电火花表面强化TC4钛合金组织特征及性能研究*

潘 康，蔡兰蓉，李 敏

(天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222)

0 引言

钛合金具有抗蚀性好、比强度高和无磁性等优良性能，是生物医疗、军工和机车产业等高科技领域中常用的合金材料［1］。但是，TC4钛合金存在耐磨性差、易粘附和易发生塑变等缺陷。为改善这些不足，研究者对TC4钛合金的强化进行了研究，如表面离子渗碳渗氮、表面涂覆等技术，但是处理效果不是十分理想。

近些年，随着表面技术的改进和创新，电火花表面强化技术得到了发展［2－3］，它在工模具钢表面强化、水轮机和轧钢支承辊表面强化以及易破坏部位的涂层和磨损修复等［4－6］领域的应用也逐渐广泛。在电火花强化 TC4方面，起初，Tang、Bai和张明等人［7－9］在煤油介质、空气介质和雾介质中做了相关研究，提高了其表面硬度和耐磨性等性能，但存在强化层均一性差、基体与合金化层结合度低等缺陷，所以探索更为优越的电火花强化工艺已成为必然。此时，混粉准干式电火花表面强化技术应运而生。混粉准干式电火花表面强化是以合金材料、碳化物和紫铜等导电材料为强化电极，雾(气体和液体混相)为工作介质，并在雾中混入强化粉末材料，通过高能量密度电流放电，使基体材料、强化粉末、工具电极以及空气电离离子在高温高压下熔化，并相互熔渗、扩散和发生物理化学反应，从而合金化形成新的强化层。因其可在不改变基体材料力学性能的基础上，实现材料的表面性能和改善表面质量，替代昂贵的材料，降低成本，提高经济效益。从而增大了材料使用的广泛性，成为许多研究者的焦点［10－11］。笔者通过不同的电火花放电强化工艺，研究表面改性层的显微组织形貌和性能，优化电火花强化工艺，进一步改善强化层组织特性，提高工件综合使用性能。

1 试验

试验基体材料为TC4钛合金，尺寸10 mm×10 mm×5 mm。混粉准干式工作介质为去离子水、B4C粉末和气体的混合物。为减小B4C粉末在液体中的沉降速度和形成均匀的固液混合相，应尽量选用颗粒直径较小的的强化材料，颗粒尺寸为7 μm，浓度为0.3 g/L。

采用AF1000型电火花成形机床强化设备，在混粉准干式介质条件下进行放电强化，相关试验参数如下:峰值电流6.6 A和8.2 A，电源放电脉冲电压120 V，脉冲宽度 60 μs，脉冲间隔 100 μs，加工深度 100 μm。实验前将试样打磨、抛光、清洗和干燥，然后采用石墨电极、紫铜电极以及不同放电参数对TC4钛合金工件表面进行强化。利用SEM(TescanVEGATS5136扫描电镜)观察强化层的显微组织形貌特征;采用HMV－2T显微硬度仪测定强化层显微硬度，测试载荷为0.2 kg，保载时间10S;在M－200型摩擦磨损试验机上测试强化层耐磨性，磨损试验参数:最大负荷1.96 N，转速200 r/min，对磨环是外径为38 mm的GCr15(HB190～229)，法向载荷50N，磨损时间为6 min，用电子天平(精度:1×10－4g)称量摩擦磨损试验试样的失重，根据强化层磨损量及相对磨损性，对不同工艺所得强化层性能做评价分析。

2 强化层显微组织形貌分析

混粉准干式放电强化所得强化层形貌如图1所示，图中表示法以图1(a)为例，6.6A/8.2A 石墨电极:表示以石墨为电极，先用6.6 A的脉冲电流强化TC4钛合金，然后用8.2A电流再次强化已强化表面，其它组与此类似。在图1(a)、(b)中，强化层粗糙度高于紫铜下的合金化层。因为电场产生的压力使熔融金属飞溅，显微组织形状不规则，大致呈棱角状，且多层叠，表面有散落的熔融的凝聚金属小颗粒。石墨电极易脱落和拉弧，导致较多的合金颗粒熔融冷却凝聚在强化层表面。

图1(c)、(d)采用相同的强化参数，改用紫铜为放电电极，其强化层整体质量较好，表面光洁度较高，但强化表面有微裂纹和气孔。在脉冲放电过程中，高温高压下TC4钛合金基体局部体积熔融膨胀，受到周围金属的限制，此时强化层受到周围金属压应力作用，放电结束后，强化层急剧冷却，熔融区域体积剧烈收缩，强化层因周围金属的限制而受拉应力，当拉应力超过强化层在该温度下的强度极限时，强化层受表面张力、内聚力、拉压应力和热疲劳作用等影响，导致强化层表面出现不同程度的疲劳微裂纹。随着放电强化过程的进行，热疲劳裂纹不断增长，致使强化层裂纹边缘褶皱，但表面相对平整。此外，熔融金属的骤热骤冷使气体来不及析出，导致形成微小气孔，出现在强化层表面某些区域。

图1 不同工艺下形成的强化层SEM形貌

3 强化层性能测试及结果分析

3.1 强化层显微硬度

在TC4钛合金基体和a、b、c、d试样强化层上随机选取6个不同点，测其显微硬度值如表1，由表知，基体TC4钛合金的平均显微硬度约为520 HV，而经改性后强化层硬度值均高于TC4钛合金基体，约为基体的2～3倍。强化层硬度的提高主要源于合金化层内相组成的变化，在放电强化时，高温高压下熔融区域相互熔渗和扩散，发生剧烈的物理化学反应，重新合金化成含有多种组成相的硬化层;在瞬间冷却的过程中，多次的放电可使合金化层显微组织细化，均匀晶格空隙，有效减少微裂纹，降低组织内热应力，提高表面硬度;再者，温度的骤热骤降增大了TC4钛合金基体中B4C粉末和空气电离离子等元素的固溶度，从而显著提高强化层显微硬度。

表1 不同位置处基体和强化层显微硬度 /HV

采用石墨电极放电所得强化层显微硬度值高于使用紫铜电极，但其不同位置处显微硬度值落差较大，原因是采用石墨电极进行放电强化时，高温高压下电极材料熔化后在电流作用下引起迸溅，掺和工件材料和强化粉末冷凝聚集在工件表面，形成凸凹不平的合金化组织，使其硬度值波动显著。另外，基于石墨颗粒易脱落和掉渣，混在强化层组织中，测定硬度时，有可能恰好选择石墨颗粒聚集处，从而出现异常大的硬度值。而紫铜材料组织机构优于石墨，物理性能较稳定，强化结果显示各点处硬度值变化平缓，强化层硬度值均匀且离散性较小，在1 200 HV左右浮动，合金化层力学性能更加稳定，即强化效果相对较好。因此电极材料成分不同，电火花表面合金化层组成相也不同，以至于强化层显微硬度值存在差异。

3.2 强化层耐磨性能试验分析

通过摩擦磨损实验，测得试验前后试样质量如表2，由表可见，TC4钛合金基体实验前后失重最大，经处理的试样磨损量约为未处理试样的1/7左右，即在混粉准干式介质中所得强化层磨损量较小，可见强化层对工件耐磨性能的改善至关重要。

强化层的耐磨性能与合金化层微观组织致密程度和粗糙度有密切关系，如，孔洞的多少和大小，间隙裂缝的宽窄等因素。而摩擦磨损最初是从这些缺陷处引起，在施加的作用力下不断磨损。本实验采用两种电流进行强化，在一定程度上能减少急速冷却时因气泡引起的孔洞，可细化显微组织，弥补间隙微裂纹，改善强化层表面微观不平度。所以在保证强化层表面质量和其它性能的前提下，可适当增加强化次数，提高强化层显微硬度，进而改善强化层耐磨性能。

表2 摩擦磨损试验结果 /g

但采用不同强化工艺所得强化层耐磨性也有差别，在不同电流和不同热学性能的电极材料下，电火花强化层化学组成成分和内部热应力存在差异，这对合金化层耐磨性也产生很大影响。采用石墨电极放电时，合金化层表面获得含有碳化物的高硬度化合物层，得到的强化层耐磨性略高于紫铜电极，尽管耐磨性与显微硬度无相应关系，但耐磨失量有随硬度的增加而降低的趋势。此外，这与电极的化学性能、机械性能以及强化材料浓度等因素也有关。由此也可看出，混粉准干式电火花表面强化是十分复杂的物理化学反应过程，融合了热力学、流体力学以及能量转换等多种学科及相关理论，所以研究强化工艺的的微观过程对研究合金化层的形成机理具有重要意义。

4 结论

(1)在混粉准干式介质中，不同工艺放电强化TC4钛合金，强化层微观组织形貌各有差异。石墨电极下强化层表面凸凹不平，粗糙度较大;而紫铜电极下合金化层则组织均匀致密，表面结构平整且连续性较好，表面不平度和光洁度均优于前者，但有疲劳微裂纹。

(2)强化层显微硬度均高于基体(519.8 HV)，说明了合金化层有助于提高工件表面硬度。采用石墨电极得到的强化层显微硬度高于使用紫铜电极，约为基体材料显微硬度的3倍。

(3)试验参数下，处理后试样的耐磨性能约为基体材料的7倍左右，显著提高了基体工件的耐磨性。

(4)综合试验强化效果来看，其它试验条件相同，采用紫铜电极，先用6.6A脉冲电流后8.2A脉冲电流的强化工艺所得强化层整体性能较好。

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