激光熔覆涂層鈦合金的電火花線切割實驗研究??

沈小強 關(guān)集俱 任 佳

(①蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215104；②蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇蘇州215006)

激光熔覆薄壁基體的變形[1-2],使得工件的精度降低.對于精度要求較高的難切削、不規(guī)則形狀、復(fù)雜細小薄板類工件,可采用先熔覆涂層再選取變形最小區(qū)域后進行切削或切割加工的工藝方法.電火花線切割加工(簡稱WEDM)不存在大的機械切削力,加工精度高,是主要考慮的加工方法.它作為特種加工方法之一,主要利用電能來實現(xiàn)對工件的加工,不受材料性能的限制[3],可以加工任何強度、硬度、脆性、具有一定熱學(xué)特性的導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料,甚至在一定條件下也可加工非導(dǎo)電材料[4-8],在現(xiàn)階段的機械加工中占有很重要的地位.

鈦合金Ti6Al4V具有優(yōu)異的綜合性能而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,但因?qū)嵯禂?shù)小、比熱系數(shù)較小、化學(xué)活性強等因素而成為難切削的材料之一[9],因硬度低、耐磨性差等因素,不能用作重要的運動副零部件.因此,在其表面熔覆硬度高、耐磨性好的復(fù)合涂層具有重要的實際意義[10].石皋蓮、吳少華、崔成玉等人[11-13]研究了金屬表面激光熔覆涂層的摩擦學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)涂層的硬度和耐磨性能較基體有了顯著提高.筆者通過查閱國內(nèi)外文獻,未發(fā)現(xiàn)有對激光熔覆難加工材料進行電火花線切割加工研究加工質(zhì)量和涂層結(jié)合情況的實驗.本文以40%Al-30%Ni-12%Mo-18%Si粉末為原料,采用激光熔覆技術(shù)在鈦合金Ti6Al4V表面制備厚度約1.5～2 mm的復(fù)合涂層(涂層主要由TiC、Ti3Al、NiAl、Ni3Al、TiSi、Mo5Si3、AlNi3Ti構(gòu)成[12]),進行中走絲電火花線切割加工實驗.

1 實驗設(shè)備及方法

實驗所使用的中走絲線切割機床為蘇州新火花機床廠生產(chǎn)的DK-M332SW7型機床,正極性接法；電極絲為φ0.18 mm的鉬絲；實驗基體材料為100 mm×20 mm×8 mm鈦合金,100 mm×20 mm面為激光熔覆涂層面,復(fù)合涂層厚度約1.5～2 mm；工作液為佳潤JR3A線切割專用乳化膏并以 1∶40自來水稀釋；采用GP500U電子顯微鏡觀察切割面顯微結(jié)構(gòu)；采用TR110型表面粗糙度儀測量粗糙度；采用日立S-4700場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織.

首先參考文獻對未涂層同規(guī)格實驗基材鈦合金進行切割實驗[14],以單因素實驗法[15]得到以加工質(zhì)量為目標的最佳電參數(shù)組合；再對復(fù)合涂層鈦合金以所得“最佳電參數(shù)”進行切割實驗分析,以質(zhì)量為目標進行單電參數(shù)實驗,分析影響表面質(zhì)量的原因；最后分析復(fù)合涂層鈦合金在電火花線切割后的顯微組織結(jié)構(gòu).

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 復(fù)合涂層鈦合金線切割實驗分析

由于表面質(zhì)量和切割速度是成反比的兩個工藝參數(shù),一般在滿足加工質(zhì)量的前提下再追求切割速度指標.本實驗每塊試件切割長度為8 mm,采用單因素法依次只改變脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流和開路電壓4個電參數(shù)[16],保持其他參數(shù)不變,研究不同電參數(shù)對表面粗糙度和尺寸精度的影響.

參考文獻[15]通過單因素實驗,得到未涂層鈦合金試件的最佳電參數(shù)組合為:實驗設(shè)備WireCut加工軟件中設(shè)置脈寬15 μs,脈間60 μs,電流代碼15(加工電流約為1.8 A),電壓代碼02H(加工電壓約為75 V),走絲速度代碼7H時,切割面的粗糙度值最小為Ra4.73 μm,機床顯示效率中值約為50 step/s,長度尺寸為8.02 mm.

使用上述電參數(shù)組合對復(fù)合涂層鈦合金進行切割加工.在實驗過程中發(fā)現(xiàn)電流表指針略有來回偏擺,說明加工過程中有不穩(wěn)定因素,所設(shè)“最佳電參數(shù)”不符合該復(fù)合涂層鈦合金的切割.測得實驗試件復(fù)合涂層和基體的表面粗糙度值不同,基體粗糙度值有所增大為Ra4.96 μm,涂層粗糙度值為Ra5.81 μm.說明:①復(fù)合涂層增加試件的厚度,使電蝕產(chǎn)物增加,對產(chǎn)物的排出不利,影響表面質(zhì)量；②涂層和基體的材料不同,電蝕產(chǎn)物不同,蝕除速度不同,放電間隙不同,導(dǎo)致同一切割面粗糙度不同；③涂層材料所產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物較基體多,顆粒大,電蝕產(chǎn)物不易被工作液帶走亦可導(dǎo)致涂層表面質(zhì)量較基體差.

實驗試件基體和復(fù)合涂層的長度尺寸測量值也有差異,基體尺寸約為8.022 mm,涂層尺寸約為8.015 mm(千分尺測量).說明:①試件厚度增加,導(dǎo)致基體材料的單邊放電間隙變小,加工尺寸變大；②涂層材料導(dǎo)致涂層的單邊放電間隙變大,加工尺寸變小.以此實驗數(shù)據(jù)并結(jié)合圖紙尺寸來改變軟件中的補償半徑值可得到較高的尺寸精度,即通過同材料試件使用相同電參數(shù)切割實驗,測量并比較尺寸后在編程軟件中設(shè)置相應(yīng)補償半徑來保證.所以,不同材料在相同參數(shù)下切割,所得到的切割面加工效果不同,表面質(zhì)量和尺寸精度存在著區(qū)別.為了獲得更好的加工效果和穩(wěn)定性,需要重新選取合理參數(shù).

據(jù)上述實驗分析,設(shè)置走絲速度代碼7H不變時,通過改變單因素電參數(shù)進行切割加工得到表面粗糙度實驗結(jié)果.

2.1.1 脈沖寬度的影響

脈沖寬度是指放電間隙兩端的電壓脈沖的持續(xù)時間.脈寬增大,單個脈沖的能量增大,放電凹坑越大,表面越粗糙.但脈寬增大到一個臨界值后,加工穩(wěn)定性反而會變差,從而影響加工速度.改變脈沖寬度的具體參數(shù)設(shè)置和實驗結(jié)果見表1所示.

表1 脈沖寬度的影響

在其他參數(shù)不變的情況下,合理增大脈寬會提高切割速度,降低表面質(zhì)量.但在減小脈寬至12 μs時,表面粗糙度值增大,說明能量減小也會導(dǎo)致加工穩(wěn)定性變差.由于Ti6Al4V鈦合金的化學(xué)活性強,其在瞬時高溫的作用下會在加工表面形成大小不定的凹坑.圖1為基體Ti6Al4V鈦合金切割面的顯微結(jié)構(gòu),可見大小不同的凹坑.

2.1.2 脈沖間隔的影響

脈沖間隔是指兩個電壓脈沖之間的間隔時間.脈間減小,脈沖頻率會提高,單位時間內(nèi)放電次數(shù)增加,能量增加,加工速度提高.但是脈間不能過小,一般情況脈間應(yīng)是脈寬的4倍以上,否則會影響電蝕產(chǎn)物的排出和消電離,導(dǎo)致加工不穩(wěn)定.改變脈沖間隔的具體參數(shù)設(shè)置和實驗結(jié)果見表2所示.

表2 脈沖間隔的影響

在其他參數(shù)不變的情況下,脈間對表面質(zhì)量的影響不大,合理減小脈間會提高切割速度,但表面粗糙度值略有增大.

2.1.3 峰值電流的影響

峰值電流是指間隙火花放電時脈沖電流的瞬時最大值.它是影響加工速度和表面質(zhì)量的重要參數(shù),電流增大,單個脈沖能量增大,放電凹坑越大,表面越粗糙.但是電流增大到一定臨界值后,加工穩(wěn)定性亦反而會變差,從而影響加工速度,甚至造成斷絲.改變峰值電流的具體參數(shù)設(shè)置和實驗結(jié)果見表3所示.

在其他參數(shù)不變的情況下,合理增大電流會提高切割速度,降低表面質(zhì)量.當電流減小至11時,表面質(zhì)量略有提高,但是效率下降明顯.由于鈦合金的化學(xué)性質(zhì)活潑,在瞬時高溫作用下,鈦合金表面與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而呈現(xiàn)不同顏色[17].實驗結(jié)果表明,改變電流參數(shù)能使氧化區(qū)域呈現(xiàn)不同的顏色,電流增大,顏色變深.

2.1.4 開路電壓的影響

開路電壓是指間隙開路的極間峰值電壓.它的變化會引起峰值電流和放電間隙的變化.開路電壓增大,峰值電流增大,放電間隙增大,穩(wěn)定性越好,但成形復(fù)制精度變差.改變開路電壓的具體參數(shù)設(shè)置和實驗結(jié)果見表4所示.

表4 開路電壓的影響

在其他參數(shù)不變的情況下,開路電壓增大,表面質(zhì)量變差,加工速度明顯提高,但電壓在01H時,發(fā)現(xiàn)電流表指針有偏擺現(xiàn)象,說明加工不穩(wěn)定.

綜上分析,增大電流縮小了粗糙度差值,說明兩種不同材料的電腐蝕量、蝕除速度和放電間隙等條件已接近,但不可能出現(xiàn)完全相同的加工情況.所以,合理選擇加工參數(shù)必須以所加工材料的組織成分和性能為基礎(chǔ),同時兼顧工藝指標和加工參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系和相互影響,以獲得滿意的加工效果.

得到涂層鈦合金試件的最佳電參數(shù)組合:脈寬15 μs,脈間75 μs,電流代碼15,電壓代碼02H,走絲速度代碼7H.

2.2 復(fù)合涂層顯微組織分析

將電火花線切割加工(最佳電參數(shù)切割)后的試件研磨、拋光并清洗干燥后用HF:HNO3:H2O＝1:3:9的腐蝕液腐蝕,腐蝕時間約20 s.用日立S-4700場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察腐蝕后的金相試件橫截面的顯微組織.圖2為復(fù)合涂層截面SEM形貌圖.在圖2a中可見熔覆涂層組織致密,但存在顯微裂紋和微凹坑,未見其他孔洞.

瞬時高溫使表面材料發(fā)生爆炸熔化,由于復(fù)合涂層導(dǎo)熱性差,加上脈沖電源的周期性,里層材料還未及時受到高溫作用就停止了火花放電,在放電加工的冷熱循環(huán)交替作用下,使得內(nèi)外表層存在很大的溫差而形成熱應(yīng)力.蝕除材料部分的熱應(yīng)力超過材料的應(yīng)力極限時,無法通過塑性變形來抵抗應(yīng)力而形成微裂紋.熱應(yīng)力在脈沖能量的循環(huán)作用下不斷傳遞,使得微裂紋不斷擴展延伸.圖2b為脈寬15 μs,脈間75 μs,電流代碼30,電壓代碼02H時切割試件的截面SEM形貌圖.可見脈沖能量大時,微裂紋就越明顯.

激光熔覆涂層過程中存在的少量空洞,在拋光后顯現(xiàn)微凹坑；在拋光過程中有顆粒脫落也會出現(xiàn)微凹坑；電火花加工時,瞬時局部高溫引起材料氣化和熔化將涂層材料蝕除,熔融金屬中的氣體在凝固過程中由于工作液的快速冷卻而未能及時逸出產(chǎn)生放電凹坑.

圖2c中可見熔覆涂層、熱影響區(qū)域和基體.熔覆涂層與基體之間無明顯的分界線,熱影響區(qū)域有涂層與基體材料的熔合線,說明復(fù)合涂層與基體的結(jié)合在電火花的循環(huán)瞬間高溫下未受影響,仍有良好的冶金結(jié)合.

3 結(jié)語

(1)線切割40%Al-30%Ni-12%Mo-18%Si復(fù)合涂層鈦合金能獲得理想的表面質(zhì)量,影響復(fù)合涂層鈦合金加工的主要電參數(shù)為峰值電流.

(2)優(yōu)化切割加工電參數(shù)能縮小復(fù)合涂層鈦合金同一切割面的加工質(zhì)量差異,但不可能出現(xiàn)完全相同的加工質(zhì)量情況.

(3)尺寸精度可通過同材料試件使用相同電參數(shù)切割實驗,測量并比較圖紙尺寸后在編程軟件中設(shè)置相應(yīng)補償半徑來保證.

(4)復(fù)合涂層切割表面存在顯微裂紋和微凹坑,脈沖能量對顯微裂紋影響較大,能量越大,微裂紋越明顯,但熔覆涂層組織致密,未受電火花線切割加工的影響.

(5)電火花瞬間高溫對復(fù)合涂層與基體的熔合未產(chǎn)生影響,兩者仍有良好的冶金結(jié)合,為其他各類導(dǎo)電復(fù)合涂層的電火花線切割加工提供了參考依據(jù).