（材料加工工程专业论文）zta15合金表面电火花沉积与熔覆强化技术研究.pdf

摘要 z t a l 5 合金表面电火花沉积与熔覆强化技术研究 摘要 z t a l 5 钛合金是一种高比强度结构材料，具有较高的强度和良好的耐蚀。但 它的硬度较低耐磨性较差，铸件常因材料表面的磨损而失效和破坏。为了提高 z t a l 5 合金铸件表面硬度，本文采用电火花表面沉积和堆焊熔覆工艺对z t a l 5 钛合金进行表面强化处理，并对这两种表面强化技术进行了研究。 分别采用石墨、y g l l 、n i 4 5 、s t e l l i t e 6 、碳化铬五种电极在z t a l 5 钛合金表 面进行电火花沉积处理，可得到1 0 岬1 0 0 p m 不同性能的沉积层。沉积层是电 极与基体在脉冲放电作用下冶金反应的产物，分别含有碳化物或金属化合物等硬 质相。沉积层的硬度相比基体提高了1 5 倍，其中石墨电极沉积层的硬度最高， 高达2 0 0 0 h v 0 0 5 。 钛合金电火花沉积层的厚度受电容量和沉积时间的影响。电容量7 2 0 uf 时， y g l l 和碳化铬电极沉积层厚度达到峰值，而石墨、n i 4 5 和s t e l l i t e 6 电极沉积层 厚度随电容量的增加一直增厚，但增加趋势变缓。当沉积时间超过2 m i n 金属电 极沉积层开始出现微裂纹，微裂纹随时间的发展限制了沉积层增厚，因此金属电 极沉积层的厚度随着沉积时日】的延长先增加后减小，峰值出现在比沉积时间1 3 r a i n o n 2 左右；而石墨电极沉积层厚度是随着时间的延长不断增厚，但增加趋势 变缓。在优化工艺下，钛合金的表面电火花沉积层厚度可达到1 0 0 p x n ，适合于不 需要再加工或磨损较轻的工况条件。 通过合金化方法研制了一种高硬度的堆焊钛合金( d 1 合金) ，其铸态硬度为 h r c 3 8 5 ，采用t i g 焊在z t a l 5 基体上堆焊d 1 合金，堆焊后d 1 合金表面硬度 可达到h r c a 5 8 。表面堆焊层厚度可达3 r a m 以上，并且堆焊层熔合区组织致密， 未发现裂纹、气孔等缺陷。 堆焊试样截面硬度呈梯度分布，堆焊层的硬度达到4 2 0 h 2 。堆焊层合金 抗拉强度达到1 0 8 0 m p a ，高于z t a l 5 基体的9 8 5 m p a ，热影响区强度与基体相 当。堆焊层与基体结合良好，结合强度高于基体的抗拉强度。堆焊层合金的抗剪 强度高于基体，达到7 7 6 m p a ，具有良好的抗剪切性能。堆焊层及热影响区的冲 机械科学研究总院硕l 研究生学位论文 击吸收功分别为2 0 i 和3 0 j 。对堆焊层断1 ：3 进行分析发现试样的断裂机制为微孔 聚集型断裂。d 1 合金在z t a l 5 阀门密封面强化的工程项目中得到了应用，获得 了质量良好的密封面强化层，提高了阀门的使用寿命。 关键词：z t a l 5 表面电火花沉积堆焊硬度耐磨 s t u d yo fe l e c t r o s p a r kd e p o s i t i o na n dd e p o s i t e dh a r d e n i n g t e c h n o l o g yf o rz t a l 5a l l o y a b s t r a c t z t a l 5t i t a n i u ma l l o yi sas t r u c t u r a lm a t e t i a lw i t hh i g hs p e c i f i cs t r e n g t h b u ti t s h a r d n e s si sv e r yl o wa n di t sw e a r - r e s i s t a n c ei sp o o r , s ot h ec a s t i n go f t e nl o s ee f f i c a c y a n db ed e s t r o y e df o rs u r f a c ew e a ra n dt e a r f o re n h a n c i n gt h es u r f a c eh a r d n e s so f z t a l 5c a s t i n g , t h i sa r t i c l es t r e n g t h e n st h es u r f a c eo fz t a l 5t i t a n i u ma l l o yu s i n g e l e c t r o a p a r kd e p o s i t i o na n d 飘f h c eo v e r l a yw e l d i n gt e c h n o l o g y i tc a no b t a i nad e p o s i t e dl a y e rw h i c hi sa b o u t1 0 i | t m 一1 0 0 1 m at l i c ko nt h es u r f a c e o ft i t a n i u mu s i n gg r a p h i t e 、y g l l 、n i 4 5 、s t e l l i t e 6a n dc i i f o m ec a r b i d ee l e c t r o d e s t h e d e p o s i t e dl a y e rw h i c hi sm a d eb ye l e c t r o d ea n dm a t r i xu n d e rp u l s ed i s c h a r g ep r o c e s s h a sc a r b i d eo ri n t e r m e t a l l i c s t h eh a r d n e s so ft h ed e p o s i t e dl a y e ri n c r e a s e s1 5t i m e s c o m p a r i n gw i t hm a t r i x t h eh a r d n e s so ft h ed e p o s i t e dl a y e rw h i c hi sm a d eb y g r a p h i t ee l e c t r o d ei sh i g h e s t , i ti su pt o2 0 0 0 h v 0 0 5 t h et h i c k n e s so ft h ed e p o s i t e dl a y e ro nt i t a n i u mi sa f f e c t e db yc a p a c i t a n c ea n d t i m e t h et h i c k n e s so ft h ed e p o s i t e dl a y e rm a d eb yy g l la n dc h r o m ec a r b i d e e l e c t r o d e si n c r e a s e sf i r s ta n dd e c r e a s e st h e nw i t hc a p a c i t a n c ei si n c r e a s i n g ，a n dt h e p e a kv a l u ep r e s e n t sa tt h ec a p a c i t a n c ei s7 2 0 k t f b u tt h et h i c k n e s so ft h ed e p o s i t e d l a y e rm a d eb yg r a p h i t e 、n i 4 5a n ds t e l l i t e 6e l e c t r o d e sa l w a y si n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo fc a p a c i t a n c e ，b u tt h et r e n di ss l o wu p t h et h i c k n e s so ft h ed e p o s i t e dl a y e r m a d eb ym e t a le l e c t r o d ei si n c r e a s i n gf i r s ta n dd e c r e a s i n gt h e nw i t ht h ei n c r e a s eo f t i m e ，a n dt h ep e a kv a l u ei sp r e s e n ta tt h et i m ei sa b o u t1 3 m i n u n d e rt h eo p t i m i z a t i o n p r o c e s s ，t h et h i c k n e s so ft h ed e p o s i t e dl a y e ro i lt i t a n i u mi s1 0 0 1 t m , s oi tf i tt ow o r k u n d e rt h es i t u a t i o nw h e r ei sn o tr e q u i t i n gr e t r e a t m e n to rh a sal o ww e a r d e v e l o pan e wd e p o s i t e dt i t a n i u ma l l o yw i t hh i g hh a r d n e s sb ya u o y i n gp r o c e s s i t se a s th a r d n e s si sh r c 3 8 5 ，b u ta f t e rw e l d h i gm e t a l l u r g yi t sh a r d n e s si s u pt o h r c 4 5 8 i tc a l lo b t a i nad e p o s i t e dl a y e rw h i c hi s3 m mt i l i c kb yt i go nz t a l 5a l l o y m 机械科学研究总院硕：研究生学位论文 t h e r ea r en oc r a c k s ，w h o l e si nt h ef u s i o na r e a t h es e c t i o n a lh a r d n e s so fd e p o s i t e dl a y e ri sg r a d e dd i s t r i b u t i o n t h eh a r d n e s so f d e p o s i t e dl a y e ri su pt o4 2 0 h v 0 2 t h et e n s i l e s t r e n g t hw h i c hi s1 0 8 0 m p ao ft h e d e p o s i t e dl a y e r a l l o yi sh i g h e rt h a nz t a l 5 m a t r i x s9 8 5 m p a , a n dt h es t r e n g t ho ft h e h e a t - a f f e c t e dz o l l ei ss a m e 舔m a t r i x t h eb e n ds t r e n g t hb e t w e e nd e p o s i t e dl a y e ra n d m a t r i xi s h i g h e rt h a nm a t r i x t h es h e a rs t r e n g t ho ft h ed e p o s i t e dl a y e ri su pt o 7 7 6 m p a , w h i c hi sh i g h e rt h a nt h a to fm a t r i x t h eb a l l i s t i cw o r ko ft h ed e p o s i t e dl a y e r a n dh a zi s2 0 ja n d3 0 j t h ef r a c t u r em e c h a n i s mo ft h ed e p o s i t e d s a m p l ei s m i c r o v o i dc o a l e s c e n c ef r a c t u r e d 1a l l o yi s a p p l y i n go nt h es u r f a c eh a r d e n i n go f v a l v e ss e a lc o n t a c tf a c e o b t a i n i n gas u r f a c eh a r d e n i n gl a y e rw i t hh i g hq u a l i t y , a n d i m p r o v et h el i f eo fv a l v e k e yw o r d ：z t a l 5s u r f a c e o v e r l a yw e l d i n g e l e c t r o s p 耵kd e p o s i t i o n h a r d n e s sw e a r - r e s i s t a n c e 目录 符号清单 衍射角 临界浓度 质量分数 原子分数 洛氏硬度 维氏硬度 吉布斯自由能 标准生成自由能 温度 抗拉强度 屈服强度 断后伸长率 断面收缩率 冲击吸收功 抗剪强度 o k 胁 胁 ， 胁 口及叭砒眦吖g雠r凡耻a z 船“ 机械科学研究总院硕i 二研究生学位论文 插图清单 图1 1 电火花工作原理图4 图1 2 电火花沉积工作原理示意图4 图1 3 强化过程中的电极状态5 图1 - 4 电火花表面强化后的铝压铸模具6 图1 5 电火花沉积修复砂眼后的铜合金铸件6 图1 6 钨极氩弧堆焊工作图9 图1 7 堆焊合金分类1 1 图2 1 沉积层x 射线衍射谱1 7 图2 2 沉积层表面形貌a d to0 f ”wo 1 8 图2 3 沉积层表面元素分析_ 2 0 图2 - 4 沉积层截面金相组织2 1 图2 5 沉积层分层形貌2 1 图2 6 金属电极沉积层截面形貌2 2 图2 - 7 石墨电极沉积层截面显微组织2 2 图2 - 8 石墨电极沉积层枝晶形貌o oqoo ibo0 2 2 图2 - 9 石墨电极沉积层过渡区形貌2 2 图2 1 0 石墨电极沉积层啊c 枝晶形貌及元素能谱分析2 3 图2 1 1 石墨电极沉积层过渡区质点形貌及元素能谱分析2 3 图2 1 2n i 4 5 电极沉积试样截面元素能谱点分析2 5 图2 - 1 3 石墨电极沉积试样截面元素点分析2 5 图2 - 1 4 沉积试样截面元素线分布2 6 图2 - 1 5 沉积试样截面硬度分布曲线2 7 图2 1 6 沉积层厚度与电容量的关系曲线2 8 图2 1 7 沉积层厚度与沉积时白j 的关系曲线2 9 图2 。1 8 不同沉积时间对s t e l l i t e 6 电极沉积层层裂纹的影响3 1 图3 - 1d 1 合金舍相组织3 7 图3 2d 1 合金x 射线衍射谱3 7 目录 图3 3d 1 合金固溶时效后组织0 ooooq ogo * l 3 8 图3 - 4 堆焊焊缝宏观形貌3 9 图3 5 堆焊试样截面低倍组织3 9 图3 6 堆焊层x 射线衍射谱4 0 图3 7 堆焊层金相组织4 0 图3 - 8 堆焊层截面金相组织4 1 图3 - 9 熔合区金相组织g ooo0 omio 4 1 图3 1 0 热影响区金相组织4 1 图3 1 1 基体金相组织4 1 图3 1 2 热影响区靠近基体组织4 1 图3 1 3 热影响区靠近焊缝组织4 1 图3 1 4 堆焊层退火组织4 2 图3 1 5 热影响区退火组织4 2 图3 1 6 截面元素线分析4 2 图3 1 7 截面元素面分析4 3 图3 1 8 堆焊试样截面硬度分布4 4 图3 1 9 堆焊接头拉伸试样4 5 图3 2 0z t a l 5 基体拉伸和冲击断口形貌4 6 图3 2 1 堆焊层拉伸和冲击断口形貌4 6 图3 2 2 打磨喷砂后的止回阀阀板铸件4 7 5 - 机械科学研究总院硕 研究生学位论文 表格清单 表2 - 1 勿1 a 1 5 合金化学成分1 4 表2 2n i 4 5 电极化学成分1 4 表2 - 3s t e l l i t e 6 电极化学成分1 4 表2 4 电容量对沉积层厚度影响的实验参数2 8 表2 5 沉积层厚度与时间关系的实验参数m i oo0 3 0 表3 - 1d 1 与部分钛合金硬度值3 7 表3 2 堆焊工艺参数3 8 表3 3 堆焊层表面硬度4 3 表3 - 4 堆焊试样与基体室温拉伸性能4 4 表3 5 基体与堆焊试样抗剪切性能4 5 表3 - 6 基体与堆焊试样冲击性能4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得扭越抖堂硒究簋瞳或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：潞 签字醐：姗”肘4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭撼抖堂硒究监暄有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权扭撼抖堂研究整瞳可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 学位论文作者签名： 澎琦 导师签名： 签字日期：2 0 0 7 年7 月1 4 日签字日期：2 0 0 7 年7 月1 4 日 第一章引言 第一章引言 钛合金作为一种结构和功能材料具有密度小( 约为普通结构钢密度的5 6 ) ， 比强度高、耐腐蚀等优点，主要用于航空航天和军事工业上，以减轻结构重量、 提高推重比。z t a l 5 合金是一种近a 型钛合金，它具有中高等强度和良好的耐蚀 性。目前z t a l 5 合金已广泛应用于制造航空航天装置的结构件，以及化学工业 中的耐蚀部件。例如现在某型号工业阀门的阀板为了满足强度和耐蚀性的需要， 就采用了z t a l 5 钛合金铸造生产。但是包括z t a l 5 在内的钛合金材料的硬度较 低( 纯钛的硬度约为1 5 0 h v 。2 0 0 h v ，钛合金通常不超过3 5 0 h v ) 、耐磨性能差l ”。 该工业阀门在工作时频繁开关，阀板密封面反复受到挤压、剪切和冲击载荷的作 用，易与对磨材料发生粘着磨损而造成失效。因此如何提高钛合金表面的硬度及 耐磨性成为钛合金研究与应用的新焦点。为了改善钛合金的耐磨性，近年来国内 外学者研究了许多钛合金的表面强化技术。目前常用的钛合金表面强化技术主要 有：激光表面处理技术m ，等离子喷涂技术刚0 i ，离子束表面改性技术i 协1 6 1 ，热 扩散技术，微弧氧化技术【r 丌、堆焊技术和电火花表面沉积技术等。 1 1 钛合金表面强化技术概况 激光表面强化技术是用一定扫描速度的激光束照射被处理的金属表面，在很 短的时间( 1 0 1 。1 0 。3 秒) 内激光的能量被金属表面吸收而使其产生高温，当激光 束移开时被处理表面迅速冷却，从而达到强化的目的。根据工艺特点的不同可分 为：激光相变硬化，激光熔覆，激光表面合金化和激光冲击硬化等。激光相变硬 化和激光冲击硬化工艺过程中影响因素多，设备费用昂贵，除了对形状简单、工 艺基本定型且批量较大的工件可以专门建立生产线获得稳定的加工质量外，在形 状较为复杂的工件中应用仍存在不少问题，基本上还是一种成本高、控制复杂但 性能特殊的实验室技术川。激光熔覆和激光表面合金化可以在钛合金表面制备较 厚的强化层，但强化层与基体之间的物理、化学特性的差异，导致强化层内存在 很大的应力。因此，在激光作用层内存在大的热应力和开裂是激光融覆和合金化 的主要缺点。 机械科学研究总院硕厮究生学位论文 等离子喷涂技术是将金属或陶瓷粉末通过非转移型等离子弧焰流，加热到熔 化或半熔化状态，以高速喷射到经过预先处理的基材表面，形成一种具有特殊性 能的涂层。该方法可使基材表面具有耐磨损、抗腐蚀、耐高温氧化、生物相容性 等各种功能。但是，等离子喷涂涂层与基底钛合金之间为机械结合，因此结合强 度较低，并且还存在残余应力使涂层开裂的问题。为防止热残余应力使脆性涂层 产生微裂纹，涂层不能太厚，通常在5 0 1 1 m 左右。 离子束强化技术主要包括离子轰击渗扩和离子注入。离子轰击渗扩处理是利 用气体辉光放电产生的离子束轰击金属表面，使工件加热到所需温度在金属表 面渗入一种或几种化学元素，改变表层化学成分与组织结构，以达到强化目的。 使用不同的介质，可获得不同的渗扩层，如渗碳、渗氮、渗金属等。离子注入是 将靶极材料的离子激发出来，并使之射向被处理金属表面，经与金属表面内的原 子核与电子多次碰撞，离子能量将逐渐被消耗掉，最后停留在金属材料晶体结构 以内，与基体物质形成硬质相。当把离子源b + 、c + 、n + 、0 + 向钛注入，则会相 应地产生钛的硼化物、碳化物、氮化物和氧化物等硬质相，从而提高合金表面硬 度和耐磨性。但是离子束强化的工艺控制复杂，设备和加工成本也较为昂贵，并 且需要在真空环境中完成，不利于大型零件的处理。 热扩散技术是采用固念扩散原理使其它元素渗入金属工件表面的热处理工 艺。工件放在含有渗入元素的活性介质中，加热到一定温度后进行保温，扩散元 素被吸附并渗入表层，从而改变金属表层的化学成分，使工件表面层的组织结构 和性能发生变化。目前常用于钛合金的热扩散技术有渗氮、渗碳、渗氧、渗硼和 多元素共渗等。由于热扩散技术往往要求被处理工件加热到较高的温度( 8 0 0 c 1 0 0 0 ) ，因此处理后的工件易发生变形，并且组织也容易发生恶化，而导致其 力学性能降低。 微弧氧化是国外2 0 世纪7 0 年代、国内近几年才发展起来的一项在金属表面 原位生长氧化物陶瓷层的新技术。这种工艺是依靠工件在电解液中产生的电弧放 电的能量，使工件表面与电解液发生氧化反应。由于获得的氧化层是从工件表面 生长出来的，因此与基体的结合力好，并且膜层致密，厚度可达几十微米。由于 产物都是陶瓷相，所以微弧氧化陶瓷层脆性大，不能承受大的冲击载荷。 电火花表面沉积强化是一项新兴的表面处理技术，它源于电火花加工原理。 2 第一章引言 近年来电火花强化技术发展迅速，在材料表面强化领域的应用越来越广泛，它以 其特殊的工艺优点而受到各国学者的关注。电火花沉积( e l e c 订o s p a r kd e p o s i t i o n ) 简称e s d ，部分研究人员将电火花沉积与传统的电孤焊联系在一起，认为是一 种脉冲电弧微焊接技术，称为脉冲电极堆焊( p u l s e de l e c t r o d es u r f a c i n g ，简称 p e s ) t 1 8 - 2 0 l 。而文献【2 1 】则认为电火花沉积有别于焊接、喷涂或元素渗入等工艺， 是介于它们之间的工艺，它有焊接、喷涂等工艺的一些特点，又有热输入量小、 沉积层与基体冶金结合等优点。目前，电火花强化工艺已广泛应用于电器、仪表、 机械、化工、航空航天等领域，并取得了良好的经济效益【1 纠9 矧。 堆焊是一种传统的表面处理方法，它源于普通的焊接技术，是利用焊接热源 将具有一定性能( 耐磨、耐蚀) 的材料熔覆在基体表面，形成冶金结合的表面强 化层的一种工艺过程。堆焊的目的并不是为了连接构件，而是利用这一技术改变 零件表面成分和组织结构，改善其性能，延长零件的使用寿命。运用堆焊技术， 金属材料可获得优异的综合性能，现己广泛应用于矿山、冶金、机械、建筑、电 站、铁路、车辆、石油化工及模具制造和维修p 训。 1 2 电火花表面沉积技术现状 l 上1 电火花表面沉积技术原理 电火花表面沉积的原理是利用脉冲电路的充放电原理，采用导电材料( 硬质 合金、石墨等) 作为工作电极( 阳极) ，在空气或特殊的气体中使之与被强化的 金属工件( 阴极) 之间产生高频脉冲放电，在1 0 5 s ，1 0 r 6 8 内电极与工件接触的 部位达到8 0 0 0 c 2 5 0 0 0 c 的高温，直接利用火花放电的能量，将熔化的电极材 料熔渗至工件表面，形成具有冶金特性的强化层【矧，从而使工件的物理、化学和 力学性能得到改善，提高零件的硬度、耐磨性、耐蚀性等表面性能【1 蝴。电火 花沉积工作示意图见图1 - 1 。 3 机械科学研究总院硕上研究生学位论文 l _ 基体 图1 - 1 电火花沉积工作图 图1 2 是电火花表面沉积设备的结构原理图。设备主要由脉冲电源、振动器 及其电源构成，由振动器电源向振动器供电带动振动器工作，使夹持在振动器上 的电极作上下往复运动，而脉冲电源向电极和工件供电。 图1 - 2 电火花沉积设备原理不意图 在工作时，振动器作上下振动，当电极还没有接触到工件的时候，电源通过 限流电阻r 向电容器c 充电，电极与工件之间的状态如图1 3 a 所示。接着因为 电极向工件运动而无限接近工件，使放电回路形成通路，在火花放电通路和相互 接触的微小区域内瞬时地流过放电电流，电流密度高达1 0 5 a c m 2 - 1 0 6 a c m 2 2 7 1 ， 而放电时间仅为几微秒到几毫秒。由于放电能量在时间上和空间上的高度集中， 使放电微小区域内产生了约8 0 0 0 2 5 咖的高温，该区域的基体熔化并向周 围介质中溅射。这种情况如图1 3 b 所示。此时电极继续向下运动，使电极和工 件上熔化了的材料挤压在一起，如图1 3 c 所示。由于接触面积扩大和放电电流 减小，使接触区域的电流密度急剧下降，同时接触电阻也明显减小，因此电能不 再使接触部分发热。相反，由于空气介质和金属工件基体的冷却作用，熔融的材 料被迅速冷却而凝固。接着冷凝的材料脱离电极而粘接在工件上，成为工件表面 上的强化点。同时，因放电回路被断开，电源重新对电容器c 充电，这就是电 4 第一章引言 火花强化设备的一次充放电的过程。重复这个充放电过程并移动电极的位置，强 化点就相互重叠和融合，在工件表面形成一层强化层【2 8 】。 电蜃 图1 - 3 强化过程中的电极状态 除了形成合金层外，电火花沉积改善了工件表面性能还有另外一些原因，比 如，火花放电的骤冷作用具有表面淬火的效果；用石墨电极强化则有表面渗碳的 效果等1 签) - 3 0 1 。 1 2 2 电火花表面强化技术的特点 根据电火花沉积技术的原理和工作过程，它具有以下特点【3 1 蚓： ( 1 ) 电火花表面强化可在气体介质中进行，不需要真空装置；但对于钛合 金等活泼性金属则需要有惰性气体保护。 ( 2 ) 强化过程能量输入少，热影响区非常小，形成的残余应力也很小，工 件不易发生变形，强化后不需重新进行热处理。 ( 3 ) 强化层与基体的结合强度高。由于强化层是电极和工件材料在放电瞬 间高温高压条件下重新合金化而形成的合金层，并非简单的材料涂敷与堆积，因 此其结合强度较高。 ( 4 ) 可自由选择电极材料。对于以提高耐磨性为目的的表面强化，可选用 石墨电极、y g 、y t 或y w 类硬质合金；以修复磨损表面为目的的强化处理则 可选用本体材料作为电极。 ( 5 ) 处理过程操作灵活，一般几何形状的平面或曲面均可进行处理，并可 对零件表面实施局部强化。 1 2 3 电火花表面沉积技术的应用 电火花沉积方法提出后，前苏联、美国、英国、法国、日本、西德和东欧一 机械科学研究总院硕 ：研究生学位论文 些国家的许多学者对强化的机理和工艺特性进行了广泛的研究，并设计了多种实 用的电火花沉积设备，使该工艺的应用领域不断扩大【3 5 1 。 目前，电火花表面沉积的应用主要有两大方面。一是工件表面的强化，使之 具有抗磨、耐蚀、耐热、抗疲劳等性斛1 9 , 2 2 , 2 6 , 3 6 - 3 7 1 。主要是切削工具、模具以及 要求耐磨损、耐腐蚀、耐高温氧化等性能的零部件的强化，图l - 4 为经电火花表 面强化后的铝压铸模具。在汽车工业中，电火花沉积涂层正应用于高速空转的发 动机上，t i c 的电火花沉积层已被应用于高速运转性能内燃发动机的钛阀杆及导 向杆上| 4 2 1 。二是工件表面的微量修复。量具、零件和模具，在磨损超差之后，利 用电火花强化能使工件表面微量增厚的作用，可以进行微量修补，使产品能够重 新使用【3 s - 3 9 , i 。如发电机转子轴径处磨损后，经电火花表面强化n i 基合金进行修 复，可在短时间内恢复正常工作i 柚j 。电火花沉积还可用于修复铸件的砂眼，避免 铸件报废，图1 5 为电火花沉积修复砂眼后的铜合金铸件。 图1 - 4 电火花表面强化后的铝压铸模具图1 - 5 电火花沉积修复砂眼后的铜合金铸件 上述电火花用于修复的例子还只是局限于钢铁、铜、铝、镍等合金，目前对 钛合金进行微量修补的应用尚未见报道。 1 2 a 钛合金电火花表面强化研究现状 在国内，汪瑞军等利用电火花强化技术在t c l 合金表面制备y g 8 硬质合金的 沉积强化层，有效地提高了1 1 基体表面耐磨性能i 珏蛔。他们在t c l 表面获得了 高熔点的合金强化层，最大厚度大7 ：5 0 j u n ；强化层表面由t i c 、w 2 c 和少量w 相 组成，强化层的显微硬度达到1 1 2 9h v ，高出基体3 倍以上。汪瑞军在文献【4 5 】 6 第一章引言 和f 4 6 1 中提出强化层厚度是评判电火花强化层质量的关键指标之一，他直接用千 分尺测量试片表面厚度增加量，分析了强化层厚度与电容、电压、比强化时间、 电极转速、氩气流量之间的关系： ( 1 ) 电容量及电压值是通过脉冲放电能量影响强化层质量的。对钛合金基 体，放电能量不宜过大，采用低电压加较高电容量( 6 0 v + 3 0 0 i 心) 强 化较为理想。 ( 2 ) 在钛合金基体上强化w c c 0 8 硬质合金时，比强化时间在2 m i n c m 2 左 右比较合适。 ( 3 ) 电极转速约5 0 0 r m i n 时，强化层厚度最大。当转速超过1 5 0 0 r r a i n 后， 对强化层厚度影响不大。 陈文华采用y t l 5 合金作电极在b t 2 0 钛合金表面进行了电火花沉积m 。x 射 线衍射分析表明强化层是w 2 c ，t i c ，w ，t i 组成，w z c 、t i c 具有极高的硬度， 是强化层的主要强化相。研究表明： ( 1 ) 电容不同沉积厚度峰值不同，输出能量越大，峰值厚度越大，最大厚 度可达8 0 - t m ；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 糙度值越大。 ( 2 ) 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，表面租糙度好；另外高频时能达到要求的 强化层厚度比低频的时间要短。 ( 3 ) 输出电压高，强化层厚度增加时间很短，强化层厚度随时间变化比较 剧烈；输出低电压时，强化层厚度变化缓慢。 刘丹等人用d 2 2 2 8 镍基合金电极在t o i 钛合金表面进行了电火花沉积 4 8 1 。 在t c 6 表面制备了耐磨性能较高的n i 基材料涂层，厚度2 0 t u n 4 0 p a n 之间，沉 积层与基体之间存在的过渡区约1 0 岬左右。分析发现：沉积层主要由c t - t i 、p m 、 t t n i 几种相结构组成，其中t t n i 化合物是沉积过程中电极材料n i 与基体面元 素经冶金反应后生成的一种新相。它在沉积层中大量均匀的分布，使沉积层的耐 磨性能相比基体提高1 倍以上。g l s h e l d o n 等人用纯镍作电极在t i 6 a 1 4 v 合 金表面制得了n i t i 合金层，x 射线衍射显示沉积层表面主要是无序的n i t i 相。 但在一些著作中提出，通过电火花沉积可得到非晶态沉积物，这种非晶态n i n 7 机械科学研究总院硕1 j 研究生学位论文 相的存在是不能用衍射法来检测的1 5 0 l 。 朱健以w c 为电极，采用外加复合超声电火花强化工艺，在钛合金表面制备 了2 0 1 u n 3 0 0 m 厚的强化层1 5 l l 。强化层的主要成分是t i c 、w 和w 2 c ，他认为 在电火花沉积过程中发生了化学反应，反应方程式如下： 3 w c + 2 啊一w + w c + 2 币c 。研究发现，仅改变电火花沉积参数对获得性能优良的 沉积涂层效果不明显，当采用复合超声加工，并且达到一定频率范围时，可以明 显地提高沉积层中强化相的含量，增强强化效果；而保持超声频率不变，仅改变 电火花沉积强度，制备的样品的x 射线衍射谱线基本一致，仅是相的含量略有 不同。 i a p o d c h e m y a e v a 等人在b t 6 钛合金表面，使用以难熔的面、z r 氮化物 为基的钨电极进行强化处理 5 2 j 。他们研究了b t 6 钛合金表面电火花合金化传质 动力学及沉积层中元素的分布，以及强化层的性能。经测试发现，合金层和热影 响区的显微硬度分别是原始材料的3 , - 5 倍和1 5 砣倍，强化后试样的抗高温氧化 性能明显提高。 m a r i n aa t e p l e n k o 等人采用含z r s i 2 添加物的a i n z r b 2 复合材料在b t 6 钛 合金进行了电火花合金化研究 5 3 1 。他们发现在沉积层中形成了起润滑作用的 a 1 2 s i 0 5 和z r s i 0 4 相。在优化工艺下，沉积表面摩擦系数为o 1 3 ；在载荷2 5 6 a ， 滑动速度1 4 m s 时，磨损率为6 0 m k m 。因此用a i n z r b 2 陶瓷作电极材料，可用 来制备耐磨耐蚀的表面强化层。 采用石墨做电极可在钛合金表面进行渗碳，它是通过石墨电极与基体问放电 将基体表面的薄层快速加热至熔融状态，在高温下活跃的基体t i 元素和从电极 溅射到基体的c 元素反应形成t i c 硬质相，t i c 熔渗到基体的熔池中可形成t i c 增强的钛基复合材料层。沉积时碳电极并不熔化消耗，而是与基体发生摩擦消耗。 由于t i c 是一种硬质碳化物，具有很高的硬度，它分布在钛合金表面可以显著增 强钛合金基体的耐磨性【5 4 1 。由于基体是在熔融的状态下在原位与碳反应生成的 t i c 沉积层，所以沉积层和基体实现了冶金结合。 赵伟对使用石墨电极进行电火花加工钛合金t c a 进行了研究【5 5 i 。他通过研 究认为当使用石墨电极对钛合金t c 4 进行电火花加工时，即使大脉宽条件下放 电也应选用正极性加工，而且加工后t c a 表面不会产生碳保护膜。通过分析认 8 第一章引言 为其主要原因是钛合金中的面元素在高温下易于和c 元素发生化合反应生成碳 化物，所以碳元素难以直接沉积在钛合金的表面形成碳保护膜。 牛静也以石墨为电极，采用电火花沉积的方法在z t a l 5 钛合金表面制备强 化涂层【5 6 1 。研究结果表明：强化层是反应涂层j 强化相t i c 由电极元素c 和基 体元素反应生成，而不是电极材料石墨的简单堆积。沉积层的厚度不均匀， 最厚处可达2 0 9 r n 3 0 9 r n ，最薄处不到1 0 1 u n 。 1 3 堆焊熔覆技术现状 堆焊技术就其物理本质和冶金过程而言，具有焊接的一般规律，原则上所有 的熔焊方法都可以用于堆焊。常用的堆焊方法有：焊条电弧堆焊、埋弧堆焊、火 焰堆焊、等离子堆焊、激光堆焊、钨极氩弧堆焊。由于焊接原理的通用性，堆焊 设备通常可与焊接设备通用。 1 3 1 钨极氩弧堆焊 钨极氩弧堆焊是一种常用的表面堆焊方法，它源于普通的钨极氩弧焊( 1 1 g 焊) ，图1 - 6 为钨极氩弧堆焊工作示意图。它是在氩气保护下，利用钨电极与基 体之间的电弧热使焊丝熔覆在基体表面的一种堆焊方法。钛合金具有较强的活泼 性，因此必须采用惰性气体进行保护，并且不适宜使用带药皮和焊料的堆焊方法， 又由于钨极氩弧焊是钛合金焊接的常用方法，因此它非常适宜用于钛合金的表面 堆焊。 7 图1 - 6 钨极缸弧堆焊1 = 作图 1 焊丝( 填充丝) 2 - 氩气3 喷嘴4 钨极5 电弧6 _ 焊层7 基体 9 机械科学研究总院硕上研究生学位论文 1 3 2 堆焊技术特点 ( 1 ) 堆焊设备简单，操作方便，生产成本较低； ( 2 ) 堆焊层与基体金属结合强度高、抗冲击性能好，因此更适用于高应力 交变载荷的工况条件以及高应力磨粒磨损、削式磨损的工况要求； ( 3 ) 通过正确设计堆焊层的合金体系可获得抗磨损、冲击、腐蚀等多种性 能的堆焊层，而且堆焊层金属的成分和性能调节方便； ( 4 ) 堆焊层的厚度大，常用厚度范围0 5 r a m 。l o m m ，由于抗磨损储备尺寸 大，更适用于磨损严重的工况条件； ( 5 ) 堆焊效率高，用手工氩弧堆焊每小时熔覆的金属可达3 l 【g 。 1 3 3 堆焊技术的应用及研究现状 表面堆焊可用于对金属零件进行表面强化，也可用于修复表面损坏的部件， 以恢复其使用性能。 ( 1 ) 零部件的修复 机器设备零件，例如轴类、工模具、农机零件、轧辊件等，经过一段时间运 行后会发生磨损、腐蚀等，使其工作性能和工作效率下降，甚至失效。利用堆焊 能很快将这些零件修复起来继续使用，起到延长设备使用寿命的作用。据统计， 用于修复零件的堆焊合金量占堆焊合金总量的7 2 2 ，修复所花费用比制造或购 买新零件的费用低得多。由于修复得及时，可以减少设备停机运行的损失。因此， 广泛采用堆焊工艺修复旧零件，对节约材料、节省资金、弥补配件短缺等具有重 要的意义。 ( 2 ) 零部件的表面强化 通过在金属材料上堆焊异种合金可以制成具有综合性能的双金属零件。这种 零件的基体和堆焊合金层，由于具有不同的性能，能够满足两者不同的性能要求， 这样能充分发挥材质的工作潜力。 例如水轮机的叶片，基体材料为碳素钢，在可能发生气蚀部位( 多在叶片背 面下半段) 堆焊一层不锈钢，使之成为耐气蚀的双金属叶片；在金属模具的制造 中，基体要求强韧，选用价格相对便宜的碳钢、低合金钢制造，而刃模要求硬度 高、耐磨j 采用耐磨合金堆焊在模具刃模部位，可以节约大量贵金属的消耗，大 1 0 第一章引言 幅度提高模具的使用寿命。 堆焊合金系主要分为铁基、钴基和镍基三大类。堆焊合金按其合金类别和金 相组织的分类见图1 7 所示【绷。这三种堆焊合金广泛用于钢铁及高温合金材料的 表面堆焊及修补。 堆焊金属 铁基堆焊金属 钻基堆焊金属 镍基堆焊金属 r 高锰奥氏体铜 奥氏体钢堆焊金属铬锰奥氏体钢 l 铬镍奥氏体钢 ，低碳、低合金马氏体钢 i 马氏体钢堆焊金属中合金马氏体钢 l l 马氏体不锈钢 r 高铬合金铸铁 碳化物堆焊金属t 碳化钨 图l - 7 堆焊合金分类 目前堆焊技术的研究和应用还主要局限在钢铁、铜合金以及高温合金材料领 域，对于其在钛合金方面的应用还未见报导。 1 4 本研究的目的、意义及研究内容 1 4 1 目的及意义 本研究针对实际工程中对z t a l 5 铸件表面硬度大于h r c 3 8 的要求，对 z t a l 5 合金进行电火花沉积和表面堆焊熔覆技术的研究，深入分析工艺的技术特 点和强化效果，最终获得能满足实际工程不同使用要求的钛合金表面强化技术。 本文的研究不仅可以为电火花沉积和堆焊熔覆技术提供新的基