電磁成型工藝對TC4鈦合金板表面強(qiáng)化性能的影響

鈦合金以質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐蝕性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療及汽車工業(yè)［1］。在汽 車工業(yè)，應(yīng)用鈦合金最多的是汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)［2-3］。鈦合金的密度低，可降低運(yùn)動零件的慣性質(zhì)量，提 高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速及輸出功率［4］。在醫(yī)療領(lǐng)域［5］，鈦合金被廣泛應(yīng)用于肢體植入，替代功能材料、牙科 、醫(yī)療器械等。在航空航天領(lǐng)域［6］，鈦合金的應(yīng)用包括飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等各種航天器件。如用 于制造飛機(jī)的機(jī)身、起落架、火箭的噴嘴、燃燒室、渦輪泵、衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件、天線、導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)、導(dǎo)引頭等 部件。隨著科技的不斷進(jìn)步，鈦合金應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)大，為各個領(lǐng)域的發(fā)展注入新的動力。然而，鈦合 金的硬度比常用材料（鋼）低，耐摩擦性差等［7］缺陷，制約了鈦合金在一些特殊環(huán)境中的應(yīng)用，如管道 、動力驅(qū)動裝置推進(jìn)器及驅(qū)動器軸，螺旋槳等磨損環(huán)境的使用。因此，提高鈦合金的硬度和耐磨性能，可更 好的擴(kuò)大鈦合金的應(yīng)用范圍［8-9］。

電磁成型工藝［10-11］是新興的高能率成型技術(shù)，是用瞬間的高壓脈沖磁場迫使坯料在沖擊電磁力的 作用下，高速成型的一種方法。基本的原理是電磁感應(yīng)定律。由電磁感應(yīng)定律可知，變化電場周圍產(chǎn)生變化 的磁場，變化的磁場又在其周圍空間激發(fā)渦旋電場，處于此電場中的導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，帶電導(dǎo)體在變化 的磁場中受到電磁力，電磁成型技術(shù)以此為動力，作用在工件上使工件變形［12］。圖1為電磁成型加工原 理圖。

首先，對電容器 C 充電，達(dá)到預(yù)設(shè)電壓值時，充電停止，閉合電路開關(guān) Q，將儲存在電容器 C 中的電 荷釋放到成型線圈中，電荷通過線圈瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁力，電磁成型工藝就是用電磁力對金屬材料進(jìn)行塑 性成形，從而完成對工件的加工。

電磁成型工藝作為新興的加工工藝，與傳統(tǒng)金屬表面強(qiáng)化工藝相比，如物理法、表面覆膜和化學(xué)法、電 化學(xué)晶界腐蝕及熱處理方法，電磁成型工藝有以下幾方面優(yōu)勢［13］。

1）瞬間作用在毛坯上，無機(jī)械接觸，易實現(xiàn)生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動化。

2）高速成型，每分鐘工作數(shù)百次，成型效率高。

3）生產(chǎn)條件好，無污染，無排屑，維護(hù)簡單。

4）工裝設(shè)備及模具簡單，費(fèi)用低。

5）成型零件精度高，殘余應(yīng)力小。能精確控制施加力，可實現(xiàn)金屬與非金屬的聯(lián)接與裝配，對裝配前 的零件精度無特殊要求。

基于以上優(yōu)勢，電磁成型工藝有良好的應(yīng)用前景和發(fā)展空間，在未來也將得到進(jìn)一步改進(jìn)，獲得廣闊的 市場份額。

本文作者以 TC4 鈦合金板材為研究對象，通過電磁成型工藝，用外加脈沖磁場對 TC4 鈦合金板進(jìn)行沖 擊處理，研究外加脈沖磁場對其表面硬度及其他性能的影響，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析與研究。

1、試驗材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗材料用 TC4 鈦合金，線切割成 106 mm×40mm×2 mm 的板材，如圖 2 所示。用 106 mm×40 mm× 2mm的紫銅板材作為驅(qū)動片，放置于加工線圈和TC4鈦合金板材之間。

電磁成型設(shè)備為實驗室人員自行設(shè)計制造，如圖3 所示。為使線圈中的電磁場在相同的外載電壓下獲得 更高的頻率［14-15］，試驗設(shè)備線圈用閘數(shù)少，寬度較大的紫銅線圈。供能設(shè)備及控制裝置如圖 4所示。 該裝置電容器的容量為 600 μF，充放電的電壓為 0~10 kV，可提供的最大能量為30 kJ。

1.2 試驗方法

進(jìn)行不同沖擊電壓、不同沖擊次數(shù)、有無驅(qū)動片試驗，對比各參數(shù)對 TC4 鈦合金表面的影響。將試驗 完成后的試件線切割為 20 mm×20 mm×2 mm 的樣件，用高精度磨床對樣件進(jìn)行逐層減薄，用高精度維氏硬 度計對距離 TC4鈦合金表面不同距離的平面進(jìn)行硬度檢測，檢測示意圖如圖5所示。

2、結(jié)果與分析

2.1 驅(qū)動片對表面強(qiáng)化的影響

為驗證驅(qū)動片對 TC4 鈦合金板材沖擊強(qiáng)化的影響，在沖擊電壓為 6 kV，沖擊次數(shù)為 20 次時進(jìn)行試驗 ，A側(cè)為使用驅(qū)動片，B 側(cè)為無驅(qū)動片，取樣檢測點如圖 6所示。載荷為50 g，保壓時間為10 s。在取樣點 取樣，計算 5組試件表面硬度的平均值，繪制硬度曲線，如圖 7所示。圖中數(shù)字“6”代表沖擊電壓為 6 kV ，“0”代表未使用驅(qū)動片，（“1”代表使用驅(qū)動片），“20”代表沖擊次數(shù)為20次。

在加載電壓，沖擊次數(shù)相同的條件下，對比 A、B側(cè)硬度可以看出，使用驅(qū)動片的試件硬度明顯優(yōu)于未 使用驅(qū)動片的一側(cè)。后續(xù)試驗中進(jìn)行不同的沖擊電壓和沖擊次數(shù)時，都將在使用驅(qū)動片的條件下進(jìn)行。

2.2 沖擊次數(shù)對表面強(qiáng)化的影響

為驗證沖擊次數(shù)對 TC4 鈦合金板件硬度的影響，設(shè)沖擊電壓為 5 kV，使用驅(qū)動片，沖擊次數(shù)分別為 3 、5、10、20、30次。表1為工藝參數(shù)。

由圖 7可看出，樣品表面硬度的波動較大，導(dǎo)致散點圖較離散。因此 ，為更好的展示試件試驗前后的硬度變化，對試驗結(jié)果進(jìn)行擬合，對未處理的 TC4鈦合金板件，隨測量深度 增加，硬度一直在直線附近波動，所以對于未強(qiáng)化處理的板件用 y=Ax+B進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，對5 kV，使用驅(qū)動 片，沖擊次數(shù)分別為 3、10、20、30 次的試件，隨減薄量增加，硬度明顯減小，因此用雙指數(shù)函數(shù)

進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。曲線擬合數(shù)據(jù)表如表2所示。擬合結(jié)果如圖8所示。

比較沖擊電壓為 5 kV，沖擊次數(shù)分別為 3、10、20、30次的 4個樣品的硬度可以看出，當(dāng)沖擊次數(shù)較 少時，如沖擊 3 次的樣品表面硬度和未處理樣品無明顯差異；當(dāng)沖擊次數(shù)提至 10次時，硬度較之前有明顯 區(qū)別，且當(dāng)次數(shù)再次提至 20、30 次時，硬度較 10 次時又有提升，但隨減薄量增加，沖擊 20 次的樣件在 距表面距離大于 500 μm 后硬度較未處理的樣件還低。說明在 5kV 的沖擊電壓下，對樣品的沖擊次數(shù)也要 控制，否則導(dǎo)致樣品的硬度下降。

為驗證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)沖擊電壓為 6 kV，使用驅(qū)動片，沖擊次數(shù)分別為 3、10、20 次。工藝參 數(shù)如表3所示。

對試樣進(jìn)行不同減薄量的硬度檢測，并對結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合數(shù)據(jù)如表 4 所示。擬合曲線如圖 9 所示 。

可以看出，在一定范圍內(nèi)，在沖擊電壓為 6 kV 時，沖擊次數(shù)越多，表面硬度提高的越明顯，其中，試 件 6120經(jīng)強(qiáng)化后，表面最大硬度達(dá)到了 377.2HV，與原始試件相比，提升了約 10.94%，提升效果明顯，但 當(dāng)減薄量超過235 μm 時，沖擊 3 次時的試件硬度低于未處理試件，而沖擊次數(shù)為 10 次試件的硬度也在 減薄量超過 500μm時低于未處理試件。

2.3 沖擊電壓對強(qiáng)化效果的影響

在沖擊次數(shù)相同，使用驅(qū)動片的條件下，驗證不同的沖擊電壓對 TC4鈦合金板件表面硬度強(qiáng)化效果的影 響。設(shè)沖擊次數(shù)為 10次，沖擊電壓分別設(shè)置為 5 kV和6 kV，測量不同減薄量表面硬度，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合 ，擬合數(shù)據(jù)如表2、4所示。擬合曲線如圖10所示。可以看出，在6 kV下的硬度強(qiáng)化效果優(yōu)于5 kV。

當(dāng)沖擊次數(shù)為 20 次，沖擊電壓分別為 5、6 kV 時，對硬度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合數(shù)據(jù)如表 2、4 所示 。擬合曲線如圖 11所示。可以看出，沖擊電壓為 5 kV的試樣硬度高于沖擊電壓為 6 kV，與沖擊 10 次相 比，在高能量的沖擊下，沖擊次數(shù)多并不意味著板件硬度的強(qiáng)化效果越好。

3、電磁場的有限元模擬

電磁場在強(qiáng)化 TC4 鈦合金板件的過程中，由于用電容器為能量的儲存裝置，故成形線圈中的磁場、電 壓、電流在每個時刻都不盡相同，其中涉及熱力學(xué)、電磁學(xué)、塑性動力學(xué)等多個學(xué)科知識。現(xiàn)有理論很難對 多個學(xué)科的理論進(jìn)行有效整合預(yù)測電磁場如何影響鈦合金板件的表面性能。不過隨計算機(jī)模擬技術(shù)及有限元 理論的不斷發(fā)展進(jìn)步，可通過計算機(jī)軟件模擬分析，利用模擬軟件中的電磁模塊，可以看出電磁場如何對 TC4鈦合金板件表面性能進(jìn)行影響。

圖 12 為成形線圈中的電流變化。

由圖可知，線圈中的電流隨時間增加而減小，根據(jù)電容器放電電流公 式［16-17］：

式中：Im為放電電流幅值；V 為電容器充電電壓；C 為放電電容量；L為放電回路電感量。

由式（1）可知，在電容與電感相同的條件下，放電電流與電壓成正比。當(dāng)電流達(dá)到最大值時，根據(jù)電 磁感應(yīng)定律，驅(qū)動片銅板中的感應(yīng)電流也達(dá)到最大值，受到線圈的電磁力也達(dá)到最大值，驅(qū)動片對 TC4 鈦 合金板件的沖擊力也達(dá)到峰值。驅(qū)動片在強(qiáng)電磁場中受到電磁力的作用，驅(qū)使驅(qū)動片快速、多次沖擊 TC4鈦 合金板表面，引起 TC4鈦合金板件表層劇烈塑性變形［18-19］，這是 TC4鈦合金表層硬度提升的直接原因 ［20-22］。當(dāng)沖擊電壓分別為 5、6 kV，放電時間為 65 μs 時，線圈中的感應(yīng)電流到達(dá)最大值，驅(qū)動片 內(nèi)電流分布如圖 13、14所示。由圖可以看出，6 kV 沖擊電壓下的驅(qū)動片電流明顯高于5 kV沖擊電壓。

圖 15、16 為在 5、6 kV 沖擊電壓下驅(qū)動片對與 TC4鈦合金板件沖擊力的分布情況。由圖可以看出， 沖擊電壓為 6 kV 的驅(qū)動片對 TC4 鈦合金板件的沖擊力明顯高于沖擊電壓為 5 kV 的驅(qū)動片。這與理論分 析相吻合，也進(jìn)一步驗證了電磁成型工藝對強(qiáng)化鈦合金表面硬度的可行性。

4、結(jié) 論

1）用電磁成型工藝對 TC4 鈦合金板材進(jìn)行處理，可一定程度提高表面硬度，尤其在沖擊電壓為 6 kV 、沖擊次數(shù)為 20 次，使用驅(qū)動片的條件下，試件最大硬度達(dá) 377.2HV，與原始試件相比，硬度提高了 10.94%，提升效果明顯。

2）通過對單一變量進(jìn)行對比試驗，可以得出，沖擊次數(shù)、沖擊電壓、驅(qū)動片是否使用都對 TC4鈦合金 表面硬度產(chǎn)生不同程度影響，鈦合金板件在受到高能電壓沖擊時，如果沖擊次數(shù)過少，硬度提升不明顯。如 果沖擊次數(shù)過多，導(dǎo)致板件出現(xiàn)加工軟化的現(xiàn)象。當(dāng)沖擊次數(shù)相同時，沖擊電壓過小，硬度提升不明顯，沖 擊電壓過大，板件同樣出現(xiàn)加工軟化現(xiàn)象，因此，選擇合理的沖擊電壓和沖擊次數(shù)對板件表面硬度的強(qiáng)化效 果十分重要。

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