電火花復合電極強化TC4強化層耐高溫試驗研究*

趙俊領,蔡蘭蓉,李 敏

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

0 引 言

混粉準干式電火花表面強化技術被提出之后，一直是強化表面研究領域的熱點和重點，并探索出很多新型的強化工藝[1-2]。現階段在電火花加工領域，國內外主要的研究內容是如何改善加工工藝性能、提高硬度等[3-4]。然而對所獲得的強化層在高溫保溫條件下性能變化的研究很少，特別是強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系這一領域研究更少。因此，對混粉準干式電火花強化所獲得的強化層在耐高溫性能這一領域上的探究是十分必要的，可以提供其在高溫環境中微組織變化的參照，也可以有更多的耐高溫性能指標。

關于電火花表面強化的研究，特別是復合電極電火花表面強化技術這一領域，大多集中在工具電極的選擇、強化介質放電環境的改善和放電參數的優化[5]。電極在電火花加工中所起到的作用和影響，發現復合電極可以影響加工的效率和工件表面粗糙度[6]。

最近幾年的工業發展和科技創新應用上，對于表面的耐磨損性能的提升得到了廣泛的關注，特別是通過抗高溫磨損性能的提高來保障機械工件的穩定長效運行，一般表面強化的合金組織在一定的高溫下進行耐高溫沖擊試驗，合金材料微裂紋且微裂紋起源于邊緣，不斷擴展，形成裂縫[7-8]。

文中主要研究復合電極下電火花表面強化層上顯微組織，以及強化層表面耐磨性能，在耐高溫試驗之后，不同復合電極的強化層上微觀組織與耐磨性能的變化。最后，通過對不同復合電極下強化層的表面觀測和耐高溫性能的研究，進一步判定復合電極下加工強化層耐高溫性能，提供在高溫環境實際應用下性能參照的標準。

1 試驗材料和方法

在AF1100型電火花成型機床上，應用準干式電火花復合電極強化TC4鈦合金表面，獲得具有一層強化層的鈦合金板材作為試驗材料，尺寸為25 mm×25 mm×3 mm。電火花加工強化層過程中，復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配成0.3 g/L的溶液以霧狀的形式作為強化介質，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化層的表面微觀形貌同耐高溫試驗之前進行對比分析，用MM-200型磨損試驗機對樣品進行磨損量的測試，設置轉速為200 r/min，載荷為100 N，試驗時間為5 min。分別記錄測試過程中的磨損量。

2 試驗結果和分析

2.1 復合電極對TC4鈦合金表面強化層的影響

從圖1中可以發現，先紫銅電極加工后石墨電極加工，強化層上顯微組織呈現較多的長條型花瓣狀強化相，蝕坑組織明顯，花瓣狀強化相錯落有致，但花瓣狀強化相之間有少量的片狀組織和裂紋存在。

圖1 不同復合電極強化層表面組織形貌

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

2.2 復合電極強化TC4鈦合金表面強化層耐高溫試驗

2.2.1 紫銅到石墨復合電極強化TC4鈦合金強化層的耐高溫試驗

在700 ℃條件下，當保溫時間是30 min時，強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黑色的燒蝕組織；保溫時間60 min后，強化層上花瓣狀強化相逐漸變成亮白色，且花瓣組織上開始出現裂紋，周圍組織出現也逐漸變成亮白色；保溫90 min后，強化層逐漸變成暗灰色，花瓣狀強化相上裂紋進一步增多，周圍組織變成暗灰色，且出現細小板結化組織。這是由于紫銅電極加工后石墨電極加工過程中，當紫銅電極加工時，TC4鈦合金表面先是生成一層熔覆型花瓣狀強化相，石墨電極加工后，強化層上生成更多的長條花瓣狀強化相，含有TiC、TiB、TiB2等強化相[9-10]，這些強化相分布均勻。當在高溫環境中，由于花瓣狀強化相組織的凹凸性的特點，受熱不均勻，導致花瓣狀強化相產生大量的熱應力，為裂紋產生提供能量。

圖2 強化層在不同保溫時間下的表面組織形貌

2.2.2 石墨到紫銅復合電極強化TC4鈦合金強化層的耐高溫試驗

在700 ℃條件下，當保溫時間是30 min時，強化層表面全部燒蝕狀態，出現嚴重的板結化狀態現象，表面強化層已變成灰白色狀片層組織；當保溫60 min后，強化層表面產生宏觀裂紋，且部分強化層組織脫落，出現部分強化層脫落現象；當保溫90 min后，隨著裂紋的不斷擴展，所加工的強化層大面積脫落，出現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，由于紫銅是連續性晶體結構，熱膨脹系數較大，導致強化表面上強化相二次熔融再凝固，使得生成的TiC等部分強化相熔融凝固過程中遭到一定的破壞。在高溫環境中，發生嚴重的氧化反應，使得強化層失效脫落。

2.3 強化層耐磨性

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，復合電極加工條件下，帶有強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合加工條件下，磨損量最低；從圖5中發現，在700 ℃高溫條件下，保溫一段時間后，無論是那種復合電極順序條件下，其磨損量均升高。當保溫30 min時，先石墨后紫銅電極復合強化條件下的磨損量升高值大于先紫銅后石墨電極強化的磨損量；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合強化條件的磨損量幅度變化小，兩種復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化條件下磨損量的升高值一直低于先石墨后紫銅電極強化條件下的磨損量，但其強化層磨損量依然低于基體表面。這是由于當石墨電極強化TC4鈦合金表面時，生成的強化層中含有大量的TiC等含有碳元素強化相在高溫的條件下，發生一定的氧化反應，使得強化層的耐磨損性能下降。

圖4 基體與不同復合電極強化表面的磨損量

圖5 強化層受高溫保溫后的磨損量

3 結 論

(1) 不同復合電極條件下加工出的強化層均有花瓣狀強化相生成，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化層耐磨損性能高于先石墨后紫銅電極條件下加工的強化層。

(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合電極條件下強化層，前者表面形貌中出現微裂紋，后者表面形貌中出現宏觀裂紋；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，但兩者強化層磨損量依然都低于基體表面磨損量；因此，高溫環境中，這兩種復合電極下強化層耐磨性能均降低，但是先紫銅后石墨電極加工強化層耐高溫性能較好。