重熔层特点及去除技术

摘要： 研究的是一些航空类难加工材料进行电加工时，加工表面产生的残留物，这些残留物即为零件加工表面的重熔层，通过对加工零件机体材料和重熔层的产生原因分析，从而得出重熔层去除的方法，该方法的推广对于系列的航空零件的电加工有着重要意义。

关键词： 难加工材料；电加工；重熔层

中图分类号：TN249文献标识码：A文章编号：1671－7597（2012）0110014－01

1 研究背景

随着航空发动机对推重比，及相关工作性能要求的越来越高，对航空材料的要求也越来越高。国外先进的发动机中已大量采用了非常规材料、高性能材料，其中钛合金、高温合金或粉末冶金为使用较多的航空材料。由于这些材料具有相当良好机械性能（高的强度和韧性），使得传统的加工已经不能再胜任，故在航空企业中大量的使用电加工已经成为必然。其负产品——重熔层如何去除成为目前急需研究的课题。

2 难加工材料分析

2.1 钛合金材料

钛合金是应用较普通的航空材料，钛金属具有六方密堆积晶格。钛在常温下虽不活泼，但在高温下它可直接与许多非金属如氢、卤素、氧、碳、氮、硫化合，所生成的化合物如TiN，TiC，TiB都非常稳定、坚硬和难熔。而钛合金（TC4，使用较为广泛）的主要成分为Al（3.5%～5.0%）、Mn（0.8%～2.0%）、Ti余量，其中还掺杂其它元素，如Fe、C、N、H、O等，由于金属的电加工原理是瞬间电极放电产生高温使金属熔化来进行金属的加工，所以钛合金在进行电加工时，加工表面易产生TiN、TiC以及钛的氧化物，这些残留物成为零件加工表面重熔层的主要成分。设备不同、电加工方式不同TiN、TiC以及钛的氧化物占有比例又有不同，其中在进行快走丝线切割加工时，由于是暴露在空气中进行加工的，故产生的钛的化合物较多，尤其是TiN，加工后所产生的重熔层也较厚，约为0.025～0.065mm；当材料在慢走丝线切割机床上进行加工时，由于是在去离子水环境下进行的，不与空气接触，加工后所产生的钛的化合物也较少，主要是机体钛与钛合金中的杂质所产生的，重熔层的厚度较薄，约为0.005～0.02mm；在进行电脉冲加工时，是在煤油的介质中进行的，不暴露在空气中，但由于放电能量较大，故产生的重熔层厚度也较厚，约为0.05左右。

2.2 高温合金材料

高温合金分为铁基变形高温合金、镍基变形高温合金、钴基变形高温合金以及铸造高温合金。铁基变形高温合金（如GH2132），主要成分为C、Cr、Ni、W、Mo、Fe、Nb，还有其它一些金属，含量较少，如B、Mn、Si、P、S、Cu等；镍基变形高温合金（如GH3030），主要成分为C、Cr、Ni、Ti等，还有其它一些金属，含量较少，如Fe、Mn、Si、P、S等；钴基变形高温合金（如GH5188），主要成分为C、Cr、Ni、W、Mo、Fe、Co、B、Mn、Si等，还有其它一些金属，含量较少，如P、S、Cu等；铸造高温合金（如K24），主要成分为C、Cr、Ni、W、Ti、Fe、Al等，从以上可以看出，高温合金含有C、W等元素，使得高温合金进行电加工，在高温的条件下会产生硬质合金WC及C的化合物沉积在零件的表面形成重熔层，并且这层重熔层硬度较硬。

3 重熔层形成机理

3.1 极间介质的电离、击穿，形成放电通道

极间介质一旦被电离、击穿形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转化为热能。于是在通道内，正极和负极表面分别成为瞬时热源，分别达到很高的温度。正负极表面的高温除使工作液气化、热分解气化外，也使金属材料熔化、直至沸腾气化。这些气化后的工作液和金属蒸汽瞬时间体积猛增，迅速热膨胀，抛出金属，达到去除零件余量的目的。

3.2 介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀

通道和正负极表面放电点瞬间时高温使工作液和金属材料熔化，气化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，压力高处的熔融金属液体和蒸汽就被排挤、抛出。熔化和气化了的金属在抛离电极（加工中基体材料接负极，工具电极接正极）电极表面时向四处飞溅，除大部分抛入工作液中收缩成小颗粒外，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附在电极表面（也就是基体金属表面）上，形成我们所谓的重熔层。熔融材料抛出后，在电极表面形成单个脉冲的放电痕，熔化区未被抛出的材料冷凝后残留在电极（基体金属）表面，形成熔化凝固成（重熔层的一部分），熔化凝固层虾下面是热影响层，再往下才是无变化的材料基体。金属在进行电加工后表面及深层依次为电腐蚀层（重熔层）、过渡区域、基体金属。

4 重熔层的双重性

4.1 重熔层的危害

对于结构件、连接件在产生重熔层后，由于金属表层质地变得不均匀以及微裂纹的存在使得金属在长时间交变应力作用的情况下进行工作时易发生断裂而造成事故，类似的故障在飞机发动机中不乏先例，因此发动机零件金属表面电加工后所产生的重熔层需要彻底去除，杜绝隐患。

4.2 重熔层的优点

对于结构性承受单一受力或摩擦件，形成的重熔层表面提高了零件的抗磨性能，能提高零件的工作寿命，因此对于民用零件适当提高重熔层厚度也是某些研究的专门课题。

5 重熔层的去除方法

世界各国都在研究重熔层的去除的最佳方法，目前的去除方法有机械加工去除、手工抛修、化学腐蚀、吹砂、电化学加工等，但效果都不甚理想，机械加工去除效果较好，但受局限性较大，只能进行平面及易加工部位；手工进行抛修，抛修后的零件表面质量较差，并且尺寸也不易保证；化学腐蚀是目前生产中相对较好的方法，但在加工时需要对非加工部位进行保护，并且加工有随机性，不易控制，需要反复试验才能进行生产，加工时会产生轻微的金属晶间腐蚀；吹砂加工的效果不明显；电化学加工时利用电解法去毛刺的原理去除重熔层的，但加工量较少，重熔层较薄时效果较好，适合用在慢走丝线切割加工的零件。除以上的方法，各国不断研究出新的方法及设备，如我国某研究所研究的“神水”，在对零件进行加工时基体材料可以不用进行保护，只对重熔层进行去除，它是利用基体金属与重熔层的电位差不同进行的；白俄罗斯研究的电解-等离子加工方法，可以有效的去除零件电加工后所形成的重熔层，并且有较好的表面质量，目前此方法正在验证中；超声波电加工，就是电加工时机床主轴以一定的频率震动，同时在机床的工作液中加入SiC，这样在电加工过程中重熔层会同时去除。

上述推荐的各种去除方法，目前国内的各个厂家均有应用，具体方法需依照零件的精度和结构形式而定。本文引用的命题，为现代新材料、新设备应用过程中遇到的新问题，仅供大家参考，以便做更深入的研究。

参考文献：