CN115287654B - 一种气液雾化多孔电极电火花表面强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气液雾化多孔电极电火花表面强化方法，根据目标强化积层的需求，采用相应材料制备具有相互连通孔隙或通道特征的粉末颗粒多孔电极或实体多孔电极，而后将气体和液体介质按照一定比例经高压混合形成气液两相雾化介质通入多孔电极内部，使之在多孔电极与基体材料表面之间喷出形成绝缘放电介质，最后在多孔电极与基体材料之间施加电压，气液雾化介质被击穿形成火花放电现象，在火花放电形成的局部高温高压条件下，熔融的基体材料与多孔电极材料、气液介质元素之间发生原位自生反应，从而实现对目标基体材料的表面强化，获得具有优异性能的目标表面强化层。本发明具有强化效率快、强化层组织结构致密、缺陷少、与基体结合强度高等优点。

Description

一种气液雾化多孔电极电火花表面强化方法
技术领域
本发明属于特种加工技术领域，具体涉及一种气液雾化多孔电极电火花表面强化方法。
背景技术
电火花表面强化是在传统工艺基础上发展起来的一种金属表面处理技术，它利用工具电极与基体材料之间施加的高能瞬态局部脉冲放电将电极材料与基体材料瞬间熔融甚至汽化，熔融的金属材料之间相互反应再沉积到基体表面形成一层具有优异性能的目标表面强化层。电火花表面强化能有效改善机械零部件的力学性能，提高机械设备及一些易磨损失效零部件的使用寿命，在航空航天、军工、化工、刀具、模具、精密机械以及计算机技术等领域应用广泛，经济效益也日渐凸显。
传统电火花表面强化工艺多在煤油、去离子水等液体或气体介质中进行，煤油等油类介质闪火点低，易导致火灾，并且在放电高温下易挥发，对人体呼吸道刺激明显，产生的烟气严重污染大气环境；去离子水等液体工作液绝缘性、耐腐蚀性差，易造成机床腐蚀，且存在加工效率低，加工表面缺陷明显，不易形成强化层等缺点；在气体中进行电火花加工，存在加工均一性差，获得的强化层较薄，表面较粗糙等问题。因此，探寻一种能高效提升基体材料表面性能的强化加工方案十分必要。
蒋毅等人发表过一篇名为“多孔质电极电火花加工工艺”的文章，该文章中提出以多孔材料作为工具电极，多孔质电极由直径为毫米级的紫铜颗粒经高温烧结获得，加工过程中可利用颗粒间孔隙形成的流道实现分布式的全向内冲液达到快速去除材料的目的。但是，基于相关参数和设计的限制，利用该工艺进行电火花加工时，表面加工质量差、在表面加工时材料去除率低、只适用于深型腔的去除材料加工，不能用于表面强化，且该方案提出的多孔质电极只能用在电火花成形机床上进行加工使用，使用范围也比较单一。
经过对现有技术强化效果的对比与了解，为了获得高质量、高性能的电火花表面强化层，我们以工具电极和极间介质类型为主要研究对象，提出一种气液雾化多孔电极电火花表面强化方法，通过对多孔工具电极和气液雾化介质的合理选择，为制备高性能强化层提供理论依据和技术支持。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种气液雾化多孔电极电火花表面强化方法，该方法具有强化效率快、强化层组织结构致密、缺陷少、与基体结合强度高等优点。
本发明的具体技术方案为：一种气液雾化多孔电极电火花表面强化方法，包括如下步骤：
(1)对基体材料和多孔工具电极进行预处理；
(2)将多孔工具电极固定在夹具上，与脉冲电源电性相接，气体和液体介质经过高压混合形成气液雾化介质送入多孔工具电极内部，使之在多孔工具电极与基体材料的加工间隙喷出；
(3)打开电火花沉积脉冲电源，在多孔工具电极与基体材料之间施加脉冲电压，气液雾化介质被击穿形成火花放电现象，多孔工具电极和基体材料在局部高温高压条件下瞬间熔融甚至汽化，熔融的基体材料、多孔工具电极材料与气液介质元素之间相互反应，沉积到基体材料表面形成强化层。
进一步地，所述多孔工具电极为实体多孔电极或粉末颗粒多孔电极，实体多孔电极具有通孔特征，粉末颗粒多孔电极具有相互连通的孔隙或通道特征。
进一步地，多孔工具电极由单质金属或其合金材料、半导体材料、导电陶瓷材料、无机非金属导电材料等材料制备而成，金属材料优选紫铜、纯钛、钨或硬质合金材料，无机非金属导电材料优选石墨。
进一步地，实体多孔电极为通过铸造或机械钻削的方式在目标材料上加工出3-10个孔径范围在20-1000μm的通道后形成的。
进一步地，粉末颗粒多孔电极是目标强化材料粉末颗粒通过高温烧结技术、自蔓延高温合成技术或3D打印技术制备而成的多孔材料。
作为替代，粉末颗粒多孔电极还可以是由目标强化材料粉末颗粒制备的多孔材料和辅助管状电极组合形成，其中多孔材料参与放电强化，而辅助管状电极提供支撑以及作为气液雾化介质通道。
进一步地，多孔材料的孔隙尺寸为20-800μm。
进一步地，气体介质为氩气、氦气、氮气、二氧化碳的单一气体介质或者将氮气、二氧化碳中的一种混入惰性气体中形成混合气体介质，气体供给压力为0.01-5MPa。
进一步地，液体介质为电火花加工煤油、特种油、去离子水、普通饮用水、尿素溶液中的一种，液体供给压力为0.01-5MPa。
进一步地，气液雾化介质的喷出流量为0.1-10L/min。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1.本申请根据目标强化积层的需求，采用具有相互连通孔隙或通道特征的多孔工具电极作为电极材料，多孔电极的电极损耗不仅使进入极间参加反应的强化元素增加，而且可以增加加工过程中的放电点，同时便于雾化介质在其中均匀流通；
2.气液雾化介质中混入氩气、氦气等惰性气体，可以抑制加工过程氧化反应的发生，更有利于获得高质量的强化层，显著改善工件的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等表面特性；
3.选取不同材料制成的电极材料进行电火花表面强化反应，可以在基体表面生成不同性质的强化层，在此基础上通过对电火花表面强化电参数和其他非电参数的控制，可以获得组织连续致密，无明显缺陷，均一性良好的强化层；
4.本申请提出的多孔电极，既可以在电火花成形机床上当做工具电极使用，还可以作为电火花堆焊修复机的工具电极使用。
附图说明
图1是实施例1公开的实体多孔电极电火花表面强化示意图；
图2是实施例2公开的粉末颗粒多孔电极电火花表面强化示意图；
图3是实施例3公开的粉末颗粒多孔电极电火花表面强化示意图；
图4为实施例1中对基材进行电火花加工后获得的材料截面金相显微图；
图5为实施例2中对基材进行电火花加工后获得的材料截面金相显微图；
图6为实施例2中对基材进行电火花加工后获得的材料表面三维轮廓图；
其中，a-气液雾化介质的流入方向，b-电极运动方向；
1-待加工表面，2-强化层，3-实体电极，4-孔道，5-气雾介质，6-熔池，7-辅助管状电极，8-多孔电极，9-尿素溶液，10-手持夹具，11-等离子弧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例一、利用实体多孔电极对基材进行电火花表面强化
具体操作步骤如下：
(1)材料的预处理：试验前分别用400目、800目、1200目、2000目的碳化硅砂纸对基体材料和电极材料的表面依次进行打磨，工件表面没有明显划痕后用乙醇溶液清洗并吹干，以去除材料表面的氧化物、油污等杂质
(2)参考图1，将多孔工具电极定在机床夹具上，后续气液雾化介质经夹具与多孔工具电极通入加工间隙，在脉冲电源的作用下，多孔工具电极以一定的速度旋转并水平移动，从而实现对基体材料表面的电火花放电强化；
本实施例中所用基体材料为TC4钛合金，尺寸为30mm×20mm×10mm；
多孔工具电极为利用机械钻削加工的紫铜材质实体多孔电极，是在尺寸为φ10mm×65mm的紫铜电极上均匀开设3个孔径为φ0.8mm×65mm的孔形成的，开设孔道可便于雾化后的介质均匀流通；
(3)采用正极性加工，将基体材料与脉冲电源的正极相连，多孔工具电极固定在电火花强化装置的夹具上，与脉冲电源的负极相连，两极间施加脉冲电压对目标基体材料的表面进行强化；
(4)气体介质选择氮气，液体介质选择质量浓度为32.5％的尿素溶液；将气、液介质按照1:1的体积比经高压混合形成气液两相雾化介质后通入多孔工具电极内部作为绝缘放电介质；
(5)设置加工参数为：脉冲宽度150μs，脉冲间隔50μs，脉冲电流2.5A，气体和液体的供给压力均为1MPa，电极转速为125r/min，雾化介质的喷出流量大约为0.5L/min。
在电火花的高能瞬态局部脉冲放电作用下，瞬间熔融的电极材料和部分基体材料同雾化介质中的N元素之间发生原位自生反应，在基体表面形成一层与基体呈冶金结合的TiN陶瓷层；图4为进行电火花加工后的基体材料截面金相显微图，用HXD-1000TMS/LCD显微维氏硬度计对工件强化层和基体进行硬度测量(施加100gf的力，工作时间10s，不同位置各测试5次，去掉最大值和最小值后取平均值)，强化层平均显微硬度可达928.3HV，较基材显微硬度提高约3倍。
实施例二、利用金属粉末颗粒多孔电极对基材进行电火花表面强化
具体操作步骤如下：
(1)材料的预处理：试验前分别用400目、800目、1200目、2000目的碳化硅砂纸对基体材料和电极材料的表面依次进行打磨，工件表面没有明显划痕后用乙醇溶液清洗并吹干，以去除表面氧化物、油污等杂质；
(2)参考图2，本实施例是以金属粉末颗粒制备的多孔材料和辅助管状电极组合形成的金属粉末颗粒多孔电极进行电火花表面强化作业的，金属粉末颗粒制备的多孔材料和辅助管状电极通过机械结合的方式进行连接，加工过程中金属粉末颗粒制备的多孔材料参与放电强化，而辅助管状电极用以提供支撑以及作为气液雾化介质通道，电火花表面强化在尿素溶液中进行；
本实施例中所用基体材料为TC4钛合金，尺寸为30mm×20mm×10mm。
金属粉末颗粒多孔电极的多孔材料选用黄铜粉末颗粒烧结制备，所得多孔材料具有相互连通的孔隙，多孔材料的尺寸为Φ5mm*10mm，辅助管状电极采用中空铜管电极用以提供支撑以及作为气液雾化介质通道，外径尺寸为Φ6mm*100mm，内径尺寸为Φ5mm*100mm；
(3)采用正极性加工，工件浸入尿素溶液中与脉冲电源的正极相连，多孔工具电极固定在电火花强化装置的夹具上，与脉冲电源的负极相连，在两极间施加脉冲电压，从而实现对目标基体材料的表面强化；
(4)气体介质选择氮气，液体介质选择质量浓度为32.5％的尿素溶液，将气液介质按照1:1的体积比经高压混合形成气液两相雾化介质通入多孔电极内部作为绝缘放电介质；
(5)加工参数如下：脉冲宽度150μs，脉冲间隔50μs，脉冲电流2.5A，气体和液体的供给压力均为1MPa，电极转速为120r/min，雾化介质的喷出流量为0.5L/min。
在电火花的高能瞬态局部脉冲放电作用下，瞬间熔融的电极材料和部分基体材料同雾化介质元素之间发生原位自生反应，在基体表面形成一层以TiN为主要相的强化层，强化层与基体呈冶金结合，图5为进行电火花加工后的基体材料截面金相显微图，用HXD-1000TMS/LCD显微维氏硬度计对工件强化层和基体进行硬度测量(施加100gf的力，工作时间10s，不同位置各测试5次，去掉最大值和最小值后取平均值)，从表面到基材硬度逐渐降低，直至基材硬度351.1HV。图6为加工表面三维轮廓图，由扫描结果知加工表面的算术平均粗糙度为66.5μm。
实施例三、利用粉末颗粒多孔电极对基材进行电火花表面强化
具体操作步骤如下：
(1)材料的预处理：试验前分别用400目、800目、1200目、2000目的碳化硅砂纸对基体材料和电极材料的表面依次进行打磨，工件表面没有明显划痕后用乙醇溶液清洗并吹干，以去除表面氧化物、油污等杂质；
(2)参考图3，本实施例是以粉末颗粒制备的多孔工具电极进行电火花表面强化作业的，将工具电极固定在沉积枪的手持夹具上，气液雾化介质经手持夹具与工具电极通入加工间隙；
本实施例中所用基体材料为TC4钛合金，尺寸为30mm×20mm×10mm；
粉末颗粒多孔电极采用粒度为20-26μm的WC粉末经自蔓延高温合成技术或高温烧结技术制备，所得多孔材料具有相互连通的孔隙，多孔材料的尺寸为φ10mm×65mm，雾化介质以同轴输送的方式进入工件与基体的加工间隙；
(3)采用正极性加工，将基体材料与脉冲电源的正极相连，金属粉末多孔工具电极固定在电火花沉积枪的手持夹具上，与脉冲电源的负极相连，在两极间施加的脉冲电压，对目标基体材料的表面进行强化；
(4)气体介质选择氮气，液体介质选择质量浓度为32.5％的尿素溶液，将气液介质按照1:1的体积比经过高压混合形成气液两相雾化介质通入多孔电极内部作为绝缘放电介质；
(5)加工参数：脉冲宽度150μs，脉冲间隔50μs，脉冲电流2.5A，气体和液体的供给压力均为1MPa，电极转速为125r/min，雾化介质的喷出流量为0.5L/min。
在电火花的高能瞬态局部脉冲放电作用下，瞬间熔融的电极材料和部分基体材料同雾化介质中的N元素之间发生原位自生反应，在基体材料表面形成一层含TiN、TiC、W2C和少量W相的强化层，强化层与基体呈冶金结合。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种气液雾化多孔电极电火花表面强化方法，其特征在于，步骤如下：
(1)材料的预处理：基体材料为TC4钛合金，尺寸为30mm×20mm×10mm，试验前分别用400目、800目、1200目、2000目的碳化硅砂纸对基体材料和电极材料的表面依次进行打磨，基材表面没有明显划痕后用乙醇溶液清洗并吹干，以去除表面杂质；
(2)选择多孔电极，所述多孔电极为：
多孔电极A：以金属粉末颗粒制备的多孔材料和辅助管状电极组合形成的金属粉末颗粒多孔电极，金属粉末颗粒制备的多孔材料和辅助管状电极通过机械结合的方式进行连接，金属粉末颗粒的多孔材料选用黄铜粉末颗粒烧结制备，所得多孔材料具有相互连通的孔隙，多孔材料的尺寸为Φ5mm*10mm，辅助管状电极采用中空铜管电极用以提供支撑以及作为气液雾化介质通道，外径尺寸为Φ6mm*100mm，内径尺寸为Φ5mm*100mm；
或者，
多孔电极B：粉末颗粒多孔电极采用粒度为20-26μm的WC粉末经自蔓延高温合成技术或高温烧结技术制备，所得多孔材料具有相互连通的孔隙，多孔材料的尺寸为Φ10mm×65mm，雾化介质以同轴输送的方式进入电极与基体的加工间隙；
(3)电火花表面强化：采用正极性加工，基体与脉冲电源的正极相连，多孔工具电极固定在电火花强化装置的夹具上，与脉冲电源的负极相连，在两极间施加脉冲电压，从而实现对目标基体材料的表面强化；
(4)气体介质选择氮气，液体介质选择质量浓度为32.5％的尿素溶液，将气液介质按照1:1的体积比经高压混合形成气液两相雾化介质通入多孔电极内部作为绝缘放电介质；
(5)加工参数如下：脉冲宽度150μs，脉冲间隔50μs，脉冲电流2.5A，气体和液体的供给压力均为1MPa，雾化介质的喷出流量为0.5L/min，其中，采用电极A时，基体浸入尿素溶液中，电极转速为120r/min；采用电极B时，电极转速为125r/min。
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