混粉准干式介质下电火花表面强化TC4钛合金的显微裂纹探究

陈立君，蔡兰蓉，李 敏，刘士杰

（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）

TC4钛合金的比强度是合金钢的1.3倍，不仅具有较高的比强度，还具有密度低、重量轻、耐蚀性好等优点，故可应用于航空航天、石油化工、汽车模具轻量化制造等领域[1-2]；但表面硬度低、耐磨性差、易塑变等缺点限制了其广泛应用。电火花表面强化技术很好地克服了上述不足，但在表面强化过程中易出现强化层表面微裂纹，对材料的使用性能危害很大，尤其是在零件受冲击载荷或疲劳、腐蚀的工况下，表面微裂纹将是引起零件失效的起始点[3]，从而影响材料的使用寿命。显然，对TC4钛合金电火花表面强化的裂纹特性进行研究显得十分必要。杨平[4]发现电火花表面强化过程中，当工件表面热应力超过了材料屈服极限，表面微裂纹会在放电蚀坑处萌生，并沿径向逐渐扩展。周继烈等[5]通过有限元分析得出，在较小能量下，最初出现的是径向裂纹，随着放电能量提高，出现的是同心裂纹。但这些研究并未对放电参数与裂纹特性做出明确分析。本文基于正交试验法，利用扫描电子显微镜对强化层进行观测，分析不同加工参数对强化层表面微裂纹的影响，并进行强化层性能的探究。

1 试验条件与方法

1.1 试验条件

试验所用TC4钛合金板材的主要成分为Ti-6Al-4V，尺寸为 10 mm×10 mm×3 mm，经磨床精密磨光、磨抛机抛光后，在电火花加工机床上进行电火花表面强化试验。同时，利用台式扫描电子显微镜观察电火花加工试样的微观组织形貌。试验中，工具电极分别选用石墨电极和紫铜电极，并与电源正极相接，TC4钛合金接电源负极；工作介质选用混粉准干式（B4C粉末混去离子水，0.3 g/L）。

1.2 试验方法

由于电火花表面强化具有随机性，影响表面微裂纹的电加工参数较多，因此混粉准干式电火花表面强化的电参数选择优化研究一直是电火花加工领域的一个难题。

脉冲能量主要取决于峰值电流和脉冲宽度的大小，对于常用特定材料，研究脉冲能量和放电频率对表面微裂纹的意义最大。本文采用单指标、四因素三水平的L9（34）正交试验法进行强化试验，指标为强化层表面微裂纹的条数。试验因素及水平见表1。采用表2所示的9种参数组合分别对磨抛过的TC4钛合金进行强化处理，每种参数组合重复试验2次，对每个样件放大1000倍观测其2个位置，取裂纹条数的平均值作为试验指标[6]。

表1 因素水平表

2 试验结果及分析

2.1 参数优化结果与分析

由表2所示裂纹条数的指标值直接分析得到的TC4表面强化最佳参数组合为峰值电流6.6 A、脉冲宽度 80 μs、脉冲间隙 100 μs、工具电极为石墨电极。为进一步分析各因素水平对裂纹条数的影响，计算各因素水平下的k值（综合平均值）并画出趋势图（图1），通过对极差分析下的最优电参数进行电火花表面强化试验，得到的裂纹条数见表3。

对比直接分析和极差分析下的10组电参数，最佳参数组合为1号、10号试验，强化层表面微裂纹条数分别为5条和7条，但后者的强化效率更高，因此更适合实际生产需求。

2.2 强化层表面微裂纹的形成原因与形貌特征

从图2可看出，强化层表面密布着突起和凹坑。突起是由于放电结束冷却后温度梯度下降不均引起的，而凹坑是由于热量在材料不同方向的热传导存在差异[7]，放电过程的瞬时高温使表面金属熔化，一部分熔融金属在脉冲能量的作用下抛离表面强化层，从而留下一个个放电凹坑。电火花对TC4钛合金的表面强化是一个冷热交替的过程，强化过程中基体表面局部产生高温，随后在混粉准干式介质和空气介质中迅速冷却，瞬时的温度变化会在机体表面形成温度梯度。通过强化试验结果与有限元模拟仿真结果进行对比分析后得出，温度梯度越大，热应力越大，热应力变化大的基体表面将首次开裂，且裂纹条数较温度梯度小的区域处多[8-9]。由于钛合金导热性差，能量难以及时传出，在成千上万次的离散型放电过程中，表面处的热应力做拉、压交替变换，从而使热应力成为热冲击载荷。而当其值超过材料的屈服强度时，便会导致强化层表面微裂纹的出现。

表2 TC4钛合金电火花表面强化正交试验表

表3 极差分析下的最优电参数

图1 各因素水平对裂纹条数的影响

从图2a可看出，由热应力引起的表面裂纹与放电点附近温度场等温面非常相似，呈放射状由中心向四周扩展，类似于“陨坑”的放电痕周边处的显微裂纹不仅呈放射状出现，且沿着“陨坑”的径向方向生长。Bormann[10]认为拉伸裂纹一般会穿越放电痕而出现。通过实验表明，图2b所示的表面有穿越放电痕而出现的显微裂纹，说明熔融材料重新凝固后产生的残余拉应力的确会引起显微裂纹的出现。且从图2b还可看到，不仅在强化层表层有显微裂纹，表层下的强化层也出现显微裂纹，可见显微裂纹也是随着强化层熔融堆叠而层层叠加的。在扫描电子显微镜下放大1000倍观测，可见紫铜电极引起的裂纹条数较多且细密，石墨电极引起的裂纹少，但裂纹较宽，其开裂程度大于铜电极。在扫描电子显微镜下观测电火花强化层表面，发现同一紫铜电极在不同电参数下的表面显微裂纹形貌也不尽相同。

图2 TC4钛合金表面强化后的微观形貌

由图3可见，紫铜电极强化后的放电痕呈正圆形，且因放电结束冷却温度梯度下降不均引起的鼓包、微小孔洞及明显的微裂纹在脉冲能量产生的圆坑内集中分布。虽然图3a所示裂纹均呈不规则形状分布，但其构成了好似渔网一样的闭合的不规则多边形，且多以六边形出现。假设裂纹间的结点为不规则多边形的顶点，那么每一个顶点都会连接着3条边即3条裂纹。不规则的多边形裂纹不仅会在凹坑内闭合，且会将闭合的结点拓展到圆坑周边的外围。图中均有穿越放电痕而出现的显微裂纹，如前所述，穿越放电痕的裂纹是由于熔融材料重新凝固时拉压应力不等产生残余拉应力，从而引起裂纹的出现。

图3 紫铜电极下的TC4钛合金表面微观形貌

如图4所示，在石墨电极下得到的强化层组织生长均匀，有明显的花瓣生成，裂纹条数较少，且主要分布在放电痕的枝状组织上，而非像铜电极情况下分布在圆形的放电痕区域。图4a、图4b所示裂纹数分别为5条、7条，较图3a、图3b所示的裂纹数21条、24条有所减少。这是因为紫铜电极组织细密，强化过的基体表面光洁度高，但在电火花强化状态下，基体材料局部体积在瞬间高温下融化，体积迅速膨胀，由于周围金属的限制，熔融区域对周围金属施加压应力，放电结束后，熔融材料在混合液和空气中急速冷却，合金表面剧烈收缩，此时熔融区域又受到周围金属拉应力作用，造成温度梯度场变大，热应力随之增大，导致表面微裂纹增多。而以石墨为电极，在混粉准干式介质的电火花强化试验中，李敏等[11]通过X射线衍射图谱得出，在强化过程中电极与基体反应在强化层有TiC生成，此外还有TiB生成，进而对强化层起到了复合强化作用，合金表面力学性能更稳定，温度梯度减小，热应力变小，从而使表面微裂纹减少。

图4 石墨电极下的TC4钛合金表面微观形貌

3 结论

（1）正交试验分析可得，影响强化层表面微裂纹的主次因素排序是：工具电极＞峰值电流＞脉冲宽度＞脉冲间隙。

（2）对TC4钛合金的电火花表面强化宜选用石墨为工具电极，因为以石墨为工具电极引起的强化表面微裂纹数量较紫铜电极少。

（3）当峰值电流在6.6～11.2 A时，随着峰值电流的增加，脉冲能量变大，温度梯度增大影响热应力变大，从而导致裂纹条数增加。当脉冲宽度在80～120 μs时，占空比（脉宽/脉间）＜1 的试验条件下，由于消电离时间过长，将使能量的有效利用率大大降低，导致强化时间长，且强化层表面微裂纹条数在同一电极下变化较小。

[1] LEYENS C，PETERS M.钛与钛合金[M].陈振华,等译.北京：化学工业出版社，2005.

[2] SCHUTZ R W，WATKINS H B.Recent developments in titanium alloy application in the energy industry[J].Materials Science and Engineering：A，1998，243 （1-2）：305-315.

[3] 吕战竹，赵福令，杨义勇.混粉电火花加工表面显微裂纹的研究[J].电加工与模具，2007（2）：9-12.

[4] 杨平.基于有限元分析的电火花表面强化热应力及裂纹研究[D].天津：天津职业技术师范大学，2015.

[5] 周继烈，凌湛，徐建中.硬质合金电火花加工裂纹特性分析[J].电加工与模具，2003（6）：19-22.

[6] 廖永平，严擎宇.正交试验法在机械工业中的应用[M].北京：中国农业机械出版社，1984.

[7] 汤精明，姜忠宇.电火花表面强化层温度场的数值模拟[J].材料热处理学报，2008，29（3）：171-175.

[8] 蔡兰蓉，陈立君，胡晓军，等.TC4钛合金准干式电火花表面强化温度场-应力场特征研究 [J].铸造，2016，65（11）：1079-1083.

[9] 曲周德，杨平，李敏.基于ABAQUS的单脉冲电火花表面强化数值模拟[J].热加工工艺，2016（2）：123-126.

[10]BORMANN R.Understanding die-sinking EDM surface integrity[J].Carbide and Tool Journal，1988，20（6）：12-16.

[11]李敏，王宏伟，蔡兰蓉，等.TC4钛合金在不同介质下电火花表面强化研究 [J].特种铸造及有色金属，2013，33（6）：499-502.