钛合金电火花沉积硬质合金的强化工艺研究

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1、科学·创新·振兴钛合金电火花沉积硬质合金的强化工艺研究陈文华王德新魏妹恒(沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司)摘要：电火花表面沉积强化是一种无应力、无变形的表面处理新工艺。本文对B120钛舍金材特表面强化工艺进行研究并对强化过程做了分析。电火花放电的能量在放电微区产生的高温使电极和工件表面材料熔化，在基体表面产生熔池，冷却后形成强化层。通过x一射线衍射谱分析，表明强化层是电极和基体材料发生了冶全反应，重新舍金化，生成了不同于基体和电极材料的新相沉积在零件表层，从而提高钛合金零件表面耐磨损性能。试验表明不同工艺条件对沉积屡的厚度有明显的影响。选甩合理的工艺参数配置才能获得良好的沉积强

2、化效果。关键词：电火花沉积强化表面改性在现代工业生产中，钛合金材料以其良好的综合性能成为航空、航天工业最多采用的工程材料之一。但是由于钛合金存在耐磨损性能差的缺点，限制了它在许多领域的应用，这个缺点可以通过表面强化技术来弥补。电火花强化是一种无应力、无变形的表面处理新工艺。采用电火花强化工艺对BT20钛合金表面沉积YTl5硬质合金，大大提高了钛合金零件的抗磨损性能。研究电火花表面沉积的形成过程和强化机理，了解各项工艺参数对强化层厚度和质量的影响规律，是获得优质强化层的依据。采用旋转电极代替振动电极提高了强化层的密度，改善了表面的粗糙度，有利于提高强化层的质量。同样提高放电频率、改善

3、工艺氛围也有利于提高强化效果。1电火花表面沉积强化机理当旋转电极与零件表面接近达到了击穿电压的间隙时产生火花放电，放电点的阳极电极与阴极基体瞬间产生等离子弧，其放电能量使电极熔化，同时基体表面形成很浅的熔池，电极熔滴射向熔池。等离子弧产生的压力使熔池中液态金属向四周涌出，同时空气发生爆炸，旋转电极也迫使熔池内的液态金属向四周移动，形成单个脉冲强化点熔坑，材料发生合金化反应，分布在熔坑周围，这一现象叫“坑涌”。在强化过程中．由单个脉冲产生的合金化强化相(w：C、TiC)形成的强化点不断生成，并熔铸成强化层。当电极往复移动时强化点断续重叠，直到生成连续的强化薄层。强化过程是：熔化——凝

4、固——再熔化——再凝固的合金化过程的不断重复，使电极材料熔化过渡到基体。电极的移动方向、转速、倾斜角的变化，使强化过程具有随机性。经过多次往复最终形成致密的强化层。图1是单个脉冲强化过程的物理模型。114等高子电板Y115基体BT20广。‰；；尹]卜沉；点一f图1电火花表面强化过程物理模型餐弧rlllII—科学·创新·振兴2钛合金电火花沉积YTl5硬质合金强化层的结构分析强化试样截面的扫描电镜检测(见图2)分析表明：强化层呈白亮层，由电极材料与基体材料的元素组成，组织细密，有较高的耐磨性。白亮层内侧呈灰色，称为灰区。灰区为扩散区，是由电极材料元素熔渗扩散到基体材料中的区域，同时观察

5、到白亮层内含有较高的基体Ti元素，这是因为Ti在高温下具有很高的化学活性，Ti元素的扩散比其他元素更明显。一纛元素性分布图2试样截面线扫描分析图x一射线衍射分析(见图3)表观：强化层是由w：c、TiC、W、Ti组成，W：c、TiC具有极高的硬度，构成强化层的强化相，是实现钛合金表面改性的主要结构相。图3样件X射线衍射分析结果3强化参数对强化效果的影晌由上述沉积层形成的机理可知，电火花沉积是一个瞬时的合金化过程。强化层的形成、性质、厚度与115科学·创新·振兴电极和工件材料、沉积规范、强化时间、工艺氛围有很大关系。研究工艺参数对沉积层厚度的影响规律对获得良好的强化层是很重要的。3．1

6、放电能量对沉积层的影响图4为氩气保护下，相同放电频率和输出电压，不同放电电容的沉积试验所获得的强化层厚度与时间的关系图。90懿一60型50吐40啮30篁20嘿100O36912151824∞强旧桐缸曲图4不同放电电容强化层厚度随时间的变化图中表明：强化层厚度开始上升较侠，达到一个最大值后即缓慢下降。其原因是随着沉积的进行，阳极材料不断向基体表面迁移，同时基体表面也发生电蚀现象，并在放电微区进行了剧烈的物理化学反应，硬脆的沉积层反复受到热冲击，产生了内应力，积累到一定程度就会产生裂纹和断裂。在电火花爆炸和电极的机械作用下，破裂的碎片脱离沉积层飞溅出去，当沉积——飞溅达到平衡时，即达到

7、沉积厚度的峰值；当脱离量超过沉积量时，沉积厚度开始下降。图中表明：电容不同沉积厚度峰值不同，输出能量越大，峰值厚度越大，同时单个脉冲能量的增加，形成的放电坑和强化点越大，表面粗糙值越大。3．2放电频率对沉积层的影响放电频率指的是放电电容单位时间内的放电次数，从图5可以看出，高频时能达到要求的强化层厚度比低频的时问要短。另外，从试验中发现高频时表面粗糙度比低频时要好得多，放电频率越高，单位时间内在放电微区内电极和基体材料形成的熔滴就越小。这样形成的强化层比较致密，表面粗