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鈦合金電火花加工技術的研究進展

2017-6-27 來源：南京航空（kōng）航天大學機電學院作者：何俊生 ,劉壯, 高長水, 徐國（guó）忠,

摘要：從鈦合金的電火花成型加工、電火（huǒ）花線切（qiē）割加工、電（diàn）火花強化工藝三方麵歸納電火花加工鈦合金材料的研（yán）究現狀。建立（lì）了加工條件（jiàn）對工具（jù）電極的損耗、加工精度、表麵（miàn）質量影響（xiǎng）的多個數（shù）學模（mó）型，並進行（háng）了分析和（hé）比較。在改善鈦合金電火花強化後（hòu）的硬（yìng）度、耐磨性、耐蝕性方麵取得了明顯成果。

關鍵詞：鈦合金電火花成型電（diàn）火花線切割電火花強化

鈦合金因其密度小、比強度高、耐蝕（shí）性好等優點［1-2］，廣泛應用於航空、航海、化工、冶金、核工業和醫學等領域，如航（háng）空發動機中的壓氣機盤、壓氣機（jī）葉片和風扇葉片，艦船中的耐壓艇體和泵體等。

鈦合金屬於（yú）難切削材料［3］。鈦合金的導熱係數小，在加工鈦合（hé）金時切削溫度高，產生的（de）熱量很難通過工件釋放［4-5］；鈦合金的比熱小，加工時局部溫度上升快，造成刀具溫度很高，刀尖急劇磨損，使用壽命降低；鈦合金彈性模量低，使已加工表（biǎo）麵容易產生回彈，易引起刀具後刀麵（miàn）與已加工表（biǎo）麵間產生強烈摩擦，從而磨損（sǔn）刀具和崩刃［6］。而電火花加工不（bú）受加工（gōng）對象的強度、硬度及脆性影（yǐng）響，幾乎不產生切削力，加工範圍廣（guǎng），這些特點有利於鈦合金的加工。筆者從（cóng）電火花成型加工、線切割、電火花表麵強化三方麵論述了電火花（huā）加工鈦合金的研究現狀。

1.鈦合金的電火花（huā）成型（xíng）加工

對於電（diàn）火花成型加（jiā）工來說，材料的可加（jiā）工性（xìng）主要取決於材料的導電性及熱學特（tè）性，如沸點、熔（róng）點、比熱容、熱導率和電阻率等。鈦合金的熔（róng）點高（見表 1），導熱性比碳鋼低很多，加工（gōng）時需要（yào）很大的（de）能量才能完全氣化，所以其對於電火花加工也是一種難加工材料［7］。

表 1 鈦合金物理性能

為了提高電（diàn）火花加工鈦合金時的材料去除率和表麵質量，降低工具電極損耗，國內外學者從電火花加工鈦（tài）合金機理以及優化電（diàn）火花加工條件等方（fāng）麵著手開展了深入（rù）研究（jiū）。

Tiwary A P［8］通過曲麵響應法建立了脈衝寬度、峰（fēng）值電流、開路電壓、衝液壓力，以及與材料（liào）去除率（lǜ）、電極損耗、加工間隙、加工錐度等工藝指標有關係的二次多項式數學模型。相（xiàng）比實（shí）驗得（dé）到的工藝指標值，利用該（gāi）模型預計的平均誤差是 3.32%。得出優化後的鈦合金電火花加工參數分別為：脈衝寬度 1 μs，峰（fēng）值電流 2.5 A，開路電壓 50 V，衝液壓力 0.2 kg/cm2。

Hascalik A［9］在電火花加工後的鈦合金表麵檢測到 Ti24C15（如圖 1 所示），Ti24C15 會提高鈦合（hé）金表麵的硬度（如圖 2 所示）。在加工後的表麵觀察到（dào）了顯微裂紋，這降低了鈦合金的耐疲勞性能（néng）。電（diàn）火花加工鈦合金 TC4 的加工效率（lǜ）、電極絕對（duì）損耗（如圖 3 所示）、平均白（bái）層厚度隨著峰值電（diàn）流以及脈衝寬度的增加而增加（jiā），表麵粗糙度值降低。但是脈衝寬度達到 200 μs 時，材料去（qù）除率降低，表麵粗糙度值增（zēng）加。相比鋁、銅電極，石墨（mò）電極在材料去（qù）除率、電極損耗方麵更有優勢，不過加工後工件的（de）表麵更粗糙（cāo）。

圖 3 電極（jí）絕對損耗對比圖

強華（huá）等［10］使用紫銅電極和銅鎢電極（jí）的電火花加工鈦合金時發現，在不同的規準下，電極相對損耗是不一樣的。粗規（guī）準宜選用紫銅電極，精規準宜選用（yòng）銅鎢合金電極，這樣使加工精度以及加工效率比單（dān）純使用（yòng）紫銅電極或（huò）者銅鎢電極都要好。

陳文安等［11］發現，相比火花油，使用蒸餾水作為電解質，消電離更加充分，加工更穩定。在放（fàng）電後電極表麵和（hé）鈦合金表（biǎo）麵形成了鈦的（de）氧化物或者碳化物，這（zhè）些生成物（wù）一方麵補償了電極的損耗，另一方麵也造（zào）成了放電加工要消耗更多的能量。

Kao 等［12］利用灰色理（lǐ）論（lùn）優化（huà）了鈦合金的電（diàn）加工參數，將工具電（diàn）極損耗降（jiàng）低了 15%，表麵粗糙度值降低了 19%，材料去除量提高 12%。

近些年，有學者通過采用超聲（shēng）電火花（huā）複合加工、在（zài）電火花工作液中（zhōng）加入顆粒（lì）物、使用獨立電極取代單個成型（xíng）電極等新途徑，來進一步提高鈦合金的電火花成型加工效率，改善（shàn）電火花成型（xíng）加工的（de）表麵質量。

所謂超聲電火花複合加工，是（shì）指（zhǐ）在電火花放電加工（gōng）的（de）電極上施加超聲機械振（zhèn）動，同（tóng）時在煤油工作液中混入 Si C 等微粉（fěn），來達到超聲磨料拋光和火花（huā）放電蝕除加工的複合作用。

Lin［13］采用超聲電火花複合加（jiā）工的方式，利用工作液高頻振動以及磨料對工件有衝擊作用，使得加工效率變高，重鑄層變薄（如圖 4 所示），不正（zhèng）常放電次數會顯著降低（如圖 5 所示），不過表麵粗糙（cāo）度值也（yě）變大了。Kolli［14］在電火花專用煤油中混入不（bú）同濃度的 B4C顆粒，發現 B4C 顆粒提高了材料蝕除效率，降低了電極絕對損（sǔn）耗和（hé）表麵粗（cū）糙度值。

Azad［15］使用曲麵響應法，在 Si C 濃（nóng）度為 16.8 g/L、單個脈衝放電（diàn）能量為 57.8 μJ 時，將放電後鈦合金（jīn）表麵粗糙度值減小到 0.75 μm。

通常電（diàn）火花成型加工（gōng）使用（yòng）的是單個成型電（diàn）極，而將單個成型電極分割（gē）為多個獨立電極（jí），將這些獨立電極連接脈衝電源，從而使單個獨立電極放電（diàn）後，其它獨立電極（jí）與加工（gōng）麵之間的間隙電壓依然（rán）存在，進而實現（xiàn）在試樣表麵持（chí）續不斷地放電，以提高加工效率（lǜ）。圖 6 為裝夾好的獨立電極（jí）［16］。

2.鈦合金的電火花線切割（gē）加工

衡量鈦合金電火花線（xiàn）切割加工性能的指標有切割速度、電極絲損耗、表麵（miàn）質量、加工精度等，影（yǐng）響這些指標的因素很多，為此，研究者從鈦（tài）合金自身屬性（如電（diàn）導率、熱導率、熱膨脹（zhàng）係數、密度）、電極製作、加工參數等角度，建立了多種（zhǒng）分析模型，對鈦合（hé）金線切割後（hòu）的（de）硬度、相變（biàn）、重鑄層、殘（cán）餘應力、粗糙度、切割速度的變化做了探究，最終（zhōng）優化了線切割加工（gōng）條件。

Spur［17］利用有限元分析（xī）方法，建立了能夠描述（shù）電（diàn）火花放電對於尺（chǐ）寸、強度隨（suí）時間變化的半無限固體影響的模型，得出了鈦合金的導（dǎo）熱係數和比（bǐ）熱容是影響其線切割加工效率以及熱影（yǐng）響區大小的重要屬性。

Nourbakhsh［18］通過田口試驗設（shè）計法，發現鈦合金TC4 線切割速度與峰值電流、脈衝寬度呈（chéng）正比關係，而線切割後表麵粗糙度與峰值電流（liú）、脈衝寬度呈反比關係。電極絲（sī）的斷裂與脈衝間（jiān）隔、脈衝寬度、張力大小、衝液壓力有密切關係。相比沒有鍍層的黃銅電極絲，鍍（dù）鋅黃銅電極絲（sī）能提高線切割效率、降低表麵（miàn）粗（cū）糙度值（如圖 7 所示）。

Poros［19］利用三種不同的黃銅電極絲進行了線切割鈦合金 TC4 的試驗，並進行量綱分析，建立了關於加工效率（lǜ）的半經驗模型。利用該半經驗模型可（kě）以分析、預測鈦合金 TC4 的多個物理特性（xìng）（如電導率、熱導（dǎo）率、熱膨脹（zhàng）係數、密度）以及線切割加工參數對於（yú）蝕除（chú）效率的影響。其中，鍍了 Cu Zn20 黃（huáng）銅的黃銅電極（jí）絲的最大（dà）蝕除速率能達到 17.75 mm3/min，比沒有鍍（dù）層的黃銅電極絲、鍍鋅黃銅電極絲高出 18%和（hé） 16%。並且發（fā）現，脈衝的波形也會對蝕（shí）除速率有（yǒu）影響（xiǎng）。

Sarkar［20］采用（yòng）中心組合設計的實驗設（shè）計思路，基於曲麵（miàn）響應法的分析理念，建立了關於線（xiàn）切割 γ-鈦鋁化合（hé）物（wù）後表（biǎo）麵粗糙（cāo）度、線電極（jí）絲偏移量、切割（gē）速度的二次多項式數學模型。該模（mó）型能夠有效地估（gū）計出指定（dìng）的線切割參數（shù）對線切割過（guò）程的影響。采用帕雷托優化算法進行綜合（hé）優（yōu）化後，得出線切（qiē）割 γ-鈦鋁化（huà）合物後表麵粗糙度（dù）與切割速度呈（chéng）反比關係，不過當切（qiē）割速度超過13.88 mm/min 後，表（biǎo）麵粗糙度（dù）會（huì）急劇惡（è）化。鈦合（hé）金線（xiàn）切割後的表麵產生了氧（yǎng）化物或（huò）者氮化物，顯微硬度、微觀形貌也發生變化，這對於三元形狀記憶合金以及鈦合金著色上（shàng）都有應用。

Kuriakose［21］通過比較 XRD 圖譜中（zhōng）衍射（shè）峰強（qiáng）度以及峰位角的不同，得出了脈寬、脈間對線切割後鈦（tài）合金 TC4 表麵金屬特性有（yǒu）重要影響，而采（cǎi）用鍍鋅的黃（huáng）銅（tóng）電極絲線切割能使鈦合（hé）金 TC4 表麵金屬特性（xìng）更加均勻。比較多個線切割參數，得出減小脈衝間隔能明顯減少鈦合金 TC4 表麵氧化（huà）物的生成。

Hsieh［22］發現，在大的彎曲應力下，線切割後 Ti–Ni–X 三元形狀記憶（yì）合（hé）金的形（xíng）狀恢複性能（néng）會有輕微降低，線切割表麵硬度會比基體要大。

鈦合金線切割後可以產生氧化物或者氮化（huà）物，這被應用於鈦合金的著色上。文（wén）獻［23］發現，鈦合金線切割後（hòu）表麵（miàn）形成了不同厚度的氧化鈦膜，在光的幹涉作用下會得到不同顏色的幹涉光，通過控製氧化鈦膜的厚度，可對鈦合金著不同的顏色（sè）。

3 鈦（tài）合金的電火花沉積強化加工

鈦合（hé）金的硬度較低，摩擦因數大，耐磨性能差，易（yì）發生黏著磨損和微動磨損，導致零部件的早期失效，嚴重影響了鈦合金的應用。因此，對鈦合金進行表麵改性和強（qiáng）化處理是鈦合金推廣應用的重要難題。鈦合金（jīn）的電火花表麵強化是用導電材料（硬質（zhì）合金、石（shí）墨等）作為陽極（jí），在空氣、氮氣或氬氣等中使之與鈦合金試樣之間產生高頻脈（mò）衝放電，利用產生的高溫環境，將熔化的電極材料（liào）熔滲至工件表麵，來形成具有冶金特性的強化層，提高零件的硬度、耐磨（mó）性、耐（nài）蝕性及熱硬性等表麵性能。與其它表麵處理工藝（如熱噴塗、堆焊、電鍍（dù）、PVD、CVD 等）相比，電火花表麵強化過（guò）程能量輸入少，熱影響區（qū）也很（hěn）小；強化層是高溫高壓下形成（chéng）的合金層，並非簡單的材料塗敷，因此其結合強度較（jiào）高。

劉誌（zhì）東等［24］使用旋轉的柔性銅電極對鈦合（hé）金表麵進行電火花表麵強化，得到（dào）的強化表麵硬度相對基體（tǐ）提高了（le） 237%~399%；強化層厚 21~157 μm，表麵沒有明顯的放電蝕除凹坑，表麵粗糙（cāo）度變化量也不大；強化（huà）層在 HF 和（hé） HNO3混合溶液中，耐腐蝕能力很好；表麵磨損性能也（yě）得到了提升（如圖 8 所（suǒ）示）。

王明偉等［25］以（yǐ） WC 為電極，氬氣作為保護氣，在（zài）BT20 基體上製備了（le）強化沉積層（céng）。得到（dào）的沉（chén）積層和基體結合致密，形成了良好的冶金結合。沉積層表麵呈潑濺（jiàn）狀形貌（如圖 9 所示）。沉積（jī）層（céng）顯微硬度呈梯度變化，最大硬（yìng）度達到基體的 3 倍。

4.總結

研究者們通過大量的實驗對各種鈦合（hé）金（jīn）電火花加工技術（shù）的加工工藝進行最優（yōu）化（huà）研（yán）究，得（dé）到了許多數據和經（jīng）驗模型。同時，借助於中心組合設計、田口試（shì）驗設計、曲麵響（xiǎng）應法、有（yǒu）限元分析、帕雷托（tuō）優化算法等（děng），實現了對鈦（tài）合金電火花加工（gōng）中加工條件的優化處理，預測出加工指標的變化，深入理解鈦合金電火花加工機理。近些年出（chū）現（xiàn）的電火花複合加工、混粉加工、使用獨立電極代替單（dān）個成型電極等新途徑，也展現出了其優勢。電火花表麵強化技術在鈦合金加（jiā）工領（lǐng）域取得了較好的效果（guǒ），鈦合金表麵通過（guò）電火花沉積，可得到具有高硬度、耐磨、耐高溫氧化和（hé）摩擦因數低的（de）特殊表麵塗層。

電火花加工將來應該結合超聲加工、電解加（jiā）工等方式，朝著（zhe）高加工精度（dù）、高加工效率、無變質層方向更近一步，從而滿足（zú）現代化發展的需要。

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