徐安陽(yáng) 劉志東 李文沛 邱明波 田宗軍

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

功能電極電火花誘導(dǎo)(EDM)燒蝕加工鈦合金的加工效率是傳統(tǒng)電火花加工的數(shù)十倍，解決了困擾電火花加工發(fā)展多年的加工效率低問(wèn)題，但燒蝕加工表面存在燒蝕坑、孔和微裂紋，對(duì)表面完整性和使用性能均有較大的影響［1-3］，因此有必要對(duì)燒蝕加工表面進(jìn)行修整和強(qiáng)化.

常用的表面強(qiáng)化方法有電火花表面強(qiáng)化、堆焊、物理氣象沉積(PVD)法、化學(xué)氣象沉積(CVD)法等.這些方法在改進(jìn)表面耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性等的同時(shí)也存在一些不足，如等離子噴涂存在涂層表面較粗糙、生產(chǎn)過(guò)程有噪聲及極強(qiáng)紫外線污染等問(wèn)題;氣體氮化、PVD 法和CVD 法存在涂層厚度薄、工藝復(fù)雜、需要專(zhuān)用設(shè)備和專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題［4-5］.

傳統(tǒng)電火花表面強(qiáng)化存在強(qiáng)化層表面粗糙度不易控制、生產(chǎn)效率低、強(qiáng)化工藝不穩(wěn)定的缺點(diǎn)［6-7］.氮?dú)夥諊须娀鸹ǔ练e反應(yīng)合成TiN 涂層，雖能獲得質(zhì)量良好的涂層，但涂層有貫穿裂紋，而且需要密閉的空間，加工便利性差，設(shè)備成本高［8-9］.已有學(xué)者用電火花沉積技術(shù)獲得高致密非晶涂層，在油質(zhì)工作液中加入Ti 粉，利用工作液中分離出來(lái)的C 反應(yīng)生成TiC 強(qiáng)化相并沉積在工件表面，強(qiáng)化層硬度可達(dá)2 000，提高了表面耐磨性和顯微硬度［10-12］，但這些涂層較薄且均勻性較差［13-14］.本課題組以柔性電極代替實(shí)體電極進(jìn)行表面強(qiáng)化，取得了一定成效，但也存在涂層較薄、需要經(jīng)常更換電極等不足［15］.為此，文中直接采用燒蝕加工系統(tǒng)，通過(guò)功能電極向加工區(qū)域通入氮?dú)?，利用鈦材料在氮?dú)夥諊心芘c氮?dú)夥磻?yīng)的特點(diǎn)，直接在燒蝕加工表面生成TiN 涂層，通過(guò)利用氮化鈦的高硬度、高熔點(diǎn)等特性［16］來(lái)改善加工表面的質(zhì)量和性能.

1 原位合成TiN 涂層原理

功能電極原位合成TiN 涂層原理如圖1 所示.通過(guò)功能電極向加工區(qū)域通入氮?dú)猓秒娀鸹ǚ烹姰a(chǎn)生的高溫，熔融工件表面材料，促使鈦合金材料與氮?dú)獍l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成TiN 強(qiáng)化相.同時(shí)，部分氮?dú)獗幻}沖放電電離為離子態(tài)，具備高活性的氮離子及氮分子吸附在熔融的鈦合金表面，并滲透到金屬內(nèi)部，在高溫下與鈦材料合成TiN，生成TiN 強(qiáng)化涂層.

圖1 功能電極原位合成TiN 涂層原理圖Fig.1 Principle diagram of forming TiN coating in-situ synthesis with functional electrode

使用北京凝華NH7125 型數(shù)控電火花成形加工機(jī)床，原位合成加工與燒蝕加工使用相同的加工系統(tǒng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示.

圖2 功能電極原位合成TiN 涂層系統(tǒng)圖Fig.2 System diagram of forming TiN coating in-situ synthesis with functional electrode

功能電極外徑Φ=12 mm，材料為紫銅，調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)電極旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1200 r/min;工件材料為鈦合金TC4.采用如表1 所示的第1 組參數(shù)進(jìn)行燒蝕實(shí)驗(yàn)，采用第2 組參數(shù)進(jìn)行原位合成TiN 涂層實(shí)驗(yàn)，所有加工均為正極性.其中ton為脈寬，toff為脈間，I為低壓電流，pg為氣壓，pl為水壓.

表1 燒蝕加工及原位合成TiN 涂層的加工參數(shù)Table 1 Machining parameters of forming TiN coating in-situ synthesis and EDM-induced ablation machining

采用UT2062B 型示波器(優(yōu)利德公司)測(cè)量放電波形、HXS-1000AK 型顯微硬度計(jì)(上海昊微公司)測(cè)量硬度、日立S3400 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察表面微觀形貌和測(cè)量表面元素及含量、D/MAX2200PC 型衍射儀(XRD，日本Rigaku 公司)測(cè)量表面成分.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 燒蝕加工表面分析

實(shí)驗(yàn)所得燒蝕加工表面如圖3(a)所示，該表面較粗糙且有較多的黑色生成物，邊沿和加工表面有鈦在水中加工時(shí)氧化形成的多彩膜.

電火花誘導(dǎo)燒蝕加工生成的表面微觀形貌如圖3(b)所示，該表面覆蓋有大量重凝物、微孔和微裂紋，重凝物有飛濺和移動(dòng)的現(xiàn)象，這些均嚴(yán)重影響燒蝕加工表面質(zhì)量.

如圖3(c)所示，燒蝕加工表面存在大量的氧元素，說(shuō)明氧氣與工件表面材料發(fā)生了劇烈的氧化燃燒反應(yīng)，極大地提高了加工效率，但劇烈的氧化燃燒反應(yīng)也破壞了加工表面質(zhì)量，在加工表面生成鈦的氧化層和變質(zhì)層，對(duì)表面有不利的影響.因此有必要對(duì)燒蝕加工表面進(jìn)行修整強(qiáng)化處理.

2.2 TiN 涂層表面分析

利用功能電極原位合成的TiN 涂層表面如圖4(a)所示，TiN 涂層表面完整性較好，呈現(xiàn)TiN特有的金黃色，表面較光滑.由圖4(b)可知:TiN 涂層表面由典型的氣中放電形成的大而淺的放電蝕坑組成，眾多放電蝕坑相互交疊形成較平坦表面;TiN涂層表面有明顯的磨擦痕跡(見(jiàn)圖中A 處)，這說(shuō)明在原位合成TiN 涂層過(guò)程中，電極端面與加工表面發(fā)生了接觸摩擦，對(duì)TiN 涂層表面有一定的修整作用，從而降低表面粗糙度，提高TiN 涂層的表面質(zhì)量.對(duì)比燒蝕加工表面形貌(見(jiàn)圖3(b))可知，TiN涂層表面完整均勻，基本上消除了燒蝕加工表面的微孔、微坑和一部分微裂紋，表面的完整性有明顯改善.

由圖4(c)可知，TiN 涂層表面含有大量的氮元素，對(duì)比燒蝕加工表面的能譜圖(見(jiàn)圖3(c))可知，TiN 涂層表面的氧元素含量有極大的降低，說(shuō)明在加工過(guò)程中有大量的氮元素與表面材料反應(yīng)生成氮化物，并沉積在工件表面，同時(shí)高溫下有大量氧化物被氮?dú)夥磻?yīng)轉(zhuǎn)化為氮化物.

圖3 燒蝕加工表面及其微觀形貌和能譜圖Fig.3 Surface machined by EDM-induced ablation machining and its microstructure，energy spectrum

原位合成TiN 涂層的放電波形如圖5(a)所示，呈現(xiàn)典型氣中放電形態(tài)，擊穿電壓較高，工作電壓保持穩(wěn)定.這說(shuō)明在原位合成TiN 涂層過(guò)程中，電火花放電過(guò)程穩(wěn)定，能量利用率較高，在利用較低放電能量修整加工表面的同時(shí)，被電火花放電熔化和熔融的表面材料與氮?dú)饬靼l(fā)生較完全的化學(xué)反應(yīng)，形成完整的TiN 涂層.功能電極的高速旋轉(zhuǎn)，能不斷地轉(zhuǎn)移放電點(diǎn)，分散單點(diǎn)放電能量，在避免產(chǎn)生拉弧的同時(shí)產(chǎn)生更多的原位反應(yīng)，提高氮?dú)獾睦寐屎蚑iN涂層的生成效率.

原位合成TiN 涂層表面的顯微硬度為1761.8，約是燒蝕加工表面顯微硬度(673.2)的2.6 倍，是基體硬度(305)的5.7 倍，但其表面粗糙度(4.82 μm)不及燒蝕加工表面粗糙度(10.17 μm)的1/2.因此，在加工表面原位合成TiN 涂層，可極大地提高加工表面的顯微硬度，顯著降低表面粗糙度，改善了表面質(zhì)量.

圖4 原位合成的TiN 涂層表面及其微觀形貌和能譜圖Fig.4 TiN coating surface formed in-situ synthesis and its microstructure，energy spectrum

TiN 涂層的顯微硬度沿表面向基體縱深的分布曲線見(jiàn)圖5(b).TiN 涂層的顯微硬度很高，且隨著與TiN 涂層表面距離的增大逐漸降低，直到基體硬度;TiN 涂層厚度較大，在距離表面400 μm 時(shí)，顯微硬度依然在800 以上，能明顯改善表面性能.在涂層和電火花放電熱影響層的作用下，在距離表面1.25 mm的基體內(nèi)部，硬度依然高于基體.顯微硬度由TiN 涂層表面到基體是逐漸減小，沒(méi)有明顯界限，涂層與基體之間形成相互滲透的冶金結(jié)合.

由圖5(c)可知，TiN 涂層主要由TiN、VO、CuO等相組成，VO、CuO 等相是工件和電極材料在燒蝕加工中生成的氧化物滲透到TiN 層表面的結(jié)果，也使得TiN 涂層表面存在如圖4(b)中黑色斑點(diǎn)雜質(zhì).由圖4(c)可知，TiN 涂層中銅和釩的含量均很少，因此VO、CuO 含量也極少，而氮元素的含量達(dá)到30.94%，相應(yīng)生成的TiN 強(qiáng)化相含量可達(dá)61.88%以上，是涂層表面的主要成分，也說(shuō)明工件中的鈦材料與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)生成了TiN 強(qiáng)化相.

圖5 原位合成TiN 涂層的放電波形、硬度分布和XRD 圖譜Fig.5 Discharge waveform，hardness distribution and XRD pattern of TiN coating formed in-situ synthesis

由以上分析可知，原位合成TiN 涂層的反應(yīng)過(guò)程如下:

(1)電火花放電蝕除燒蝕加工產(chǎn)生的氧化層和變質(zhì)層，并使表面熔化熔融;

(2)熔化的鈦材料與N2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，甚至在火花放電引燃作用下，與氮?dú)獍l(fā)生燃燒反應(yīng)，生成TiN，化學(xué)式為

2Ti+N2=2TiN

(3)在高溫、純氮環(huán)境中，氮元素替換燒蝕加工表面的鈦氧化物中的氧元素，生成TiN，提高了涂層中TiN 的含量，降低氧元素的含量，其反應(yīng)式為

2TiO2+N2=2TiN+2O2

2TiO+N2=2TiN+O2

進(jìn)一步提高原位合成TiN 涂層加工的時(shí)間和其他條件，能進(jìn)一步降低氧元素的含量，提高TiN 硬質(zhì)相的含量和純度.

綜上所述，利用鈦材料在高溫條件下能夠與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)的特性，在燒蝕加工表面原位合成了TiN 涂層.TiN 涂層的主要成分為T(mén)iN 強(qiáng)化相，它改善了涂層表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，從而獲得完整性較好的表面.

2.3 電極端面分析

原位合成TiN 涂層的電極端面呈黃褐色，有較多的黃色物質(zhì)，其微觀形貌如圖6(a)所示，電極端面有明顯的重凝物質(zhì)，表面有大面積摩擦涂覆痕跡(見(jiàn)圖中B 處).這說(shuō)明:在加工過(guò)程中，電極端面與TiN 涂層表面間發(fā)生了接觸摩擦，熔融的TiN 等物質(zhì)在摩擦涂覆作用下沉積在電極表面，降低了電極損耗，改變了電極表面的物質(zhì)成分，同時(shí)帶動(dòng)生成的TiN 和重熔物質(zhì)在TiN 涂層表面產(chǎn)生涂覆作用，提高涂層中TiN 等物質(zhì)在表面的均勻性和純度，降低涂層的表面粗糙度值.

由圖6(b)可知，紫銅電極端面除了含有一定量的銅元素外，還含有大量的鈦、鋁和釩等鈦合金TC4工件所含元素，同時(shí)出現(xiàn)了大量的氮元素，特別是鈦和氮元素，兩者共占表面元素的84.3%，銅元素僅占7.6%，因此電極元素銅對(duì)涂層的影響有限.

由圖6(c)電極端面XRD 圖譜可知，電極端面主要有TiN、Cu、CuO 等相，其中TiN 是主相，CuO 等氧化物是電極材料氧化的產(chǎn)物，這也使得電極表面呈現(xiàn)黃中帶黑的物質(zhì).由圖6(b)可知，電極端面氧的含量極少，基本上沒(méi)有出現(xiàn)，因此CuO 等氧化物在電極端面的含量不高.表面主要由TiN 和少量銅元素組成.結(jié)合圖6(a)所示電極端面微觀形貌圖、圖6(b)所示電極端面能譜圖中電極的原始元素銅在加工后的電極端面含量極低的現(xiàn)象，可以得出:①原位合成TiN 涂層過(guò)程中，氮?dú)夂凸ぜ半姌O材料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成氮化物等強(qiáng)化相，而且反應(yīng)主要發(fā)生在作為正極的工件表面，生成的部分TiN強(qiáng)化相反鍍到電極表面，在電極表面出現(xiàn)大量的TiN 和工件材料Ti;②在原位合成TiN 涂層過(guò)程中，電極端面對(duì)涂層表面有摩擦涂覆作用，使生成物與熔融的工件材料沉積在電極端面，在減小電極損耗的同時(shí)，使生成的TiN 強(qiáng)化相均勻地涂覆在涂層表面;③避免銅材料滲透到TiN 涂層表面，提高TiN 涂層中TiN 硬質(zhì)相的純度.這從另一個(gè)方面證實(shí)了電火花原位合成TiN 涂層對(duì)加工表面有較強(qiáng)的修整強(qiáng)化功能，能有效改善表面微觀結(jié)構(gòu)和成分，降低加工表面的粗糙度值，提高表面質(zhì)量.

圖6 電極端面的微觀形貌、能譜圖和XRD 圖譜Fig.6 Microstructure，energy spectrum and XRD pattern of electrode end face

3 結(jié)論

(1)利用功能電極電火花原位合成的方法在TC4工件的燒蝕加工表面制備出TiN 強(qiáng)化涂層，TiN 涂層致密、均勻，主要由TiN 強(qiáng)化相組成.在TiN 涂層生成過(guò)程中，電火花放電穩(wěn)定連續(xù)，能量利用率較高.

(2)TiN 涂層厚度超過(guò)400 μm，顯微硬度高，可達(dá)1761.8，是燒蝕加工表面的2.6 倍，是基體的5.7倍;表面粗糙度不及燒蝕加工表面的1/2，TiN 涂層與基體形成冶金結(jié)合.

(3)放電蝕坑大而且淺，微觀表面較平整，功能電極對(duì)TiN 涂層的摩擦涂覆作用明顯，對(duì)表面有明顯的修整作用.

(4)原位合成的TiN 涂層對(duì)電極端面有很強(qiáng)的反鍍作用，端面元素以TiN 強(qiáng)化相為主，能有效降低功能電極的電極損耗，保持涂層中的TiN 強(qiáng)化相純度.

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