發布日期：2024-12-12 9:52:08
鈦合金的密度低且強度高,其抗腐蝕性能與力學性能良好,廣泛應用于航空航天[1]和武器裝備[2]等工業產品,是一種具有戰略性的高端金屬材料。但是,其不易加工及薄弱的耐磨損性能使得在使用中更易產生摩擦損耗,進而減少壽命。因此,提升鈦合金的表面性能是近些年亟待攻克的問題[3]。常見的鈦合金表面強化工藝有低塑性拋光[4]、噴丸[5]和激光沖擊[6]等。噴丸應用廣泛,被視為一種標準的后處理工序,應用在很多鈦合金航空部件中,但噴丸構件有著較差的表面粗糙度和難以避免的表面畸變,且噴丸的表面塑性變形層較淺,不利于疲勞性能[7]。電磁脈沖以一種機械外力的形式作用在工件表面以達到加工效果。而以外力沖擊金屬表面的目的是為了引入殘余應力,工件表面產生劇烈沖擊,引入殘余壓應力是提高工件表面性能的重要手段[8]。
目前,相關電磁脈沖的研究與拓展應用很多。文獻[9]針對傳統管件在電磁壓縮過程中變形不均勻的問題,提出了利用磁場變換器改變磁場分布的方法以提高加工效果。文獻[10]采用有限元仿真與實驗相結合的研究方法,對放電頻率與線圈匝數對成形能量的影響進行了研究。驅動管的選擇對能量的利用率有顯著影響,其厚薄程度與趨膚效應的影響程度密切相關[11],對導電性較差的鈦合金來說,選擇合適的驅動管具有一定的指導意義。結合表面強化的應用,脈沖磁場沖擊鉻鋼,通過改變磁場強度及沖擊次數得出脈沖磁場處理可以使該鋼種得到晶體上的改變,進而改善了硬度、屈服強度等力學性能[12]。電磁脈沖可以通過改變位錯的滑移模式,提高材料的加工硬化速率,從而提升其強度和伸長率[13]。在異型金屬的電磁成形中除常規的尺寸問題,硬度也是重要的考察因素[14]。
本文擬通過電磁仿真與實驗對TC4鈦合金棒件的表面強化進行探究,通過測量實驗件的維氏硬度與殘余應力來對比表面強化的效果,研究鈦合金在電磁脈沖表面強化過程中的參數特性,以及不同工藝條件對強化效果的影響。
1、工作原理及建模分析
1.1 工作原理
TC4鈦合金棒件電磁脈沖表面強化的基本結構和原理與管件電磁縮頸相同,即利用電磁力沖擊置于線圈中心的工件使其發生微塑性變形,以達到表面強化效果。實際中使用實心鈦棒作為強化對象,與管件電磁縮頸不同的是:將管件縮頸使用的集磁器替換為棒件外套的驅動管,用來平均分布作用在TC4鈦合金表面的電磁力并增強電磁脈沖的效果。
電磁脈沖設備的能量傳遞關系為:電容器充電儲能線圈的磁場能量對毛坯做功。設備通過可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicalController,PLC)電路控制,首先給儲能電容充電,待充滿至設置電壓后、可操作設備放電時,遠程控制,使高壓開關閉合,儲能電容的電能釋放至線圈回路,完成一次放電。放電電流I為:
式中:Im為放電電流的最大波峰值;β0=R/2L,其中,R為系統電阻,L為系統電感;ω為感應電流的角頻率;t為時間。
電磁脈沖中棒件與線圈的相對位置一般為線圈盤繞于被加工棒件的外側,整個放電過程是微秒級式中:Im為放電電流的最大波峰值;β0=R/2L,其中,R為系統電阻,L為系統電感;ω為感應電流的角頻率;t為時間。
電磁脈沖中棒件與線圈的相對位置一般為線圈盤繞于被加工棒件的外側,整個放電過程是微秒級上述震蕩衰減的電流會在線圈周圍產生一個強脈沖磁場。同時,由于棒件中的磁通量發生了顯著變化,導致其靠近線圈的內表面產生了反向的阻礙其變化的感應電流,進而形成了與原磁場方向相反的感應磁場。在線圈與棒件間隙內的原磁場與感應磁場會相互疊加對抗,產生的電磁力作用于棒件的表面。這種高速率的沖擊即為對TC4鈦合金棒件的表面強化。通過反復多次的沖擊,最終完成TC4鈦合金棒件電磁脈沖表面強化的全過程。
根據工藝的特點可知,電磁脈沖更適用于加工導電性好的金屬。若直接加工鈦效果不佳,可以選擇鋁作為驅動管,但不宜太厚[15-16]。針對所采用的低導電性高強度鈦合金材料,需要在棒件外壁套一層鋁管作為驅動管以改善其沖擊效果,增大感應電流以提高強化效率。使用驅動管時,電磁力會作用在驅動管的表面,使其發生輕微的塑性變形,進而通過驅動管作為中間介質將力傳遞至緊貼的棒件,以達到沖擊的效果。
1.2 有限元模型的設置
AnsoftMaxwell是一款基于麥克斯韋微分方程的仿真軟件,它能夠對電場和磁場進行綜合仿真分析。
并且兼具并行計算和分布式計算功能,能夠將電磁場求解問題以有限元的形式轉化為矩陣方程的計算,從而不僅提高了電磁場計算的準確性,還有效地減少了計算時間,在三維電磁場仿真方面具有很強的實力。
為對比同等條件下不同材料的加工性能,即鈦棒與鋁棒受電磁力沖擊的不同效果,設置兩組仿真,并選擇簡易的線圈纏繞方式,建模如圖2所示。其中,線圈半徑為8mm,導線截面半徑為1mm,匝數為12匝,匝間距為5mm,導線末端自然延長。棒件半徑為5mm,長度為50mm,整體居中放置。線圈采用銅,即材料庫中的Copper材料,電阻率為1.72×10-8Ω.m,相對磁導率為0.99994。鋁選用材料庫中的Aluminum材料,相對磁導率為1.00002,電阻率為2.78×10-8Ω.m。鈦選用材料庫的Titanium,電阻率為1.60×10-6Ω.m,相對磁導率為1.00004。各個實體間需絕緣,求解域設為Vacuum真空。
在線圈兩端接入外加載荷電路,可以在電路編輯器設置放電電路并加載至銅線圈的兩端,等效簡化電路如圖3所示。其中,儲能電容C為600μF,電路等效電阻為1mΩ,電壓分別設置為5.5~7.5kV,每隔0.5kV設置一組,共5組。考慮到電磁場穿透棒件存在趨膚效應,因此,需給電流設置渦流效應以符合實際情況。
1.3 仿真結果分析
分別對電磁場作用下的鋁棒和鈦棒進行仿真,可以得到,磁場強度在0~20μs內迅速上升,在20μs時產生最大值,至終止時刻逐漸減小。圖4為鈦棒在7.5kV放電電壓下能量最大時刻的磁場強度、表面力和能量分布云圖。
由圖4可知,棒件兩端的表面力相對較弱,而中部區域的表面力則顯著增強。這種分布不均的現象歸因于磁力線分布的差異。具體而言,線圈中部區域由于磁力線高度集中并被緊密壓縮在線圈與棒件之間,從而促使該區域產生了較強的電磁力。相反,在棒件的端口區域,部分磁力線發生擴散并向外逸出,導致這些位置的電磁力相對較小。由于磁場強度與表面力之間存在直接的正相關關系,因此,線圈中段因其磁場密度達到最高,相應的表面力也在此區域達到最大值,并隨著向棒體兩端的延伸而逐漸減弱。
在磁場強度影響下產生的表面力與放電電壓呈正相關,棒件最大值段存在受力不均的情況,這與線圈的纏繞外形有關。因趨膚效應的作用,受磁場影響主要集中于表面層,越靠近軸心其影響越小。此外,鋁棒與鈦棒的磁場強度分布趨勢相同,在數值上相比鋁棒的更大。在實體模型與仿真參數相同、放電電壓對比不同的條件下,產生的棒件表面力如圖5所示。
對比鈦與鋁棒件在相同條件下的電磁脈沖可知,表面力的大小與放電電壓呈正相關,鋁棒的電磁場能量轉化要優于鈦棒。其中,鈦棒在7.5kV電壓下受到的表面力為637MPa,鋁棒在7.5kV電壓下受到的表面力達到951MPa,大于其屈服極限。
綜上可知,鋁的加工效果優于鈦,用鋁管套裝在鈦上可以使沖擊力更高,達到更好的效果。實際的感應電流在驅動管的趨膚深度范圍內流動,感應電流是形成電磁力的關鍵。趨膚深度是指電流通過導體時,電流密度隨距離增加而迅速下降至初始值的1/e(約36.8%)處的距離。以鋁為例,當電阻率ρ為2.85×10-8Ω.m,磁導率μ為1.4×10-6h.m-1,放電波頻率f為100Hz時,根據趨膚深度的計算公式d=
可估算出其趨膚深度d約為0.8mm。
2、實驗與結果分析
2.1 實驗分組及初試
實驗設置不同的放電電壓與沖擊次數,以及鈦棒是否套裝鋁管作對比實驗,其中,鈦棒的直徑為Φ10mm;鋁管的外徑為Φ12mm、壁厚為0.75mm。根據放電電壓與沖擊次數對試樣進行分組編號,實驗分組及編號如表1所示。第1位數字表示電壓,第2位數字表示有無鋁管(1表示有、0表示無),第3、4位數字表示電磁脈沖次數(如6115表示電壓為6kV、套裝鋁管、沖擊15次的實驗方案)。實驗后測試并記錄維氏硬度以及殘余應力以便衡量表面強化效果。
實驗設備電磁成形機由沈航航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室自主研發設計,由控制電路和儲存能量的電容組構成,電容量為600μF,電壓范圍為0~10kV,最大放電能量為30kJ。在實驗過程中會在加工棒件與線圈之間加入一層杜邦紙作為絕緣材料,旨在有效防止加工棒件與線圈之間發生直接接觸,從而避免可能引起的短路或損壞。同時,杜邦紙還可防止在放電瞬間,由于大電流可能擊穿空氣而直接流向棒件,進而導致能量產生不必要的損耗,同時保證實驗的安全性與線圈的可靠性。
為驗證產生的電磁環形力作用于鋁管并可以傳導至鈦棒,使用鋁管套裝在鈦棒外進行電磁脈沖實驗。使鋁管一部分懸空在鈦棒外,在5kV電壓下沖擊一次得到鋁管的斷口截面,如圖6所示。強大的電磁脈沖可以瞬間使與鈦棒相對懸空的鋁管受到環形剪力而斷開,其斷口截面相對均勻且形狀近似為六邊形。在平鋪同等面積的情況下,正六邊形所需要的周長之和最小且六邊形是一個非常穩定的形狀,每個角均受到相等的力,是對抗和平衡外力的最佳形狀。因此,圓形截面的鋁管被環形電磁力沖擊而斷裂后,變形處變為了六邊形。
2.2 對維氏硬度的影響
根據分組進行實驗,并測量其維氏硬度。維氏硬度測量點的壓痕為正方形,壓痕的輪廓清晰,對角線測量準確,所以測量實驗件的維氏硬度并分析強化效果。選取其中一個端面,從端面開始確定一條隨機直線,每隔10mm選取其圓周上相差180°的兩個點測量維氏硬度并記錄[17],測量的實驗力為0.1kg,載荷保持時間為10s,后續的維氏硬度測量的實驗力與保載時間均相同。圖7為5110實驗方案的維氏硬度測量值分布圖,可以看出維氏硬度相對于鈦棒的原始值有了較為明顯的提升,在隨機線上測量的維氏硬度分布不集中,最大值分布在棒件的中后段。
每組實驗測得的維氏硬度平均值如圖8所示。
根據放電能量Q=CU2(U為電壓),對比可以發現在相同電壓以及相同放電次數情況下,電壓越高,維氏硬度的提升越大,如515、613和713實驗方案。電磁脈沖對棒件沖擊的能量與電壓呈正相關,沖擊能量越大則對維氏硬度的提升越大。但是沖擊達到一定次數后其維氏硬度反而會稍微下降,發生加工軟化的現象,但是仍然能保證一定的強化效果,如6kV電壓下沖擊15次與20次。由此可見,電磁脈沖表面強化不是單調變化的規律,并不是沖擊次數多,強度大,則強化效果越好,過度加工反而會使金屬產生應力集中式的疲勞。原始鈦棒的維氏硬度為350HV,在不同實驗條件下,鈦棒的維氏硬度最大值相比原始件有較大的提升,如表2所示。
其中,5115實驗方案下的維氏硬度提升得最多,其平均維氏硬度為416.2HV,提升15%~20%,最大單點維氏硬度為440.1HV。與維氏硬度提升最多的組對比,套裝驅動鋁管提升維氏硬度的效果相比無鋁管的稍好,提升了約5%,但是鋁管在開始使用時會吸收部分能量。
表3為鋁管強化后的維氏硬度。可以發現,套裝鋁管的工況下,沖擊次數較少則強化不明顯,這是因為鋁管也需要被強化而消耗掉部分能量。鋁管的硬度在少次沖擊后能達到最大值,然后維氏硬度變小,之后相對穩定,不會再影響后續對鈦棒的沖擊。而未套裝鋁管情況的沖擊結果顯示,鈦棒的平均維氏硬度開始提升不明顯,后續則會迅速增加,此外,鈦棒的維氏硬度提升到最大值的過程較慢。
2.3 對殘余應力的影響
經過退火處理的原始鈦棒的殘余應力在0~0.5MPa,在經過電磁脈沖沖擊后其表面層會附加上一層有益的殘余壓應力。選取維氏硬度提升較好的3組測量,每個鈦棒上從左至右選取固定間隔的3組隨機點,測量表面殘余應力并記錄數據,其殘余壓應力如圖9所示。
從圖9可以看出,鈦棒的殘余壓應力的最大值主要集中于棒件的中段。對比61實驗組可看出,沖擊電壓相同時,前15次沖擊次數越多,向其施加的殘余壓應力越大,約為180~210MPa。但沖擊20次后兩邊的殘余壓應力會減小,但仍然能穩定在約150MPa以上。對比51實驗組、61實驗組、71實驗組可以看出,高能量沖擊附加的殘余壓應力更大,7kV電壓下僅3次沖擊即有更為明顯的提升,而相比之下,5kV電壓下15次沖擊的效果并不佳。未套裝鋁管的605實驗被附加上的殘余壓應力最小。
圖10為3種條件下實驗件殘余應力沿層深分布情況的測試結果。可以看到,電磁脈沖在鈦合金表層引入一定數值、一定深度的殘余壓應力,分布呈現梯度分布的特征,至500μm的深度仍然有分布。6kV電壓下無鋁管套裝的實驗件表面引入的殘余應力值雖然最大,但沿分布層深度方向應力遞減得較多。5與6kV電壓下有鋁管套裝的實驗件能夠獲得較深的殘余壓應力分布,電壓高沖擊次數多時效果較好。
2.4 金相組織分析
在電磁場的影響下多次沖擊TC4鈦棒,這種沖擊會使得其表層硬度提升,為了觀察樣件表層微觀組織的變化,對原始件和兩組實驗件的金相變化進行分析,如圖11所示。可以看出,處理前后的顯微組織均為α+β的兩相結構,其中,淺色襯度為α相,深色襯度為β相。當沖擊作用至鈦合金表面時,等軸組織被打碎,表層晶粒細化,亞結構組織取向隨機化。這種組織細化歸因于電磁脈沖使鈦合金材料表面發生局部強烈的微塑性變形。晶粒尺寸減小、α相的含量增多,均會使得加工合金的硬度提升。有相關研究[18]發現,等軸組織中初生α相較多,裂紋在α相和β相界面產生,隨變形量的增大,在必須切過相粒子之前,裂紋沿著相界面擴展,如裂紋前端遇到球形初生α相的阻礙時,就要繞過該粒子而消耗更多能量。
利用專業的圖像處理工具ImageJ對材料微觀結構的照片進行分析,測定出其中β相的比例約為19.6%。進一步對比處理前后的顯微組織圖像,可以觀察到,盡管整體組織形態未呈現顯著變化,但α相的含量卻有所增加。具體而言,針對5015方案的鈦棒,經過處理后,其β相的比例有所下降,具體數值減少至約17.1%;同樣地,6015實驗方案的鈦棒也展現出了類似的趨勢,β相的占比降低至約16.5%。5015實驗方案的鈦棒的β相變得更細小均勻,而6015實驗方案的鈦棒存在β相部分集聚的情況。隨著電磁脈沖強度的增加,孿晶密度增大,各孿晶系重復交割,使得晶粒碎化,呈現出取向隨機分布的細小亞結構組織集聚的現象,這與過度加工有關,該現象類似于噴丸強化中的過噴丸[19]。以上分析體現了電磁脈沖加工對表面性能的雙重效應:
一方面,當加工過程中的強化效應占據主要地位時,能夠有效提升表面性能;另一方面,若加工過度導致弱化效應占據主要地位,則可能會對表面性能產生不利影響。
電磁脈沖作用于鈦棒表面,能夠誘發微塑性變形,并促使晶體結構發生細化與分散現象,具體表現為:表層的β相在脈沖沖擊下變得更為細小且彌散分布。這一過程展示了電磁脈沖對材料微觀結構的有效調控能力[20]。受到劇烈沖擊后,表面的變形量變大,晶粒尺寸會趨于減小,進而導致鈦合金表面硬度的提升[21]。
電磁脈沖表面強化的核心為線圈,但是高電壓對此規格線圈的損耗較大,且加工線圈使用較多次數后會逐漸變形,無法完全保證沖擊的一致性。如何設置放電間隔、控制工作線圈的穩定和溫升等問題是實驗中的重要影響因素。電磁脈沖技術的應用有賴于線圈的承載,在確保強化效果的情況下,工作線圈的纏繞制作與其使用壽命的提升有待進一步研究。
3 結論
(1)電磁脈沖產生的沖擊力與放電電壓呈正相關,電壓磁場力的方向為徑向向內,最大沖擊力集中于棒件的中段,鄰近線圈的兩端的力逐漸減小。因趨膚效應的影響,電磁場力主要作用在表面層附近,為提高效果可選用鋁管作為驅動管。
(2)電磁脈沖表面強化可以提升鈦棒的平均維氏硬度,最大可以提升15%以上,但是沖擊次數過多會發生局部硬度下降的情況。使用鋁驅動管有更好的沖擊效果,但其在開始需要吸收部分能量。
(3)合適的電壓與沖擊次數能有效提升鈦棒的殘余壓應力,電壓越高、能量越大,則效果越好,此外,低電壓下多次沖擊也有明顯效果。脈沖磁場的沖擊作用能促進TC4鈦合金微觀組織中的β相向α相轉變,提高α相的占比,使β相變得更細小,并提高其硬度。
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