钛合金Ti-6Al-4V的电火花加工试验研究

王 力，张国伟，郭雨龙，邵东向，郭永丰

（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

钛合金Ti-6Al-4V的电火花加工试验研究

王 力，张国伟，郭雨龙，邵东向，郭永丰

（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

对钛合金Ti-6Al-4V进行了电火花加工试验研究，以加工极性、脉宽、峰值电流为试验因素，探讨其对TC4钛合金的材料去除率、电极相对损耗及工件表面微裂纹的影响规律。结果表明：占空比一定、采用正极性或负极性加工时，增加峰值电流皆可提高其材料去除率，且负极性加工影响更为显著；同时，负极性加工可获得较低的电极相对损耗。无论选用何种加工极性，增大峰值电流与脉宽，都会导致TC4钛合金加工表面出现显著的微裂纹，且负极性加工时的工件表面微裂纹密度大于正极性加工；同时，TC4钛合金加工表面皆有TiC生成，使电火花加工TC4钛合金时的材料去除率降低。

TC4钛合金；材料去除率；电极相对损耗；微裂纹

TC4（Ti-6Al-4V）钛合金具有比强度高、耐热、耐腐蚀及良好的中高温工作性能等优点，目前在航空航天、生物医学、汽车、石油化工等领域得到了广泛的应用。如：TC4钛合金已用于制造飞机涡轮发动机叶片、医用人工修复关节、航海专用防腐蚀的泵阀等[1-2]。但由于TC4钛合金存在导热系数差、耐磨性差、比热容小、弹性模量低等特点，属于难加工材料，传统机械加工对其复杂零件形状的制造较困难[3-5]。电火花加工是利用工具电极与工件之间的脉冲放电腐蚀去除工件材料的，可实现特定形状尺寸的加工及良好的表面质量；且在加工过程中，工具电极与工件不接触，其宏观作用力小，由于加工不受工件硬度及强度等影响，故可加工任何导电金属材料。因此，电火花加工技术已逐步用于钛合金材料的加工领域。

国内外学者对TC4钛合金的电火花加工表面质量、加工效率等开展了诸多研究。Hasçalık等[6]的研究结果表明，电火花加工TC4钛合金的材料去除率、电极相对损耗及平均白层厚度均随电流密度和脉宽的增加而增加；而采用长脉宽会降低其材料去除率；此外，当使用铜电极加工时，钛合金白层表面会出现明显的微裂纹。强华等[7]对电火花加工TC4钛合金的电极相对损耗进行了探讨，得出电极相对损耗与电规准及电极材料等因素有关的结论；与精加工相比，粗加工具有更小的电极相对损耗；在相同加工条件下，虽然紫铜电极的电极相对损耗大于

铜钨合金电极，但可获得较高的材料去除率。Pradhan对TC4钛合金进行微细电火花加工实验，结果表明，峰值电流和脉宽对材料去除率及电极相对损耗的影响最为显著。本文分别就加工极性、峰值电流（10～34 A）、脉宽（30～160 μs）对电火花加工TC4钛合金的材料去除率、电极相对损耗及工件表面微裂纹的影响规律进行讨论。

1 对材料去除率和电极相对损耗的影响

1.1 试验装置及加工条件

试验采用P60A数控电火花成形机床作为试验平台。采用直径16 mm的紫铜作为工具电极，对深度3 mm的TC4钛合金盲孔进行加工。工作介质为航空煤油。利用超景深显微镜观测工件表面微裂纹，同时采用X射线衍射仪对工件加工表面进行成分分析。试验时，开路电压280 V、占空比48%均为常量，加工极性、峰值电流及脉宽等因素选用的水平见表1。

表1 各因素选用的水平

1.2 峰值电流与脉宽对材料去除率的影响规律

脉宽为130 μs时，峰值电流对TC4钛合金材料去除率的影响规律见图1。可看出，无论采用正极性还是负极性加工，峰值电流的增大都能使材料去除率提高，且负极性加工的材料去除率高于正极性加工。

图1 峰值电流对材料去除率的影响规律

图2是峰值电流为33.7 A时，脉宽对TC4钛合金材料去除率的影响规律。可看出，随着脉宽的增加，正极性加工的材料去除率逐渐下降；而负极性加工的材料去除率逐渐上升，且高于正极性加工。

图2 脉宽对材料去除率的影响规律

由于增大脉宽时，单次脉冲放电能量会增加，此时放电通道中的正离子有足够时间加速，且轰击负极表面的离子数随时间的增加而递增。由于正离子加速产生的惯性大，且在负极表面的轰击能力大于电子，因此，在大脉宽条件下，负极性加工可获得较高的材料去除率。由图1、图2可知，采用负极性、大的峰值电流及适中的脉宽，可获得较高的材料去除率。

1.3 峰值电流与脉宽对电极相对损耗的影响规律

脉宽为130 μs时，峰值电流对电极相对损耗的影响规律见图3。可看出，采用负极性加工时，峰值电流的增大会导致电极相对损耗逐渐增加；电流在10～30 A区间时，其电极相对损耗低于正极性加工。

图3 峰值电流对电极相对损耗的影响规律

峰值电流为33.7 A时，脉宽对电极相对损耗的影响规律见图4。可看出，无论选用何种加工极性，电极相对损耗都随着脉宽的增加而下降；当脉宽为130 μs时，电极相对损耗趋于平稳；负极性加工获得的电极相对损耗更低。在加工过程中可发现，采用负极性加工时，煤油热裂解生成的碳元素吸附于铜电极表面，形成了一层熔点和气化点较高的碳保护膜，从而保护了正极，降低了电极相对损耗。因此，与正极性加工相比，负极性加工可获得较低的电极相对损耗。

2 对表面形貌的影响

2.1 脉宽对工件表面形貌的影响规律

图4 脉宽对电极相对损耗的影响规律

采用正极性加工、峰值电流为33.7 A时，不同脉宽条件下的TC4钛合金加工表面形貌见图5。可看出，脉宽较小时，盲孔底面中心处出现凸起圆台；当脉宽为130 μs时，该现象消失。结果表明，随着脉宽的增加，盲孔底面趋于平整，且盲孔底面微裂纹密度显著增加。

从图6可看出，在负极性加工条件下，脉宽较小时，加工表面出现内凹现象；随着脉宽的增加，工件表面趋于平整，且微裂纹密度显著增加。这是因为采用较小的脉宽值进行加工时，由于占空比一定，较小的脉间不利于工件圆心周围的电蚀物向外排出，导致在中心处放电较多；同时，工具电极外圆周处及侧面电蚀产物的介入，也会产生较多的非正常放电，导致加工表面产生内凹现象。

图5 正极性加工时，脉宽对TC4钛合金表面形貌及微裂纹的影响规律

图6 负极性加工时，脉宽对TC4钛合金表面形貌及微裂纹的影响规律

2.2 峰值电流对工件表面形貌的影响规律

采用正极性加工、脉宽为130 μs时，不同峰值电流条件下的TC4钛合金加工表面形貌见图7。可看出，随着电流的增大，工件表面微裂纹密度逐渐增加。

从图8可看出，采用负极性加工、脉宽130 μs时，工件表面微裂纹密度也随着峰值电流的增大而显著增加。

3 X射线衍射分析与金相组织分析

为了分析加工极性、峰值电流及脉宽对TC4钛合金加工性能的影响规律，分别取脉宽63.6 μs、峰值电流28.5 A时的加工样件进行X射线衍射分析（图9、图10）。同时，分别取脉宽158 μs、峰值电流33.7 A时的加工样件进行金相组织分析 （图11、图12）。

图7 正极性加工时，峰值电流对TC4钛合金表面形貌及微裂纹的影响规律

图8 负极性加工时，峰值电流对TC4钛合金表面形貌及微裂纹的影响规律

图9 脉宽63.6 μs时的X射线衍射分析结果

图10 峰值电流28.5 A时的X射线衍射分析结果

由图9、图10的X射线衍射分析可知，无论采用正极性或负极性加工，电火花加工后钛合金表面都有TiC生成。这是由于加工过程中，钛元素在高温下与煤油热裂解生成的碳元素发生了反应。由于TiC的熔点为3160℃，沸点为4820℃，且具有很高的化学稳定性；而TC4的熔点只有1692℃，所以在电火花加工过程中生成的TiC，阻碍了其放电蚀除TC4钛合金，降低了材料去除率。

当采用正极性或负极性加工时，由于熔融金属表面与煤油工作液、熔融金属与金属基底的热传递

速度不一致，材料在高温通道快速熔化，又在煤油工作液中急剧冷却，从而造成熔融金属上表面与熔融金属基底接触面之间存在显著的温度梯度。因此，基体表面凝固的金属不可避免地受到热应力与拉应力作用。

在小脉宽或小峰值电流的作用下，由于放电能量较小，热量在工件表面热传递的影响范围较小，所以白层与热影响层厚度较薄，白层由熔融金属急剧冷却而形成。因此，熔融金属急剧冷却后形成的残余应力较小，工件表面不出现或存在少量裂纹（图5～图8中的a、b）。反之，当脉宽或峰值电流增加时，放电能量增大，热量在工件表面热传递的影响范围较大，形成较大的白层与热影响层厚度；放电结束后，熔融金属上表层率先冷却，内层材料因冷却时造成的体积收缩而滞后于上表层；此外，由于加工过程中TiC的生成，且其分布不均匀，TiC再次熔化后，随熔融金属一起冷却时，也会产生一定的温度梯度，这都会导致材料表层出现较大的残余应力。当残余应力大于材料的抗拉强度时，微裂纹显著出现（图5～图8中的c、d）。

由图11、图12所示的金相组织表明，负极性加工时的白层厚度大于正极性加工。这是因为在负极性加工中，由于大脉宽与大电流的作用，正离子的轰击效应带给工件表面的能量更大，热能在工件表面热传递的范围大于正极性加工。因此，负极性加工会产生更多的熔融金属，可获得较高的白层与热影响层厚度。放电结束后，熔融金属急剧冷却，造成较大的残余应力。由于残余应力大于材料的抗拉强度，微裂纹显著出现。因此，图6c与图6d、图8c与图8d中出现大量微裂纹，且其密度分别大于图5c与图5d、图7c与图7d。

图11 脉宽158 μs时的金相组织结果

图12 峰值电流33.7 A时的金相组织结果

4 结论

（1）采用正极性或负极性加工时，增大峰值电流，均可提高材料去除率，且负极性效果更显著。

（2）在占空比一定、峰值电流与脉宽增大时，负极性加工可获得更低的电极相对损耗。

（3）无论采用正极性或负极性加工，在占空比一定时，脉宽与峰值电流的增大，都会使TC4钛合金表面的微裂纹密度随之增加。负极性加工时，白层厚度大于正极性加工，且其工件表面微裂纹密度更显著。

（4）采用正极性或负极性加工时，TC4钛合金表面均有TiC生成。由于TiC的熔点显著高于TC4钛合金，因此，TiC的形成阻碍了电火花加工钛合金基体，降低了材料去除率。

[1] 赵树萍，吕双坤.钛合金在航空航天领域中的应用[J].钛工业进展，2002（6）：18-21.

[2] Anon.Titanium alloys for aerospace[J].Advanced Materials&Processes，1999，155（3）：39.

[3] Ezugwu E O.Key improvements in the machining of difficult-to-cut aerospace super alloys[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture，2005，45（1）：1353-1367.

[4] Ezugwu E O，Bonney J，Yamane Y.An overview of the machinability of aeroengine alloys[J].Journal of Materials Processing Technology，2003，134（5）：233-253.

[5] 李树侠，朴松花.钛合金材料的机械加工工艺综述[J].工艺与材料，2007（7）：57-61.

[6] Hasçalık A，Çaydas U.Electrical discharge machining of titanium alloy (Ti-6Al-4V)[J].Applied Surface Science，2007，253（22）：9007-9016.

[7] 强华，张勇，黄楠，等.电火花加工TC4钛合金时电极损耗的探讨[J].新技术新工艺，2006（10）：18-19.

Experimental Research on EDM of Ti-6Al-4V Titanium Alloys

Wang Li，Zhang Guowei，Guo Yulong，Shao Dongxiang，Guo Yongfeng
（Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

EDM experiment research on titanium alloy Ti-6Al-4V is conducted to explore its material removal rate，electrode relative wear and microcrack density.Polarity，pulse duration and peck current are selected as experimental factor.The result shows that the increasement of peck current could improve material removal rate，and it is more dramatically during negative polarity machining; meanwhile，the lower electrode relative wear could be reached if chosing negative polarity.With the increasement of pulse duration and current，the machined surface of TC4 alloy comes out the intensive microcrack，and it is more dramatically when choosing negative machining.At the same time，TiC is emerged on the machined surface，which is leaded to the lower material removal rate.

TC4 titanium alloys；material removal rate；electrode relative wear；microcrack

TG661

A

1009-279X（2014）03-0026-05

2013-12-30

王力，男，1987年生，博士研究生。