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鈦合金電火花加工技術的研究進展

2016-12-7 來（lái）源：南京航空（kōng）航天大學機電學院（yuàn）作者：何俊生劉壯高長水徐國忠陶煒周大

摘要：從鈦合金（jīn）的電火花（huā）成型加工、電火花線切割加工、電（diàn）火花強化工藝三方麵歸（guī）納電火花加工鈦合金材料的研究現狀。建立了（le）加工條件對工具電極的損（sǔn）耗、加工精度、表麵質量（liàng）影響的多個數（shù）學模型．並進行了分析和比較。在改善鈦合金電火（huǒ）花強化後的硬度、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火花線切割（gē）電火花強化

鈦合金因其密度小、比強度高（gāo）、耐蝕性好（hǎo）等優（yōu）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。如航空發動機中的壓氣機盤（pán）、壓氣機葉（yè）片和（hé）風扇葉片，艦船中的耐壓艇體和（hé）泵體（tǐ）等。鈦合金屬於難切削材料（liào）[33。鈦合金的導熱（rè）係（xì）數小，在加工鈦合金時切削溫度高，產生的熱量很難（nán）通過（guò）工件釋放∽3；鈦合金的比熱小，加工時局部溫度上（shàng）升快，造成刀具（jù）溫度很高，刀尖急劇磨損，使用壽命降低（dī）；鈦（tài）合金彈性模量低，使已加工表麵容易產生回彈（dàn），易引起（qǐ）刀具（jù）後刀麵與已（yǐ）加工表麵間產生強（qiáng）烈摩擦。從而磨損刀（dāo）具和崩（bēng）刃。而電火花加工不受加（jiā）工對象的強度、硬度（dù）及脆性影響，幾乎不產生切削力，加工範圍廣，這些特點有利於鈦合金的加（jiā）工。筆者從電火花成型加工、線切割、電火花表麵強化三方麵（miàn）論述了電火花加工鈦合金的研究現狀（zhuàng）。

1.鈦合金的電火（huǒ）花成（chéng）型加工

對於電火花成型加工來說（shuō），材料（liào）的可加工性主要取決於材料的導電性及熱學特性。如沸點、熔點、比熱容、熱導率和電阻率等。鈦合金的熔點高(見表1)，導

表l 鈦合金物理（lǐ）性能

熱性比碳鋼（gāng）低很多．加工時需要很大（dà）的能量才能（néng）完全氣化，所以其對（duì）於電火花加工也是一種難加工材料。為了提高電火花加工鈦合金（jīn）時的材料去除率和（hé）表麵質量，降（jiàng）低工具電極損（sǔn）耗（hào），國內（nèi）外（wài）學者（zhě）從電火花加工鈦合（hé）金機（jī）理以及優化電火花加工條件等方（fāng）麵著手開展了深入研究。

Tiwary A pt83通過曲麵響應法建立了脈衝寬度、峰值電流、開路電壓（yā）、衝（chōng）液壓力，以及與材料去（qù）除率、電極（jí）損（sǔn）耗、加32間（jiān）隙、加7-錐度等工藝指標有關係的二次多項式數學（xué）模型。相比實（shí）驗（yàn）得到的（de）工藝指標值，利用該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l鬥s，峰值電流2．5 A，開路電壓50 V，衝液壓力0．2 kg／cm2。Hascalik A[91在電火花加工後的鈦合金表麵檢測（cè）到Ti24C15(如圖（tú）1所示)，Ti24C15會提高鈦（tài）合金表麵的（de）硬（yìng）度(如圖2所示)。在（zài）加工（gōng）後的表麵觀（guān）察到了顯（xiǎn）微裂紋，這降低（dī）了鈦合（hé）金的耐疲勞性能。電火（huǒ）花加（jiā）工（gōng）鈦合金TC4的加工效率、電極絕對損耗(如圖（tú）3所示（shì）)、平均白層厚度隨著峰值電流以及（jí）脈衝（chōng）寬度的增加而

圖3 電極絕對損耗對比圖

增加，表麵粗（cū）糙度（dù）值降低。但是脈衝寬（kuān）度達到200 p．s時。材料去除率降低，表麵粗糙度值增加。相比鋁、銅電極．石墨（mò）電極在材料（liào）去除率、電極損耗方麵更有優勢．不過加工後工件的表麵更粗糙。

強華等[101使用紫銅電極和銅鎢電極的電火花（huā）加（jiā）工鈦合（hé）金時發現。在不同的規準下，電極相對損耗是一（yī）樣的（de）。粗（cū）規準宜選用紫（zǐ）銅電極（jí），精（jīng）規準宜選用銅鎢合金電極。這樣（yàng）使加工精（jīng）度以及加工效（xiào）率比單純使用紫銅電極或者銅鎢電極都要好（hǎo）。

陳文安（ān）等發現．相比火花油（yóu）．使用蒸餾水作為電解質，消電（diàn）離更加充分，加工更穩定。在放電（diàn）後電極表麵和鈦合金表麵形成了鈦的氧化物或者碳（tàn）化物，這些生成物一方麵補（bǔ）償了電極的（de）損耗，另一方麵也造成了放電加32要消耗更多的能量。Kao等利用灰色理論優化了鈦合金的（de）電（diàn）加工參數，將工具電極損耗降低了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（yòng）超聲電（diàn）火花複合加工、在電火花工作液中加（jiā）入顆（kē）粒物、使用獨立電極取代單個成型電（diàn）極等新途徑。來進一步提高鈦合金的電火花成型加工（gōng）效（xiào）率，改善（shàn）電火（huǒ）花（huā）成型加工（gōng）的表麵質量（liàng）。

所謂超聲電火花複合加工（gōng），是指在電火花放電（diàn）加工的電極（jí）上施加超聲機械振（zhèn）動，同時在煤油工作液中混入SiC等微（wēi）粉，來達到超聲磨料拋光和火花放電蝕除加工的複合（hé）作用。Lin采（cǎi）用超聲電（diàn）火花複合加工的方式（shì），利用（yòng）工作液（yè）高頻振動以及磨料（liào）對工件有衝擊作用，使得加工效率變高，重鑄層變（biàn）薄(如（rú）圖（tú）4所示)，不（bú）正常放電次（cì）數會顯著降低(如圖5所示)，不（bú）過表麵粗糙（cāo）度（dù）值也變大了（le）。Kolli在電火花專（zhuān）用煤油中混入不同濃（nóng）度的B4C顆粒（lì），發現B。C顆粒提高了材料（liào）蝕除效率，降（jiàng）低了（le）電極絕對損耗和表麵粗糙度值。Azadll51使用曲麵響應法，在SiC濃度為16．8 g／L、單個脈衝放電能量為57．8 M時（shí），將放電後鈦合金表麵粗糙度值減小（xiǎo）到O．75 o,m。通常電火花（huā）成型加工使用的是單個成型（xíng）電極，而將單個成型電（diàn）極分割為多個獨立電極，將這（zhè）些獨立電極連接脈衝電源（yuán），從而使單個獨立電極放電後（hòu），其它獨立電（diàn）極與加工麵之間的間（jiān）隙電壓依（yī）然存在，進而實現在試樣表麵持續不（bú）斷地放（fàng）電，以（yǐ）提高加工效率。圖6為裝夾好（hǎo）的獨立電極。

2.鈦（tài）合金的電（diàn）火（huǒ）花線切割加工

衡量鈦合金（jīn）電（diàn）火花線切割加工性能（néng）的指標（biāo）有切割速度、電極絲損（sǔn）耗、表（biǎo）麵質量、加工精（jīng）度等，影響這些指標的因素很多，為此，研究者從鈦合金自身屬性(如電導率、熱導率、熱膨脹係數、密度)、電極製作、加工參數（shù）等角度，建立了（le）多種分析模型，對鈦合金線切割後的硬度、相變、重鑄層、殘餘（yú）應力、粗糙度、切割速度的變化做了探究，最終優（yōu）化了線切割加工條件。Spur E川（chuān）利用有限元分析方法，建立了能（néng）夠描述電火花放電（diàn）對於尺寸、強度隨時間變化（huà）的半無限固體影響的（de）模型，得出了鈦合（hé）金的（de）導熱係數和比熱容是影響其線切割加工效率以及熱影響區大（dà）小的重要（yào）屬性。Nourbakhsh通（tōng）過田口試驗（yàn）設計法．發現鈦（tài）合金TC4線切割速度與峰值電流、脈衝寬度呈正比關係，而線切割後表麵粗糙度與峰值電流、脈衝寬度呈（chéng）反（fǎn）比關（guān）係（xì）。電極絲的斷裂與脈衝間隔、脈衝寬度、張力大小、衝（chōng）液（yè）壓力有密切關係。相比（bǐ）沒有鍍層的黃銅電極絲，鍍鋅黃銅電極絲能提（tí）高線切割效率、降低表麵粗糙度值(如圖7所示)。

Poros利用三種不同的黃銅電極絲進行了線切割（gē）鈦（tài）合金TC4的試驗，並進行量綱分析，建立了關於加工效率的半經驗模型。利用該半經驗（yàn）模型可以分析、預測鈦合金TC4的（de）多個物理特性(如電導率、熱導率（lǜ）、熱膨脹係數、密度)以及線切（qiē）割加工參數（shù）對於（yú）蝕除效率的影（yǐng）響。其中，鍍（dù）了CuZn20黃銅的黃銅（tóng）電極絲的最大蝕除速率能達到17．75 mm3／min，比沒有鍍層的黃銅電極絲、鍍鋅黃銅電極絲高出18％和16％。並且發現，脈衝的波形也（yě）會對蝕除速（sù）率有影響。

Sarkar㈨采用中心組合設計的（de）實驗設計思路，基於曲（qǔ）麵響應法（fǎ）的分析理念（niàn），建立了關於線切割1一（yī）鈦鋁化合物後表麵（miàn）粗糙度、線電極絲偏移量、切割速度（dù）的二次多項式數（shù）學模型。該（gāi）模型能夠有效地估計出指定（dìng）的（de）線切割參數對線切割過程的影響。采用帕雷托優（yōu）化算法進行綜合優化後（hòu），得出線切（qiē）割1一鈦鋁化合物後表麵粗糙度與切割速度呈反比關（guān）係，不（bú）過當切割速度超過13．88 mm／min後，表麵粗糙度會急劇惡化。

鈦合金線切割（gē）後的表麵產生了氧（yǎng）化物或者氮化（huà）物，顯微硬度、微觀形（xíng）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（yīng）用。Kuriakose通過比較XRD圖譜（pǔ）中衍射峰強度（dù）以及峰位角的不同，得出了（le）脈寬、脈（mò）間（jiān）對線（xiàn）切割（gē）後鈦合金TC4表麵金屬特性有重（chóng）要（yào）影響，而（ér）采用（yòng）鍍鋅的黃銅電極絲線切割能使鈦合金TC4表麵金屬特性更加均勻。比較多個（gè）線切割參數，得出減小脈衝間隔能明顯減少鈦合（hé）金TC4表麵氧化物的生成（chéng）。Hsieh‘z3發現，在大的彎曲應力下，線切割後Ti—Ni—X三（sān）元形狀記憶合金（jīn）的形狀恢複性能會有輕微降低，線切（qiē）割表（biǎo）麵硬度會比基體要大。鈦合金線切割（gē）後可以產生氧化物或者（zhě）氮（dàn）化物，這被應用於鈦合金的著色上。文獻（xiàn）[23]發（fā）現，鈦（tài）合金線切割後表麵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（tài）膜的厚度。可對鈦合金著不（bú）同的顏色。

3.鈦合金的電火花沉積強化加工

鈦合金的硬度較低（dī），摩擦因數大，耐磨性能差，易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（le）鈦合（hé）金的應用。因此，對鈦合金進行表麵改性和強化處理是鈦合金推廣應用的重要難題。鈦合金的電火花表麵強化是（shì）用導電材料(硬質合金、石墨（mò）等)作為陽極，在空氣、氮氣或氬氣等中使之與鈦合（hé）金試（shì）樣之間產生高頻脈衝放電，利用產生（shēng）的高溫環境，將熔化的電（diàn）極材料（liào）熔滲至（zhì）工件表麵，來形成具有冶金特性（xìng）的強化層，提高零件的硬度（dù）、耐磨性、耐蝕性（xìng）及熱（rè）硬性等表麵性能。與其它表麵處理工（gōng）藝(如熱噴塗、堆焊、電鍍、PVD、CVD等)相（xiàng）比，電火花表麵強化過程能量輸入（rù）少，熱影（yǐng）響區也很小；強化層是（shì）高（gāo）溫高壓下形成的合金（jīn）層，並非簡單的材料塗敷，因此其結合強度較高。劉誌東等[241使用旋轉的柔性銅電極對鈦合金表麵進（jìn）行電火花表麵強（qiáng）化，得到的強化（huà）表麵硬度（dù）相對（duì）基體提高了237％～399％；強化層厚21～157鬥m，表麵沒有明顯的放電蝕除凹坑，表麵粗糙（cāo）度變化（huà）量也不大；強化層在HF和（hé）HNO，混合溶液中，耐腐（fǔ）蝕能力很（hěn）好；表麵磨損（sǔn）性能也得到了提升（shēng）(如圖8所示)。王明偉等∞1以WC為電極，氬氣作為保護氣，在BT20基體上製備了強化沉積層。得到的沉積層和（hé）基體結合致密，形成（chéng）了良好的（de）冶金結合。沉積層表麵呈潑濺狀（zhuàng）形貌(如圖9所示)。沉積層顯微硬度呈梯度變化．最大硬度達到基（jī）體的3倍。

4.總結

研究者們通過大量的實驗對各（gè）種鈦合金（jīn）電（diàn）火花加工技術的加（jiā）工工藝進行（háng）最優化研究（jiū），得到了許（xǔ）多（duō）數據和經驗（yàn）模型。同（tóng）時，借助於中心組合設計、田（tián）口試（shì）驗設計、曲麵（miàn）響應法、有限元分（fèn）析、帕雷托優化算法等，實現了對鈦合金電火花加工中加（jiā）工條件的優化處理，預測出加工指標的變化．深入（rù）理解鈦合金電火花加工機理。近些年（nián）出現（xiàn）的電火（huǒ）花複合加工、混粉加工、使用獨立電極代替單個成型（xíng）電極等新途徑（jìng），也展現出（chū）了其優勢。電火花表麵（miàn）強化技術在鈦合金加工領域取得了較好的效果，鈦（tài）合金表麵通過電火花沉積，可得到具有高硬度（dù）、耐磨、耐高溫氧化和摩擦因數低（dī）的特殊表麵塗層。電火花加工將來應該結（jié）合超聲加工、電解加工等方式，朝著高加工精度、高加工效率、無（wú）變質層方向（xiàng）更近一步，從而（ér）滿足現代化發展的需要。

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