準干式電火花表面強化TC4強化層顯微裂紋研究??

劉士杰 蔡蘭蓉 李 敏 趙俊領

(①天津市高速切削與重點加工實驗室，天津300222；②天津職業技術師范大學，天津300222)

鈦及鈦合金作為一種新型的工業金屬材料，因其密度小、比強度高、耐熱性、耐腐蝕性好等優點而被廣泛使用于航空航天、武器裝備制造等領域，但其存在耐磨性差、硬度低等缺陷，需要對其表面進行強化[1-2]。

混粉準干式電火花表面強化是一種新型特種表面強化技術，該技術解決了傳統電火花強化層增強體種類單一的問題[3]。但隨著研究的進一步加深，鈦合金表面強化層出現的顯微裂紋制約了強化層性能的提升，顯微裂紋逐漸成為影響強化層性能和壽命的關鍵因素[4]。李敏等[5]在混粉準干介質下試驗獲得較好的強化層，并初步研究了強化層裂紋產生的原因；呂占竹等[6]指出了峰值電流、脈寬、工件材料、粉末種類等因素對裂紋的影響；鐘敏森等[7]通過對激光熔覆Nicrisb合金，對形成的強化層進行研究，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力；湯精明、姜忠宇等[8]通過對電火花表面強化層的應力場分析，得出采用梯度強化和熱處理工藝可以有效地改變電火花強化層的應力分布，從而控制裂紋的萌生數量和分布位置。P.Govindan，Suhas S.Joshi等[9]從微裂紋的長度、數量和開裂方向入手對電火花表面強化過程中的微裂紋進行了深入研究，得出:混粉準干電火花加工條件下產生的微裂紋平均長度和數量密度比在液體電介質電火花加工條件下產生的低。徐明剛等[10]通過研究表明電火花加工熱應力大小與工件材料的熱膨脹系數、縱彈性系數等性能有關，同時與放電區域熔融物質冷卻過程產生的的溫度梯度成正比，溫度梯度越大，熱應力就越大，熱應力達到材料的屈服極限時便可在材料的局部區域產生塑性變形，當工件表面局部應力超過材料的強度極限時，材料表面便會產生裂紋。

本文重點研究了不同參數條件下加工TC4基體材料的強化層裂紋萌生分布情況，探究了不同強化參數對裂紋的影響，初步總結了裂紋萌生數量較少，強化層硬度性能較好的加工參數范圍。

1 試驗材料與方法

本文主要以峰值電流、電極極性、脈沖寬度等幾個方面作為本實驗的主要研究因素。試驗采用石墨電極，基體材料為TC4鈦合金，尺寸為20 mm×20 mm×5 mm。強化介質為去離子水，強化材料為Al粉，粉末顆粒為1μm，強化混合介質密度為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。

本實驗通過觀察強化層表面形貌特征和組織結構，分析裂紋的產生分布情況，采用HMV-2T顯微硬度計對強化層進行顯微硬度測定，實驗的加載力為200 g，保載時間為15 s，測量多組不同位置試驗數據，取均值作為衡量強化層整體硬度的標準。

通過image-j軟件對強化層裂紋長度、數量等參數進行統計，裂紋分布見表1。

表1 強化層裂紋分布情況

2 試驗結果及討論

2.1 峰值電流

由圖1a可以看出，電流較小時(Ip＝5.3 A)，裂紋萌生數量較少，分布比較分散，尺寸短小，裂紋開口寬度較小，無裂紋交叉的現象。短裂紋主要集中分布于熔融枝狀物或花瓣狀組織較細部分。圖1b裂紋萌生數量逐漸增多，長度較圖1a有所增長但仍為單段短裂紋。裂紋源主要為熔融枝狀物、花瓣狀組織較細部分及較大飛濺熔滴。圖1c裂紋數量明顯增多，長度、開口寬度明顯增大，開始出現裂紋交匯，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化過程中會產生大量熔融金屬飛濺物，放電結束，放電通道內散熱較快，熔融金屬凝固過程表面各處過冷度是不一樣的，花瓣狀組織及熔融枝狀物散熱較快率先凝固，蝕坑內部凝固過程較慢，兩者溫度梯度較大因而放電蝕坑內凝固金屬將會對冷卻枝狀組織產生一定拉應力，應力達到冷凝金屬屈服強度極限就會產生裂紋。峰值電流較小時，放電能量較小，放電能量對基體材料影響較小，放電蝕坑相對集中且直徑較小，參與反應熔融強化介質較少，飛濺熔滴少且小，冷卻后產生裂紋也相對短小，數量較少。隨峰值電流增大放電能量增大，單次脈沖放電范圍增大，放電能量對材料基體影響較深，參與反應強化介質熔融充分，蝕除材料飛濺劇烈，花瓣狀及枝狀熔融冷卻組織生長茂盛，裂紋分布位置及數量也相應增多。

綜合圖1可以看出，隨電流的增大，強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，強化層菊花瓣狀相組織疊加嚴重，表面粗糙度值逐漸增大。峰值電流對裂紋的萌生有明顯影響，每種電流加工狀態下的強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，每個裂紋尺寸都比較小且大都是平滑型短裂紋。裂紋的平均長度、長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(ton＝60μs)，放電蝕坑相對較小較深，枝狀組織生長短小，表面粗糙度值相對較大，產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部分，呈無規則分散性分布，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，強化層表面枝狀組織逐漸變得粗大，數量增多，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。這是因為隨脈沖寬度的增加，放電能量和放電通道逐漸均勻增大，使得工件表面產生較大面積的均勻放電蝕坑，較高的能量使得反應拋出的熔融物質生長茂盛，疊加更加緊密。結合圖2可以看出，隨脈沖寬度的增加，裂紋總長度及裂紋長度密度也逐漸增大，裂紋開口角度、開口寬度逐漸增大。強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，強化層表面裂紋具有細、短、小的特點，主要萌生于熔融飛濺物較細部分或疊加層邊緣。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，熔融物飛濺劇烈導致熔融組織相互疊加嚴重，熔融物中各點溫度和溫度變化率不一致，外部冷卻速率快，溫度低，內部溫度變化速率小，相對溫度高，冷卻后很容易使局部變形超過材料塑性極限，從而產生表面裂紋和內裂紋。

2.3 電極極性

由圖3a可以看出，對于石墨電極鈦合金基材混鋁粉來說，負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，且橫穿枝狀物較細的部分，開口寬度與裂紋深度比相對較大。圖3b正極性加工裂紋萌生數量、分布范圍要明顯大于負極性加工。表面顯微裂紋數量較多且擴展延伸到層與層疊加處或孔洞缺陷處，有時甚至穿越疊加層，整體成細小網狀分布，主裂紋附近存在3～5個不等的裂紋分枝，90%的裂紋節點都是3個分支，分布在主裂紋兩側，幾乎沒有有穿越主裂紋的分支出現。由圖3a、b對比可以看出，不同極性強化層表面都不可避免會出現顯微裂紋，但裂紋嚴重程度大不相同，電極正極性加工產生的裂紋數量、總長度、平均長度、長度密度均比負極性加工大，其中正極性加工產生的裂紋數量、平均長度約為負極性加工的4倍。這主要是因為負極性加工條件下，正離子運動的到充分加速，對負極的轟擊作用加強，兩極放電點的大小形狀不同，正極性表面放電點遠比負極性表面放電點大，因而，負極放電點的溫度高于正極性放電點的溫度，這樣經過一次放電，負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分散，只能形成淺而平的放電蝕坑，不同脈沖放電產生的熔融材料相互堆疊，冷卻收縮，產生較大殘余應力，因而裂紋相對密集且數量多。

2.4 強化層顯微硬度

由圖4a柱狀圖數據可以看出，隨峰值電流的增加，裂紋長度密度逐漸增大，但整體增長相對平緩。脈寬較小時對裂紋長度密度的影響不太明顯。正極性強化條件下強化層裂紋長度密度遠大于其他加工條件。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，參與反應強化介質增多，熔融強化層均勻致密，強化相占比增大，硬度增大。但由于不同電流、脈寬產生的放電能量不同，使得參與反應的強化材料不充分，產生的強化相比例及形態可能存在差別，導致不同峰值電流、不同脈寬加工條件下的強化層硬度值有所不同。綜合強化層表面形貌、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。

綜合硬度測試參數可以看出，對于鈦合金基體混鋁粉強化來說，負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，說明對于電火花表面強化加工來說，不同基體材料選擇合適的電極極性，能有效改善強化層表面粗糙度，避免大范圍裂紋的萌生。

3 結語

(1)隨峰值電流、脈沖寬度的增加裂紋數量、長度密度基本呈增加趨勢，石墨電極正極性強化層裂紋數量、長度密度、平均長度要遠大于負極性強化。

(2)強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，且易萌生于強化層枝狀組織較細部位、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、負極性加工條件下裂紋萌生數量較少，強化層硬度性能最好。