混粉准干式电火花工作介质放电特征及其表面强化TC4钛合金机理研究

Titanium alloys are extensively used in the aerospace, automotive and petroleum chemical industries, however, the use of them are limited dut to low surface hardness and poor wear resistance. The powder-mixed near-dry multi-dielectrics EDM surface strengthen as a new method of surface strengthen was propersed in the project, in order to solve the problems of traditional EDM surface strengthen. The main contents inclue the followings: the characteristic of energy distribution of multi-dielectrics breakdown will be studied systematically in terms of fractal geometry theory. Improve the experiment equipment according to generation and transportation of multi-dielectrics. Analysis phase compositions, growth morphology and mechanism of reinforcing phase of TC4 alloy during solidification under powder-mixed near-dry multi-dielectrics EDM surface strengthen, and further reveal on strengthening mechanism. A serises of dressing experiments will be carried out on a Die-Sinking Electrical Discharge Machine according to theoretical analysis and temperature fields numerical simulation results. Reserach on the influence of process parameters including discharge current, pluse duration, dielectric composition, fluid speed, discharge voltage and dielectric mixing ration on microstructure, mechanical properties and thickness of strengthening layers. Reserach on mechanism of powder-mixed near-dry multi-dielectrics EDM surface strengthen of TC4 alloy is scientific significance and economic value to develop green EDM surface strengthen technology with high-quality, high-efficiency and low cost.

钛合金是应用于航空航天、汽车工业及石油化工等领域的重要结构材料，但因表面硬度低、耐磨性差等缺点使其应用受到限制。针对目前电火花表面强化技术存在的问题，本项目提出了一种新的电火花表面强化方法-混粉准干式电火花表面强化。项目主要研究内容有：研究三相介质的生成和传输原理并完善实验装置，建立三相介质击穿模型，基于分形几何学模拟放电轨迹并掌握三相介质放电能量分布特征；分析混粉准干式电火花表面强化TC4钛合金的相组成，研究增强相在凝固析出时生长形态及机理，揭示强化机理；研究强化层微观组织结构、性能、厚度随三相介质的成分、混合比及放电参数的变化规律。混粉准干式电火花工作介质放电特征及其表面强化TC4钛合金机理研究，对实现高质量、高效率、低成本且符合绿色制造要求的钛合金表面强化技术，具有重要的科学意义和经济价值。

针对钛合金存在表面硬度低、耐磨性差等缺点，尤其是在滑动摩擦条件下，易发生黏着摩擦，致使摩擦力学性能较差等问题，本项目在突破传统的电火花表面强化基础上提出了混粉准干式电火花表面强化方法。系统研究了三相介质的生成和传输装置并对其进行了完善；基于分形几何学分析三相混合介质放电机制及能量分布特征；深入研究不同放电工艺参数(峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔)、混入强化粉末颗粒种类及浓度、电极材料对强化层相组成、微观组织结构、力学性能的影响规律，研究增强相在凝固析出时生长形态，揭示强化机理。并将混粉准干式电火花表面强化技术扩展应用至模具钢表面强化。. 本项目取得的成果如下：研制了混粉准干式电火花工作介质输出装置；根据三维放电模型，利用matlab仿真出在煤油、空气、混粉准干式介质中的放电路径。利用分形理论的盒计数法计算出了在煤油、空气、混粉准干式介质中放电路径的分形维数，其分形维数D分别为2.07357、2.17007、2.2511，定性的揭示了分形维数与脉冲能量分布的对应关系；不同工艺参数条件下得到的强化层组织结构均为层叠菊花瓣状，显微硬度约为基体合金的3~4倍左右，且摩擦磨损性能得到较大改善；与脉冲宽度和脉冲间隔相比，峰值电流对强化层组织和性能的影响较大，优化的放电工艺参数为：峰值电流Ie=6.6-8.2A，脉冲宽度ton=60~100μs，脉冲间隔toff=50~100μs；选择不同工具电极(石墨、铜、钨)及工作介质中分别混入C、B4C、C+B4C粉末颗粒材料时，获得了含有TiC、TiB、B8C、Al3BC、AlTi3、Al5Ti2和非晶等多增强体的强化层，TiB、B8C、Al3BC等显著提高强化层的耐磨性，而TiC、Al3Ti和Al5Ti2等钛铝金属间化合物提高其硬度，实现了混杂强化。该项目取得的成果在大量的需要高硬度、高耐磨损的零部件上有着广阔的应用前景，混粉准干式电火花表面强化技术对打破传统电火花表面强化技术的限制，拓展电火花表面强化领域具有非常重要的意义。