CN102703845A

CN102703845A - 一种tc4钛合金表面高硬度的电火花强化工艺

Info

Publication number: CN102703845A
Application number: CN2012101517904A
Authority: CN
Inventors: 李敏; 蔡兰蓉; 杨慧; 马春雷
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2012-10-03

Abstract

TC4钛合金改善表面硬度的方法，它涉及一种TC4钛合金的电火花表面强化方法，属于特种加工技术领域。即向准干式工作介质中添加不同固体粉末材料以获得TC4钛合金表面高硬度的强化工艺。本发明涉及改善TC4钛合金表面硬度的方法按以下步骤实施：采用混粉准干式电火花表面强化方法对TC4钛合金进行强化，工作介质中混入的固体粉末材料分别为碳粉、B₄C粉、及C与B₄C混合粉。混粉准干式电火花表面强化过程中实验参数为：脉冲间隔t_off＝150μs，脉冲宽度t_on＝150μs，脉冲电流i_e＝14A，电源极间放电电压为120V，加工深度h＝0.1mm，工具电极为石墨。本发明具有增强层与基体结合较好、表面力学性能提高显著等优点。采用本发明方法表面强化后的TC4钛合金显微硬度值高达1382HV，与原始合金相比提高了300％。

Description

一种TC4钛合金表面高硬度的电火花强化工艺

技术领域

本发明涉及一种采用添加不同固体粉末材料的混粉准干式电火花表面强化工艺，获得具有表面高硬度的TC4钛合金的强化工艺。

背景技术

钛合金作为一种新型的结构材料，具有质量轻、比强度高、耐腐蚀等优点，在冶金、机械、化工和航空航天领域获得了广泛的应用。但钛合金存在硬度低、耐磨损性能差等缺点在很大程度上限制了其应用范围的进一步扩展。国内外科研工作者在赋予钛合金新的性能以弥补其不足的各种表面强化技术方面开展了广泛的应用研究。电火花表面强化是电火花微细加工领域重要的延伸和拓展，通过电极与工件之间的瞬态放电，利用放电能量使电极材料向基体扩散、迁移，以实现基体局部表面熔化和合金化，获得表面硬质薄层化合物，以增强合金表面硬度。在传统的以气、煤油或去离子水等单一工作介质的基础上，研究者们研究出了气液、液固等新型混合两相工作介质。但是以上电火花表面强化主要依靠工具电极中的特定成分在放电过程中熔入合金工件表面，以实现对工件的表面强化，生成的增强相的数量及强化层厚度有限，固强化效果不明显。混粉准干式多相介质电火花表面强化技术，即在准干式介质中混入单一或多种粉末材料，放电产生的高温除了使熔融的基体材料和电极材料且与足量的介质组元强化材料在基体表面发生原位自生反应，生成多相增强体，实现对合金基体的混杂强化。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中TC4钛合金表面强化后硬度值仍较低的问题，提供一种能有效的改善TC4钛合金表面高硬度的电火花强化工艺。

本发明改善TC4钛合金表面高硬度的电火花强化工艺按以下步骤实施：一、制备混粉准干式电火花表面强化需要的TC4钛合金材料。实验采用的是退火态的TC4钛合金。二、用10％NaOH水溶液将TC4钛合金表面清洗干净，用卡具将其固定于电火花成型机床的工作台上，在去离子水中混入固体粉末材料，浓度为5ml/l，利用搅拌器将其搅拌均匀，利用雾状发生器产生混粉准干式工作介质，固体粉末材料分别为粒度为2.6μm的碳粉、粒度为7μm的B₄C粉、粒度为7μm的B₄C粉和粒度为2.6μm的碳粉的混合粉，B₄C与C比例为1∶1。电火花实验参数为：脉冲间隔t_off＝150μs，脉冲宽度t_on＝150μs，脉冲电流ie＝14A，电源极间放电电压为120V，加工深度h＝0.1mm，工具电极为石墨。强化时，工件接电源正极，工具电极接电源负极。

本发明改善TC4钛合金表面高硬度的电火花强化工艺原理为：混粉准干式工作介质中分别混入C粉、B₄C粉、B₄C和C的混合粉后，在电火花表面强化过程中，放电产生的高温使熔融的基体材料、电极材料且与足量的固体粉末材料在基体表面发生原位自生反应，分别生成单一TiC相、TiB相、及TiC与TiB混合相。TiB和TiC颗粒可显著提高合金硬度和耐磨性，进而改善TC4钛合金表面力学性能。

本发明工艺简单，易于操作。采用本发明方法处理后的TC4钛合金表面最大显微硬度值为1174HV～1382HV，与未经过处理的原始TC4钛合金相比，最大显微硬度值增加了290％～360％。同时，准干式电火花强化可以减少废弃液体介质排放量，避免火灾隐患，实现绿色加工。

具体实施方式

具体实施方式一：一、制备混粉准干式电火花表面强化需要的TC4钛合金材料。实验采用的是退火态的TC4钛合金。用10％NaOH水溶液将其表面清洗干净，用卡具将其固定于电火花成型机床的工作台上。二、去离子水中混入固体粉末材料，浓度为5ml/l，利用搅拌器将其搅拌均匀，粉末为C粉，粒度为2.6μm。三、混粉准干式工作介质的产生。采用雾状发生器将混入固体强化材料的工作液体和气体混合均匀，得到混粉准干式介质，作为电火花表面强化的工作介质。四、表面强化。气液固三相准干式介质经专用喷嘴输入工具电极和工件之间的间隙，固体粉末强化材料粘附在工件表面，电极放电产生的高温使工件基体材料与粉末强化材料熔融并发生原位自生反应，生成增强相，进而强化合金表面。电火花实验参数选择为：脉冲间隔t_off＝150μs，脉冲宽度t_on＝150μs，脉冲电流ie＝14A，电源极间放电电压为120V，加工深度h＝0.1mm，工具电极为石墨。强化时，工件接电源正极，工具电极接电源负极。

本实施方式制得的TC4钛合金表面形成了一层均匀的菊花瓣状强化层，表面硬度测试其值高达1181HV。比未经表面强化的原始TC4钛合金表面硬度的300HV提高881HV，涨幅为290％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是步骤一中混入的粉末材料为粒度为7μm的B₄C粉。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

本实施方式制得的TC4钛合金表面形成了一层均匀、致密的菊花瓣状强化层，表面硬度测试其值高达1174HV。比未经表面强化的原始TC4钛合金表面硬度的300HV提高874HV，涨幅为290％。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是步骤一中混入的粉末材料为粒度为7μm的B₄C和粒度为2.6μm的C粉的混合粉，比例为1∶1。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

本实施方式制得的TC4钛合金表面形成了一层均匀、致密的菊花瓣状强化层，表面硬度测试其值高达1382HV。比未经表面强化的原始TC4钛合金表面硬度的300HV提高874HV，涨幅为360％。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是步骤四中加工深度h＝0.2mm，其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

Claims

1.一种TC4钛合金表面高硬度的电火花强化工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)去离子水中混入固体粉末材料：在去离子水中加入固体粉末材料，浓度为5ml/l，利用搅拌器将其搅拌均匀。采用本发明方法处理后的TC4钛合金表面显微硬度值为1174HV～1382HV，与未经过处理的原始TC4钛合金相比，最大显微硬度值增加了290％～360％。

(2)雾状介质的产生：采用专用介质发生器将混入固体粉末材料的工作液体和气体混合均匀，得到混粉准干式介质，作为电火花表面强化的工作介质。

(3)表面强化过程：气液固三相准干式介质经专用喷嘴输入工具电极和工件之间的间隙，固体粉末强化材料粘附在工件表面，电极放电产生的高温使基体材料、电极材料、固体粉末材料熔融并发生原位自生反应生成强化相。

2.根据权利要求1所述的一种TC4钛合金表面高硬度的电火花强化工艺，其特征在于混粉准干式工作介质中混入的固体粉末材料为粒度为2.6μm的碳粉。

3.根据权利要求1所述的一种TC4钛合金表面高硬度的电火花强化工艺，其特征在于混粉准干式工作介质中混入的固体粉末材料为粒度为7μm的B₄C粉。

4.根据权利要求1所述的一种TC4钛合金表面高硬度的电火花强化工艺，其特征在于混粉准干式工作介质中混入的固体粉末材料为粒度为7μm的B₄C粉和粒度为2.6μm的碳粉的混合粉，B₄C与C比例为1∶1。