鈦合金電火花加工技術的研究進展
2017-6-27 來源：南京航空航天大學 機電學院 作者：何俊生 ,劉 壯, 高長水, 徐國忠,
摘要：從鈦合金的電火花成型加工、電火花線切割加工、電火花強化工藝三方面歸納電火花加工鈦合金材料的研究現狀。 建立了加工條件對工具電極的損耗、加工精度、表面質量影響的多個數學模型，并進行了分析和比較。 在改善鈦合金電火花強化后的硬度、耐磨性、耐蝕性方面取得了明顯成果。
關鍵詞：鈦合金 電火花成型 電火花線切割 電火花強化
鈦合金因其密度小、 比強度高、 耐蝕性好等優點［1-2］，廣泛應用于航空、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、壓氣機葉片和風扇葉片，艦船中的耐壓艇體和泵體等。
鈦合金屬于難切削材料［3］。 鈦合金的導熱系數小，在加工鈦合金時切削溫度高，產生的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，使已加工表面容易產生回彈，易引起刀具后刀面與已加工表面間產生強烈摩擦，從而磨損刀具和崩刃［6］。 而電火花加工不受加工對象的強度、硬度及脆性影響，幾乎不產生切削力，加工范圍廣，這些特點有利于鈦合金的加工。 筆者從電火花成型加工、線切割、電火花表面強化三方面論述了電火花加工鈦合金的研究現狀。
1.鈦合金的電火花成型加工
對于電火花成型加工來說，材料的可加工性主要取決于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），導熱性比碳鋼低很多，加工時需要很大的能量才能完全氣化，所以其對于電火花加工也是一種難加工材料［7］。
表 1 鈦合金物理性能
為了提高電火花加工鈦合金時的材料去除率和表面質量，降低工具電極損耗，國內外學者從電火花加工鈦合金機理以及優化電火花加工條件等方面著手開展了深入研究。
Tiwary A P［8］通過曲面響應法建立了脈沖寬度、峰值電流、開路電壓、沖液壓力，以及與材料去除率、電極損耗、加工間隙、加工錐度等工藝指標有關系的二次多項式數學模型。 相比實驗得到的工藝指標值，利用該模型預計的平均誤差是 3.32%。 得出優化后的鈦合金電火花加工參數分別為：脈沖寬度 1 μs，峰值電流 2.5 A，開路電壓 50 V，沖液壓力 0.2 kg/cm2。
Hascalik A［9］在電火花加工后的鈦合金表面檢測到 Ti24C15（如圖 1 所示），Ti24C15 會提高鈦合金表面的硬度（如圖 2 所示）。 在加工后的表面觀察到了顯微裂紋，這降低了鈦合金的耐疲勞性能。 電火花加工鈦合金 TC4 的加工效率、電極絕對損耗（如圖 3 所示）、平均白層厚度隨著峰值電流以及脈沖寬度的增加而增加，表面粗糙度值降低。 但是脈沖寬度達到 200 μs 時，材料去除率降低，表面粗糙度值增加。 相比鋁、銅電極，石墨電極在材料去除率、電極損耗方面更有優勢， 不過加工后工件的表面更粗糙。
圖 3 電極絕對損耗對比圖
強華等［10］使用紫銅電極和銅鎢電極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。 粗規準宜選用紫銅電極，精規準宜選用銅鎢合金電極， 這樣使加工精度以及加工效率比單純使用紫銅電極或者銅鎢電極都要好。
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。 在放電后電極表面和鈦合金表面形成了鈦的氧化物或者碳化物， 這些生成物一方面補償了電極的損耗，另一方面也造成了放電加工要消耗更多的能量。
Kao 等［12］利用灰色理論優化了鈦合金的電加工參數，將工具電極損耗降低了 15%，表面粗糙度值降低了 19%，材料去除量提高 12%。
近些年，有學者通過采用超聲電火花復合加工、在電火花工作液中加入顆粒物、 使用獨立電極取代單個成型電極等新途徑， 來進一步提高鈦合金的電火花成型加工效率，改善電火花成型加工的表面質量。
所謂超聲電火花復合加工，是指在電火花放電加工的電極上施加超聲機械振動，同時在煤油工作液中混入 Si C 等微粉，來達到超聲磨料拋光和火花放電蝕除加工的復合作用。
Lin［13］采用超聲電火花復合加工的方式，利用工作液高頻振動以及磨料對工件有沖擊作用，使得加工效率變高，重鑄層變薄（如圖 4 所示），不正常放電次數會顯著降低（如圖 5 所示），不過表面粗糙度值也變大了。Kolli［14］在電火花專用煤油中混入不同濃度的 B4C顆粒，發現 B4C 顆粒提高了材料蝕除效率，降低了電極絕對損耗和表面粗糙度值。
Azad［15］使用曲面響應法，在 Si C 濃度為 16.8 g/L、單個脈沖放電能量為 57.8 μJ 時， 將放電后鈦合金表面粗糙度值減小到 0.75 μm。
通常電火花成型加工使用的是單個成型電極，而將單個成型電極分割為多個獨立電極， 將這些獨立電極連接脈沖電源，從而使單個獨立電極放電后，其它獨立電極與加工面之間的間隙電壓依然存在， 進而實現在試樣表面持續不斷地放電，以提高加工效率。圖 6 為裝夾好的獨立電極［16］。
2.鈦合金的電火花線切割加工
衡量鈦合金電火花線切割加工性能的指標有切割速度、電極絲損耗、表面質量、加工精度等，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、熱膨脹系數、密度）、電極制作、加工參數等角度，建立了多種分析模型，對鈦合金線切割后的硬度、相變、重鑄層、殘余應力、粗糙度、切割速度的變化做了探究，最終優化了線切割加工條件。
Spur［17］利用有限元分析方法，建立了能夠描述電火花放電對于尺寸、 強度隨時間變化的半無限固體影響的模型， 得出了鈦合金的導熱系數和比熱容是影響其線切割加工效率以及熱影響區大小的重要屬性。
Nourbakhsh［18］通過田口試驗設計法，發現鈦合金TC4 線切割速度與峰值電流、脈沖寬度呈正比關系，而線切割后表面粗糙度與峰值電流、 脈沖寬度呈反比關系。電極絲的斷裂與脈沖間隔、脈沖寬度、張力大小、沖液壓力有密切關系。相比沒有鍍層的黃銅電極絲，鍍鋅黃銅電極絲能提高線切割效率、降低表面粗糙度值（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，并進行量綱分析，建立了關于加工效率的半經驗模型。利用該半經驗模型可以分析、預測鈦合金 TC4 的多個物理特性（如電導率、熱導率、熱膨脹系數、密度）以及線切割加工參數對于蝕除效率的影響。 其中，鍍了 Cu Zn20 黃銅的黃銅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%。 并且發現，脈沖的波形也會對蝕除速率有影響。
Sarkar［20］采用中心組合設計的實驗設計思路，基于曲面響應法的分析理念，建立了關于線切割 γ-鈦鋁化合物后表面粗糙度、線電極絲偏移量、切割速度的二次多項式數學模型。 該模型能夠有效地估計出指定的線切割參數對線切割過程的影響。 采用帕雷托優化算法進行綜合優化后，得出線切割 γ-鈦鋁化合物后表面粗糙度與切割速度呈反比關系， 不過當切割速度超過13.88 mm/min 后 ，表 面粗糙度會急劇惡化。鈦合金線切割后的表面產生了氧化物或者氮化物，顯微硬度、微觀形貌也發生變化， 這對于三元形狀記憶合金以及鈦合金著色上都有應用。
Kuriakose［21］通 過 比 較 XRD 圖 譜中衍射峰強度以及峰位角的不同， 得出了脈寬、 脈間對線切割后鈦合金 TC4 表面金屬特性有重要影響， 而采用鍍鋅的黃銅電極絲線切割能使鈦合金 TC4 表面金屬特性更加均勻。比較多個線切割參數，得出減小脈沖間隔能明顯減少鈦合金 TC4 表面氧化物的生成。
Hsieh［22］發現，在大的彎曲應力下，線切割后 Ti–Ni–X 三元形狀記憶合金的形狀恢復性能會有輕微降低，線切割表面硬度會比基體要大。
鈦合金線切割后可以產生氧化物或者氮化物，這被應用于鈦合金的著色上。文獻［23］發現，鈦合金線切割后表面形成了不同厚度的氧化鈦膜， 在光的干涉作用下會得到不同顏色的干涉光， 通過控制氧化鈦膜的厚度，可對鈦合金著不同的顏色。
3 鈦合金的電火花沉積強化加工
鈦合金的硬度較低，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，嚴重影響了鈦合金的應用。因此，對鈦合金進行表面改性和強化處理是鈦合金推廣應用的重要難題。 鈦合金的電火花表面強化是用導電材料（硬質合金、石墨等）作為陽極，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沖放電，利用產生的高溫環境，將熔化的電極材料熔滲至工件表面， 來形成具有冶金特性的強化層，提高零件的硬度、耐磨性、耐蝕性及熱硬性等表面性能。 與其它表面處理工藝（如熱噴涂、堆焊、電鍍、PVD、CVD 等） 相 比 ， 電火花表面強化過程能量輸入少，熱影響區也很小；強化層是高溫高壓下形成的合金層，并非簡單的材料涂敷，因此其結合強度較高。
劉志東等［24］使用旋轉的柔性銅電極對鈦合金表面進行電火花表面強化， 得到的強化表面硬度相對基體提高了 237%~399%；強化層厚 21~157 μm，表面沒有明顯的放電蝕除凹坑，表面粗糙度變化量也不大；強化層在 HF 和 HNO3混合溶液中，耐腐蝕能力很好；表面磨損性能也得到了提升（如圖 8 所示）。
王明偉等［25］以 WC 為電極，氬氣作為保護氣，在BT20 基體上制備了強化沉積層。 得到的沉積層和基體結合致密，形成了良好的冶金結合。沉積層表面呈潑濺狀形貌（如圖 9 所示）。沉積層顯微硬度呈梯度變化，最大硬度達到基體的 3 倍。
4.總結
研究者們通過大量的實驗對各種鈦合金電火花加工技術的加工工藝進行最優化研究， 得到了許多數據和經驗模型。 同時，借助于中心組合設計、田口試驗設計、曲面響應法、有限元分析、帕雷托優化算法等，實現了對鈦合金電火花加工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。近些年出現的電火花復合加工、混粉加工、使用獨立電極代替單個成型電極等新途徑，也展現出了其優勢。電火花表面強化技術在鈦合金加工領域取得了較好的效果，鈦合金表面通過電火花沉積，可得到具有高硬度、耐磨、耐高溫氧化和摩擦因數低的特殊表面涂層。
電火花加工將來應該結合超聲加工、 電解加工等方式，朝著高加工精度、高加工效率、無變質層方向更近一步，從而滿足現代化發展的需要。
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