陳立君，蔡蘭蓉，李 敏，劉士杰

（天津職業(yè)技術師范大學，天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津300222）

TC4鈦合金的比強度是合金鋼的1.3倍，不僅具有較高的比強度，還具有密度低、重量輕、耐蝕性好等優(yōu)點，故可應用于航空航天、石油化工、汽車模具輕量化制造等領域[1-2]；但表面硬度低、耐磨性差、易塑變等缺點限制了其廣泛應用。電火花表面強化技術很好地克服了上述不足，但在表面強化過程中易出現(xiàn)強化層表面微裂紋，對材料的使用性能危害很大，尤其是在零件受沖擊載荷或疲勞、腐蝕的工況下，表面微裂紋將是引起零件失效的起始點[3]，從而影響材料的使用壽命。顯然，對TC4鈦合金電火花表面強化的裂紋特性進行研究顯得十分必要。楊平[4]發(fā)現(xiàn)電火花表面強化過程中，當工件表面熱應力超過了材料屈服極限，表面微裂紋會在放電蝕坑處萌生，并沿徑向逐漸擴展。周繼烈等[5]通過有限元分析得出，在較小能量下，最初出現(xiàn)的是徑向裂紋，隨著放電能量提高，出現(xiàn)的是同心裂紋。但這些研究并未對放電參數(shù)與裂紋特性做出明確分析。本文基于正交試驗法，利用掃描電子顯微鏡對強化層進行觀測，分析不同加工參數(shù)對強化層表面微裂紋的影響，并進行強化層性能的探究。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗條件

試驗所用TC4鈦合金板材的主要成分為Ti-6Al-4V，尺寸為 10 mm×10 mm×3 mm，經(jīng)磨床精密磨光、磨拋機拋光后，在電火花加工機床上進行電火花表面強化試驗。同時，利用臺式掃描電子顯微鏡觀察電火花加工試樣的微觀組織形貌。試驗中，工具電極分別選用石墨電極和紫銅電極，并與電源正極相接，TC4鈦合金接電源負極；工作介質選用混粉準干式（B4C粉末混去離子水，0.3 g/L）。

1.2 試驗方法

由于電火花表面強化具有隨機性，影響表面微裂紋的電加工參數(shù)較多，因此混粉準干式電火花表面強化的電參數(shù)選擇優(yōu)化研究一直是電火花加工領域的一個難題。

脈沖能量主要取決于峰值電流和脈沖寬度的大小，對于常用特定材料，研究脈沖能量和放電頻率對表面微裂紋的意義最大。本文采用單指標、四因素三水平的L9（34）正交試驗法進行強化試驗，指標為強化層表面微裂紋的條數(shù)。試驗因素及水平見表1。采用表2所示的9種參數(shù)組合分別對磨拋過的TC4鈦合金進行強化處理，每種參數(shù)組合重復試驗2次，對每個樣件放大1000倍觀測其2個位置，取裂紋條數(shù)的平均值作為試驗指標[6]。

表1 因素水平表

2 試驗結果及分析

2.1 參數(shù)優(yōu)化結果與分析

由表2所示裂紋條數(shù)的指標值直接分析得到的TC4表面強化最佳參數(shù)組合為峰值電流6.6 A、脈沖寬度 80 μs、脈沖間隙 100 μs、工具電極為石墨電極。為進一步分析各因素水平對裂紋條數(shù)的影響，計算各因素水平下的k值（綜合平均值）并畫出趨勢圖（圖1），通過對極差分析下的最優(yōu)電參數(shù)進行電火花表面強化試驗，得到的裂紋條數(shù)見表3。

對比直接分析和極差分析下的10組電參數(shù)，最佳參數(shù)組合為1號、10號試驗，強化層表面微裂紋條數(shù)分別為5條和7條，但后者的強化效率更高，因此更適合實際生產(chǎn)需求。

2.2 強化層表面微裂紋的形成原因與形貌特征

從圖2可看出，強化層表面密布著突起和凹坑。突起是由于放電結束冷卻后溫度梯度下降不均引起的，而凹坑是由于熱量在材料不同方向的熱傳導存在差異[7]，放電過程的瞬時高溫使表面金屬熔化，一部分熔融金屬在脈沖能量的作用下拋離表面強化層，從而留下一個個放電凹坑。電火花對TC4鈦合金的表面強化是一個冷熱交替的過程，強化過程中基體表面局部產(chǎn)生高溫，隨后在混粉準干式介質和空氣介質中迅速冷卻，瞬時的溫度變化會在機體表面形成溫度梯度。通過強化試驗結果與有限元模擬仿真結果進行對比分析后得出，溫度梯度越大，熱應力越大，熱應力變化大的基體表面將首次開裂，且裂紋條數(shù)較溫度梯度小的區(qū)域處多[8-9]。由于鈦合金導熱性差，能量難以及時傳出，在成千上萬次的離散型放電過程中，表面處的熱應力做拉、壓交替變換，從而使熱應力成為熱沖擊載荷。而當其值超過材料的屈服強度時，便會導致強化層表面微裂紋的出現(xiàn)。

表2 TC4鈦合金電火花表面強化正交試驗表

表3 極差分析下的最優(yōu)電參數(shù)

圖1 各因素水平對裂紋條數(shù)的影響

從圖2a可看出，由熱應力引起的表面裂紋與放電點附近溫度場等溫面非常相似，呈放射狀由中心向四周擴展，類似于“隕坑”的放電痕周邊處的顯微裂紋不僅呈放射狀出現(xiàn)，且沿著“隕坑”的徑向方向生長。Bormann[10]認為拉伸裂紋一般會穿越放電痕而出現(xiàn)。通過實驗表明，圖2b所示的表面有穿越放電痕而出現(xiàn)的顯微裂紋，說明熔融材料重新凝固后產(chǎn)生的殘余拉應力的確會引起顯微裂紋的出現(xiàn)。且從圖2b還可看到，不僅在強化層表層有顯微裂紋，表層下的強化層也出現(xiàn)顯微裂紋，可見顯微裂紋也是隨著強化層熔融堆疊而層層疊加的。在掃描電子顯微鏡下放大1000倍觀測，可見紫銅電極引起的裂紋條數(shù)較多且細密，石墨電極引起的裂紋少，但裂紋較寬，其開裂程度大于銅電極。在掃描電子顯微鏡下觀測電火花強化層表面，發(fā)現(xiàn)同一紫銅電極在不同電參數(shù)下的表面顯微裂紋形貌也不盡相同。

圖2 TC4鈦合金表面強化后的微觀形貌

由圖3可見，紫銅電極強化后的放電痕呈正圓形，且因放電結束冷卻溫度梯度下降不均引起的鼓包、微小孔洞及明顯的微裂紋在脈沖能量產(chǎn)生的圓坑內集中分布。雖然圖3a所示裂紋均呈不規(guī)則形狀分布，但其構成了好似漁網(wǎng)一樣的閉合的不規(guī)則多邊形，且多以六邊形出現(xiàn)。假設裂紋間的結點為不規(guī)則多邊形的頂點，那么每一個頂點都會連接著3條邊即3條裂紋。不規(guī)則的多邊形裂紋不僅會在凹坑內閉合，且會將閉合的結點拓展到圓坑周邊的外圍。圖中均有穿越放電痕而出現(xiàn)的顯微裂紋，如前所述，穿越放電痕的裂紋是由于熔融材料重新凝固時拉壓應力不等產(chǎn)生殘余拉應力，從而引起裂紋的出現(xiàn)。

圖3 紫銅電極下的TC4鈦合金表面微觀形貌

如圖4所示，在石墨電極下得到的強化層組織生長均勻，有明顯的花瓣生成，裂紋條數(shù)較少，且主要分布在放電痕的枝狀組織上，而非像銅電極情況下分布在圓形的放電痕區(qū)域。圖4a、圖4b所示裂紋數(shù)分別為5條、7條，較圖3a、圖3b所示的裂紋數(shù)21條、24條有所減少。這是因為紫銅電極組織細密，強化過的基體表面光潔度高，但在電火花強化狀態(tài)下，基體材料局部體積在瞬間高溫下融化，體積迅速膨脹，由于周圍金屬的限制，熔融區(qū)域對周圍金屬施加壓應力，放電結束后，熔融材料在混合液和空氣中急速冷卻，合金表面劇烈收縮，此時熔融區(qū)域又受到周圍金屬拉應力作用，造成溫度梯度場變大，熱應力隨之增大，導致表面微裂紋增多。而以石墨為電極，在混粉準干式介質的電火花強化試驗中，李敏等[11]通過X射線衍射圖譜得出，在強化過程中電極與基體反應在強化層有TiC生成，此外還有TiB生成，進而對強化層起到了復合強化作用，合金表面力學性能更穩(wěn)定，溫度梯度減小，熱應力變小，從而使表面微裂紋減少。

圖4 石墨電極下的TC4鈦合金表面微觀形貌

3 結論

（1）正交試驗分析可得，影響強化層表面微裂紋的主次因素排序是：工具電極＞峰值電流＞脈沖寬度＞脈沖間隙。

（2）對TC4鈦合金的電火花表面強化宜選用石墨為工具電極，因為以石墨為工具電極引起的強化表面微裂紋數(shù)量較紫銅電極少。

（3）當峰值電流在6.6～11.2 A時，隨著峰值電流的增加，脈沖能量變大，溫度梯度增大影響熱應力變大，從而導致裂紋條數(shù)增加。當脈沖寬度在80～120 μs時，占空比（脈寬/脈間）＜1 的試驗條件下，由于消電離時間過長，將使能量的有效利用率大大降低，導致強化時間長，且強化層表面微裂紋條數(shù)在同一電極下變化較小。

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