脉冲磁场对TC4钛合金表面硬度及微观组织的影响

陈梦浩, 王哲峰, 韩 劲, 贺瑞军, 张旺峰, 郭嘉琪, 孔令利, 倪志铭

(1. 中国航发北京航空材料研究院, 北京 100095; 2. 沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室, 辽宁 沈阳 110136)

钛合金因具有优异的耐蚀性能、良好的生物相容性及高强度低密度的特点而被广泛应用于海洋石油[1]、医疗器械[2]等方面,并且因在航空航天[3]、兵器装备[4]等领域具有重大的战略意义而被列为高端战略性金属材料。在航空领域中,钛合金多被用于喷气发动机的机匣、压气机盘和叶片等部件的制造[5]。但是由于钛合金自身硬度相对较低,且材料的耐磨损性能较弱,导致其制件在实际使用时极易受到环境中粉尘等的摩擦损耗,降低使用寿命。因此,如何更好地提升钛合金的表面性能成为近年来科研学者一直致力于解决的问题[6-8]。

脉冲磁场(Pulsed magnetic field,PMF)冲击作为电磁脉冲制造工艺之一,是一项高效便捷、无接触式的材料处理技术。此技术利用高电压、大电容瞬时放电产生的强脉冲磁场,使被处理零件的近表面产生感应电流,磁场与感应电流相互切割形成MPa至GPa级的磁压力,同时强磁场能够将高强度的能量传递至物质的原子尺度,影响材料内部原子的电子自旋状态及排列、匹配和迁移等,使原子排列结构发生转变,如位错发源和运动等[9]。利用这些效应可以优化材料组织,提升材料性能。王岩[10]利用脉冲磁场冲击20Cr2Ni4A钢,通过改变磁场强度及冲击次数得出脉冲磁场处理可以使该钢种的低碳马氏体及磁畴分布均匀并使铁素体基体上的位错增加,进而改善材料的硬度、屈服强度等力学性能。韦辽[11]通过试验得出脉冲磁场处理为YG8硬质合金中的位错运动提供了动力,使其硬度、横向断裂强度较未处理试样均有所提高,且随磁场强度增加而不断提升。另外王琳等[12]使用脉冲磁场对TC11钛合金进行作用,主要研究了材料微观组织的变化,结果表明处理后的TC11钛合金组织不仅发生了β相向α相的转变,而且促使α相的轴比c/a增大。

因此本文针对TC4钛合金,采用外加脉冲磁场强化的方法,研究了脉冲磁场冲击对TC4钛合金表面硬度及微观组织的影响,对试样表面硬化效果进行了分析并进一步对硬化机理进行了讨论。

1 试验材料与方法

本试验中使用的是某公司的TC4钛合金板。由于热轧钛合金的力学性能存在各向异性[13],所以在相同的方向利用线切割将其制成尺寸为106 mm×40 mm×2 mm的试样。因为金属在磁场中产生感应电流的深度受自身电导率σ的影响很大,σ越大作用效果越明显,而TC4钛合金的电导率只有铜的1%,故在本试验中为使钛合金板受到的冲击力足够大,选用了106 mm×40 mm×0.5 mm的紫铜片作为冲击过程中的驱动片,置于螺线管与TC4钛合金板之间。

脉冲磁场冲击装置由本实验室自主设计制作。为了获得更高的磁场频率,选用匝数更少、线径更宽的紫铜棒绕制螺线管,并配合带槽口的中空纯铝块组成装置的主要部分。试验时将作为驱动片的紫铜板与槽口两端面紧密贴合,使其形成闭合感应回路,铜棒螺线管通电产生的强磁场即可推动紫铜片对试样进行冲击强化。冲击装置效果图及实物如图1所示。试验过程使用国产磁场发生装置提供能量,设备型号JEMPF-30,充放电电压范围0～10 kV,电容器电容量600 μF,其可提供最大30 kJ的能量。

图1 脉冲磁场冲击装置效果图(a)及实物(b)Fig.1 Schematic diagram(a) and real object(b) of pulsed magnetic field impact device

脉冲磁场参数设置为5 kV电压下分别冲击3、10、20、30次,6 kV电压下分别冲击3、10、20次,工艺参数及试样名称如表1所示。为对比观察冲击前后的试样结果,使用线切割的方法沿相同方向从不同试样上取下20 mm×10 mm×2 mm的小块作为测试试样,具体如图2所示。

表1 不同试样的脉冲磁场参数Table 1 Parameters of pulsed magnetic field for the different specimens

图2 钛合金取样示意图Fig.2 Schematic diagram of titanium alloy sampling

将取下的小块试样进行金相制样,在经过粗磨、细磨后使用维氏显微硬度计进行硬度测试,设备型号为MH-500,载荷砝码为100 g,保载时间为10 s。另将金相试样打磨、抛光后用于观察微观组织,需要注意的是,由于钛合金板材的硬度相对较低,故在抛光时需使用Al2O3悬浮液作为抛光液。选用Kroll试剂(100 mL H2O+3 mL HF(质量分数为40%)+55 mL HNO3(质量分数为65%)+2 mL H2O2)对试样进行腐蚀,用棉球蘸取腐蚀液擦拭试样5 s后立即用清水冲洗、酒精清洗、吹风机吹干,然后在Zeiss Axio Imager.M2m光学显微镜(OM)上进行微观组织观察。

2 试验结果与分析

2.1 脉冲磁场对显微硬度的影响

图3(a)为TC4钛合金板材经不同参数处理后的硬度测试结果。针对实测数据的离散性,且为了更好地体现脉冲磁场冲击前后试样硬度的变化趋势,选择合适的函数对测试结果进行拟合。原始试样未进行任何磁场处理,其硬度应均匀一致,故使用线性函数y=a+bx进行拟合;脉冲磁场处理的试样因受到驱动片的冲击,冲击力自表面向心部逐渐减小,硬度也随深度的增加而逐渐降低,故使用单指数函数y=Aexp(-x/t)+y0对其进行拟合,所有拟合结果如图3所示。

图3 TC4钛合金板材在不同脉冲磁场冲击参数下的硬度测试结果及拟合结果(a)原始数据拟合;(b)5 kV处理试样;(c)6 kV处理试样;(d)5120和6120试样比较Fig.3 Hardness test results and fitting results of the TC4 titanium alloy sheet under different impact parameters of pulsed magnetic field(a) raw data and fitting results; (b) specimens processed at 5 kV; (c) specimens processed at 6 kV; (d) comparison of specimens 5120 and 6120

从图3(b,c)可以看出,未经过脉冲磁场处理的试样,其横截面自表面向心部的硬度值基本在340 HV0.1上下波动。而所有经过脉冲磁场冲击的试样,其表面硬度均有所提高,作用的有效深度约达200 μm,硬度在0～200 μm间陡然下降,而后逐渐降低,到最后趋于稳定。其中,6120试样的增强效果最为显著,其硬度最大值已达到376.9 HV0.1,较原始试样硬度提升了10.9%。

另外图3(b,c)分别展示了5 kV和6 kV电压下不同冲击次数对试样硬度的影响,两图均反映出试样的硬度会随着冲击次数的增加而增加。图3(d)展示了不同电压下冲击20次的两个试样的硬度拟合曲线,结果表明,在相同的冲击次数下,电压越高试样硬度提升效果越好。根据目前已有的结果可以得出,在一定的范围内,高能、多次的脉冲磁场冲击均是提升TC4钛合金硬度的有效方式。

强磁场驱使驱动片快速、多次冲击TC4钛合金板表面,是使得试样表面硬度提升的直接原因。研究资料对这一机理的解释有以下几种模型:一是冲击引起试样表层剧烈塑性变形,从而使组织碎化,即表层的β相因冲击变得比较细小,分布更加均匀[14],这可采用光学显微镜对脉冲磁场冲击前后的TC4钛合金板材微观组织进行对比观察;二是试样受冲击后表面的变形量最大,故在此处的晶粒尺寸可能会减小,进而导致钛合金表面硬度的提升[15];三是冲击为原有位错的运动及位错源释放更多的新位错提供了能量,增大了位错密度,从而使试样的硬度提高[16]。针对本试验中脉冲磁场冲击后的钛合金板材硬度提升的具体原因,需观察试样的微观组织后确定。

2.2 脉冲磁场对微观组织的影响

图4为TC4钛合金板经脉冲磁场处理前后的表层微观组织,可以看出3种试样的微观组织均为等轴组织,且均是α+β的两相结构,其中黑色衬度的为β相,白色的则为α相。利用ImageJ图像处理软件对原始试样的微观组织照片进行分析,得出其中β相的占比约为22%,相比于原始试样,5130试样的显微组织中α相的占比变多,图片处理结果显示β相的占比降至约16%,并且β相变得更细小且分布更加均匀,而此现象在6120试样中表现得更加明显,其中β相仅占约12%。这印证了TC4钛合金硬度的提升与此相关,因为钛合金为α+β的两相组织,β相多位于α相晶界处且晶界两侧取向不同都增大了晶界周围的滑移阻力,所以滑移无法直接穿过晶粒,当晶界变形时需多个晶粒滑移系统同时启动才能保证其协调性,这使得位错易堆积于晶界处,进而增加了TC4钛合金的硬度[17]。

图4 TC4钛合金在不同脉冲磁场冲击参数下的表层微观组织(a)原始试样;(b)5 kV, 30次;(c)6 kV, 20次Fig.4 Surface microstructure of the TC4 titanium alloy under different impact parameters of pulsed magnetic field(a) original specimen; (b) 5 kV, 30 times; (c) 6 kV, 20 times

对于α相占比增多的现象另有文献[18]指出,强磁场作用是TC4钛合金中β相向α相转变的一个诱发条件。一方面高能、多次的脉冲磁场处理会使得被处理试样表面温度升高,即脉冲磁场热效应,这是诱发相变的一个主要因素;另一方面,磁场可以降低金属的相变温度并改变相变自由能,使得两相间的转化阻力进一步降低。“一升一降”造成了α相的占比上升。

2.3 脉冲磁场作用有限元模拟

在脉冲磁场冲击钛合金板材试验过程中,装置的电参数与板材的结构参数均在实时变化,使用现有的理论不能简洁、有效地描述装置的放电能量与板材的形变量之间的关系,这使得对脉冲磁场冲击作用下TC4钛合金板材变形规律的研究较为困难。不过,随着有限元理论的发展与进步,上述过程可以使用有限元模拟软件Ansoft Maxwell清晰地表示出来,图5为放电时间为25 μs时,5 kV及6 kV电压下铜板驱动片中的感应电流分布情况。图5(a)表明,当冲击电压为5 kV时,铜板中的感应电流并未完全布满整块驱动片,仅在靠近螺线管的位置电流密度较高,而当电压提升至6 kV时(见图5(b)),整个铜板中均有感应电流存在,并且同样在靠近螺线管的位置电流密度更高。

图5 铜板驱动片在放电时间为25 μs时的感应电流分布情况Fig.5 Induced current distribution at discharge time of 25 μs of copper plate driver(a) 5 kV; (b) 6 kV

根据放电电流公式:

式中:Im为放电电流幅值,V为电容器充电电压,C为放电电容量,L为放电回路电感量。

由此可知,装置的最大放电电流与充电电压成正比,故当电压为6 kV时,螺线管中流过的电流幅值更大,再由楞次定律可推测螺线管外金属环(本试验中即为驱动片所在的回路)中的感应电流也会更大,故驱动片与螺线管间的排斥力也会更大,即钛合金板受到的冲击力也会更大。这与相同冲击次数下使用6 kV电压冲击的试样硬度提升效果更好的结果吻合。

3 结论

1) TC4钛合金与原始试样相比,不同参数下的脉冲磁场冲击对试样的显微硬度均有一定提升,且在6 kV电压下使用驱动片冲击20次的效果最好,硬度可提升至376.9 HV0.1,提升率为10.9%。

2) 在一定范围内,高能、多次冲击均是提升TC4钛合金板材硬度的有效途径。

3) 脉冲磁场作用可使钛合金中的β相变得更细小且分布均匀,同时脉冲磁场作为相转变的一个诱发条件,促进了试样微观组织中β相向α相的转变。

4) 后续试验可以去除驱动片,使脉冲磁场直接冲击TC4钛合金并研究直接作用对TC4钛合金各项性能的影响。