁場強化的方法,研究了脈沖磁場沖擊對TC4鈦合金表面硬度及微觀組織的影響,對試樣表面硬化效果進行了分析并進一步對硬化機理進行了討論。

1 試驗材料與方法

本試驗中使用的是某公司的TC4鈦合金板。由于熱軋鈦合金的力學性能存在各向異性[13],所以在相同的方向利用線切割將其制成尺寸為106 mm×40 mm×2 mm的試樣。因為金屬在磁場中產(chǎn)生感應電流的深度受自身電導率σ的影響很大,σ越大作用效果越明顯,而TC4鈦合金的電導率只有銅的1%,故在本試驗中為使鈦合金板受到的沖擊力足夠大,選用了106 mm×40 mm×0.5 mm的紫銅片作為沖擊過程中的驅動片,置于螺線管與TC4鈦合金板之間。

脈沖磁場沖擊裝置由本實驗室自主設計制作。為了獲得更高的磁場頻率,選用匝數(shù)更少、線徑更寬的紫銅棒繞制螺線管,并配合帶槽口的中空純鋁塊組成裝置的主要部分。試驗時將作為驅動片的紫銅板與槽口兩端面緊密貼合,使其形成閉合感應回路,銅棒螺線管通電產(chǎn)生的強磁場即可推動紫銅片對試樣進行沖擊強化。沖擊裝置效果圖及實物如圖1所示。試驗過程使用國產(chǎn)磁場發(fā)生裝置提供能量,設備型號JEMPF-30,充放電電壓范圍0～10 kV,電容器電容量600 μF,其可提供最大30 kJ的能量。

圖1 脈沖磁場沖擊裝置效果圖(a)及實物(b)Fig.1 Schematic diagram(a) and real object(b) of pulsed magnetic field impact device

脈沖磁場參數(shù)設置為5 kV電壓下分別沖擊3、10、20、30次,6 kV電壓下分別沖擊3、10、20次,工藝參數(shù)及試樣名稱如表1所示。為對比觀察沖擊前后的試樣結果,使用線切割的方法沿相同方向從不同試樣上取下20 mm×10 mm×2 mm的小塊作為測試試樣,具體如圖2所示。

表1 不同試樣的脈沖磁場參數(shù)Table 1 Parameters of pulsed magnetic field for the different specimens

圖2 鈦合金取樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of titanium alloy sampling

將取下的小塊試樣進行金相制樣,在經(jīng)過粗磨、細磨后使用維氏顯微硬度計進行硬度測試,設備型號為MH-500,載荷砝碼為100 g,保載時間為10 s。另將金相試樣打磨、拋光后用于觀察微觀組織,需要注意的是,由于鈦合金板材的硬度相對較低,故在拋光時需使用Al2O3懸浮液作為拋光液。選用Kroll試劑(100 mL H2O+3 mL HF(質量分數(shù)為40%)+55 mL HNO3(質量分數(shù)為65%)+2 mL H2O2)對試樣進行腐蝕,用棉球蘸取腐蝕液擦拭試樣5 s后立即用清水沖洗、酒精清洗、吹風機吹干,然后在Zeiss Axio Imager.M2m光學顯微鏡(OM)上進行微觀組織觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 脈沖磁場對顯微硬度的影響

圖3(a)為TC4鈦合金板材經(jīng)不同參數(shù)處理后的硬度測試結果。針對實測數(shù)據(jù)的離散性,且為了更好地體現(xiàn)脈沖磁場沖擊前后試樣硬度的變化趨勢,選擇合適的函數(shù)對測試結果進行擬合。原始試樣未進行任何磁場處理,其硬度應均勻一致,故使用線性函數(shù)y=a+bx進行擬合;脈沖磁場處理的試樣因受到驅動片的沖擊,沖擊力自表面向心部逐漸減小,硬度也隨深度的增加而逐漸降低,故使用單指數(shù)函數(shù)y=Aexp(-x/t)+y0對其進行擬合,所有擬合結果如圖3所示。

圖3 TC4鈦合金板材在不同脈沖磁場沖擊參數(shù)下的硬度測試結果及擬合結果(a)原始數(shù)據(jù)擬合;(b)5 kV處理試樣;(c)6 kV處理試樣;(d)5120和6120試樣比較Fig.3 Hardness test results and fitting results of the TC4 titanium alloy sheet under different impact parameters of pulsed magnetic field(a) raw data and fitting results; (b) specimens processed at 5 kV; (c) specimens processed at 6 kV; (d) comparison of specimens 5120 and 6120

從圖3(b,c)可以看出,未經(jīng)過脈沖磁場處理的試樣,其橫截面自表面向心部的硬度值基本在340 HV0.1上下波動。而所有經(jīng)過脈沖磁場沖擊的試樣,其表面硬度均有所提高,作用的有效深度約達200 μm,硬度在0～200 μm間陡然下降,而后逐漸降低,到最后趨于穩(wěn)定。其中,6120試樣的增強效果最為顯著,其硬度最大值已達到376.9 HV0.1,較原始試樣硬度提升了10.9%。

另外圖3(b,c)分別展示了5 kV和6 kV電壓下不同沖擊次數(shù)對試樣硬度的影響,兩圖均反映出試樣的硬度會隨著沖擊次數(shù)的增加而增加。圖3(d)展示了不同電壓下沖擊20次的兩個試樣的硬度擬合曲線,結果表明,在相同的沖擊次數(shù)下,電壓越高試樣硬度提升效果越好。根據(jù)目前已有的結果可以得出,在一定的范圍內(nèi),高能、多次的脈沖磁場沖擊均是提升TC4鈦合金硬度的有效方式。

強磁場驅使驅動片快速、多次沖擊TC4鈦合金板表面,是使得試樣表面硬度提升的直接原因。研究資料對這一機理的解釋有以下幾種模型:一是沖擊引起試樣表層劇烈塑性變形,從而使組織碎化,即表層的β相因沖擊變得比較細小,分布更加均勻[14],這可采用光學顯微鏡對脈沖磁場沖擊前后的TC4鈦合金板材微觀組織進行對比觀察;二是試樣受沖擊后表面的變形量最大,故在此處的晶粒尺寸可能會減小,進而導致鈦合金表面硬度的提升[15];三是沖擊為原有位錯的運動及位錯源釋放更多的新位錯提供了能量,增大了位錯密度,從而使試樣的硬度提高[16]。針對本試驗中脈沖磁場沖擊后的鈦合金板材硬度提升的具體原因,需觀察試樣的微觀組織后確定。

2.2 脈沖磁場對微觀組織的影響

圖4為TC4鈦合金板經(jīng)脈沖磁場處理前后的表層微觀組織,可以看出3種試樣的微觀組織均為等軸組織,且均是α+β的兩相結構,其中黑色襯度的為β相,白色的則為α相。利用ImageJ圖像處理軟件對原始試樣的微觀組織照片進行分析,得出其中β相的占比約為22%,相比于原始試樣,5130試樣的顯微組織中α相的占比變多,圖片處理結果顯示β相的占比降至約16%,并且β相變得更細小且分布更加均勻,而此現(xiàn)象在6120試樣中表現(xiàn)得更加明顯,其中β相僅占約12%。這印證了TC4鈦合金硬度的提升與此相關,因為鈦合金為α+β的兩相組織,β相多位于α相晶界處且晶界兩側取向不同都增大了晶界周圍的滑移阻力,所以滑移無法直接穿過晶粒,當晶界變形時需多個晶?；葡到y(tǒng)同時啟動才能保證其協(xié)調性,這使得位錯易堆積于晶界處,進而增加了TC4鈦合金的硬度[17]。

圖4 TC4鈦合金在不同脈沖磁場沖擊參數(shù)下的表層微觀組織(a)原始試樣;(b)5 kV, 30次;(c)6 kV, 20次Fig.4 Surface microstructure of the TC4 titanium alloy under different impact parameters of pulsed magnetic field(a) original specimen; (b) 5 kV, 30 times; (c) 6 kV, 20 times

對于α相占比增多的現(xiàn)象另有文獻[18]指出,強磁場作用是TC4鈦合金中β相向α相轉變的一個誘發(fā)條件。一方面高能、多次的脈沖磁場處理會使得被處理試樣表面溫度升高,即脈沖磁場熱效應,這是誘發(fā)相變的一個主要因素;另一方面,磁場可以降低金屬的相變溫度并改變相變自由能,使得兩相間的轉化阻力進一步降低?！耙簧唤怠痹斐闪甩料嗟恼急壬仙?。

2.3 脈沖磁場作用有限元模擬

在脈沖磁場沖擊鈦合金板材試驗過程中,裝置的電參數(shù)與板材的結構參數(shù)均在實時變化,使用現(xiàn)有的理論不能簡潔、有效地描述裝置的放電能量與板材的形變量之間的關系,這使得對脈沖磁場沖擊作用下TC4鈦合金板材變形規(guī)律的研究較為困難。不過,隨著有限元理論的發(fā)展與進步,上述過程可以使用有限元模擬軟件Ansoft Maxwell清晰地表示出來,圖5為放電時間為25 μs時,5 kV及6 kV電壓下銅板驅動片中的感應電流分布情況。圖5(a)表明,當沖擊電壓為5 kV時,銅板中的感應電流并未完全布滿整塊驅動片,僅在靠近螺線管的位置電流密度較高,而當電壓提升至6 kV時(見圖5(b)),整個銅板中均有感應電流存在,并且同樣在靠近螺線管的位置電流密度更高。

圖5 銅板驅動片在放電時間為25 μs時的感應電流分布情況Fig.5 Induced current distribution at discharge time of 25 μs of copper plate driver(a) 5 kV; (b) 6 kV

根據(jù)放電電流公式:

式中:Im為放電電流幅值,V為電容器充電電壓,C為放電電容量,L為放電回路電感量。

由此可知,裝置的最大放電電流與充電電壓成正比,故當電壓為6 kV時,螺線管中流過的電流幅值更大,再由楞次定律可推測螺線管外金屬環(huán)(本試驗中即為驅動片所在的回路)中的感應電流也會更大,故驅動片與螺線管間的排斥力也會更大,即鈦合金板受到的沖擊力也會更大。這與相同沖擊次數(shù)下使用6 kV電壓沖擊的試樣硬度提升效果更好的結果吻合。

3 結論

1) TC4鈦合金與原始試樣相比,不同參數(shù)下的脈沖磁場沖擊對試樣的顯微硬度均有一定提升,且在6 kV電壓下使用驅動片沖擊20次的效果最好,硬度可提升至376.9 HV0.1,提升率為10.9%。

2) 在一定范圍內(nèi),高能、多次沖擊均是提升TC4鈦合金板材硬度的有效途徑。

3) 脈沖磁場作用可使鈦合金中的β相變得更細小且分布均勻,同時脈沖磁場作為相轉變的一個誘發(fā)條件,促進了試樣微觀組織中β相向α相的轉變。

4) 后續(xù)試驗可以去除驅動片,使脈沖磁場直接沖擊TC4鈦合金并研究直接作用對TC4鈦合金各項性能的影響。