電磁成型工藝對TC4鈦合金板表面強化性能的影響

鈦合金以質量輕、比強度高、耐蝕性好等優點，被廣泛應用于航空航天、醫療及汽車工業［1］。在汽 車工業，應用鈦合金最多的是汽車發動機系統［2-3］。鈦合金的密度低，可降低運動零件的慣性質量，提 高發動機的轉速及輸出功率［4］。在醫療領域［5］，鈦合金被廣泛應用于肢體植入，替代功能材料、牙科 、醫療器械等。在航空航天領域［6］，鈦合金的應用包括飛機、火箭、衛星、導彈等各種航天器件。如用 于制造飛機的機身、起落架、火箭的噴嘴、燃燒室、渦輪泵、衛星的結構件、天線、導彈發動機、導引頭等 部件。隨著科技的不斷進步，鈦合金應用范圍還將不斷擴大，為各個領域的發展注入新的動力。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境中的應用，如管道 、動力驅動裝置推進器及驅動器軸，螺旋槳等磨損環境的使用。因此，提高鈦合金的硬度和耐磨性能，可更 好的擴大鈦合金的應用范圍［8-9］。

電磁成型工藝［10-11］是新興的高能率成型技術，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定律。由電磁感應定律可知，變化電場周圍產生變化 的磁場，變化的磁場又在其周圍空間激發渦旋電場，處于此電場中的導體中產生感應電流，帶電導體在變化 的磁場中受到電磁力，電磁成型技術以此為動力，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，達到預設電壓值時，充電停止，閉合電路開關 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生的強大電磁力，電磁成型工藝就是用電磁力對金屬材料進行塑 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，與傳統金屬表面強化工藝相比，如物理法、表面覆膜和化學法、電 化學晶界腐蝕及熱處理方法，電磁成型工藝有以下幾方面優勢［13］。

1）瞬間作用在毛坯上，無機械接觸，易實現生產過程的機械化和自動化。

2）高速成型，每分鐘工作數百次，成型效率高。

3）生產條件好，無污染，無排屑，維護簡單。

4）工裝設備及模具簡單，費用低。

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

基于以上優勢，電磁成型工藝有良好的應用前景和發展空間，在未來也將得到進一步改進，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，并對試驗結果進行分析與研究。

1、試驗材料與方法

1.1 材料與設備

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的紫銅板材作為驅動片，放置于加工線圈和TC4鈦合金板材之間。

電磁成型設備為實驗室人員自行設計制造，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］，試驗設備線圈用閘數少，寬度較大的紫銅線圈。供能設備及控制裝置如圖 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

進行不同沖擊電壓、不同沖擊次數、有無驅動片試驗，對比各參數對 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行硬度檢測，檢測示意圖如圖5所示。

2、結果與分析

2.1 驅動片對表面強化的影響

為驗證驅動片對 TC4 鈦合金板材沖擊強化的影響，在沖擊電壓為 6 kV，沖擊次數為 20 次時進行試驗 ，A側為使用驅動片，B 側為無驅動片，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。圖中數字“6”代表沖擊電壓為 6 kV ，“0”代表未使用驅動片，（“1”代表使用驅動片），“20”代表沖擊次數為20次。

在加載電壓，沖擊次數相同的條件下，對比 A、B側硬度可以看出，使用驅動片的試件硬度明顯優于未 使用驅動片的一側。后續試驗中進行不同的沖擊電壓和沖擊次數時，都將在使用驅動片的條件下進行。

2.2 沖擊次數對表面強化的影響

為驗證沖擊次數對 TC4 鈦合金板件硬度的影響，設沖擊電壓為 5 kV，使用驅動片，沖擊次數分別為 3 、5、10、20、30次。表1為工藝參數。

由圖 7可看出，樣品表面硬度的波動較大，導致散點圖較離散。因此 ，為更好的展示試件試驗前后的硬度變化，對試驗結果進行擬合，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，所以對于未強化處理的板件用 y=Ax+B進行數據擬合，對5 kV，使用驅動 片，沖擊次數分別為 3、10、20、30 次的試件，隨減薄量增加，硬度明顯減小，因此用雙指數函數

進行數據擬合。曲線擬合數據表如表2所示。擬合結果如圖8所示。

比較沖擊電壓為 5 kV，沖擊次數分別為 3、10、20、30次的 4個樣品的硬度可以看出，當沖擊次數較 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；當沖擊次數提至 10次時，硬度較之前有明顯 區別，且當次數再次提至 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，對樣品的沖擊次數也要 控制，否則導致樣品的硬度下降。

為驗證試驗結果的準確性，設沖擊電壓為 6 kV，使用驅動片，沖擊次數分別為 3、10、20 次。工藝參 數如表3所示。

對試樣進行不同減薄量的硬度檢測，并對結果進行擬合，擬合數據如表 4 所示。擬合曲線如圖 9 所示 。

可以看出，在一定范圍內，在沖擊電壓為 6 kV 時，沖擊次數越多，表面硬度提高的越明顯，其中，試 件 6120經強化后，表面最大硬度達到了 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 沖擊電壓對強化效果的影響

在沖擊次數相同，使用驅動片的條件下，驗證不同的沖擊電壓對 TC4鈦合金板件表面硬度強化效果的影 響。設沖擊次數為 10次，沖擊電壓分別設置為 5 kV和6 kV，測量不同減薄量表面硬度，并對數據進行擬合 ，擬合數據如表2、4所示。擬合曲線如圖10所示。可以看出，在6 kV下的硬度強化效果優于5 kV。

當沖擊次數為 20 次，沖擊電壓分別為 5、6 kV 時，對硬度數據進行擬合，擬合數據如表 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，沖擊次數多并不意味著板件硬度的強化效果越好。

3、電磁場的有限元模擬

電磁場在強化 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、電磁學、塑性動力學等多個學科知識。現有理論很難對 多個學科的理論進行有效整合預測電磁場如何影響鈦合金板件的表面性能。不過隨計算機模擬技術及有限元 理論的不斷發展進步，可通過計算機軟件模擬分析，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。當電流達到最大值時，根據電 磁感應定律，驅動片銅板中的感應電流也達到最大值，受到線圈的電磁力也達到最大值，驅動片對 TC4 鈦 合金板件的沖擊力也達到峰值。驅動片在強電磁場中受到電磁力的作用，驅使驅動片快速、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］。當沖擊電壓分別為 5、6 kV，放電時間為 65 μs 時，線圈中的感應電流到達最大值，驅動片 內電流分布如圖 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 的驅動片。這與理論分 析相吻合，也進一步驗證了電磁成型工藝對強化鈦合金表面硬度的可行性。

4、結 論

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

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

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