电磁成型工艺对TC4钛合金板表面强化性能的影响

钛合金以质量轻、比强度高、耐蚀性好等优点，被广泛应用于航空航天、医疗及汽车工业［1］。在汽 车工业，应用钛合金最多的是汽车发动机系统［2-3］。钛合金的密度低，可降低运动零件的惯性质量，提 高发动机的转速及输出功率［4］。在医疗领域［5］，钛合金被广泛应用于肢体植入，替代功能材料、牙科 、医疗器械等。在航空航天领域［6］，钛合金的应用包括飞机、火箭、卫星、导弹等各种航天器件。如用 于制造飞机的机身、起落架、火箭的喷嘴、燃烧室、涡轮泵、卫星的结构件、天线、导弹发动机、导引头等 部件。随着科技的不断进步，钛合金应用范围还将不断扩大，为各个领域的发展注入新的动力。然而，钛合 金的硬度比常用材料（钢）低，耐摩擦性差等［7］缺陷，制约了钛合金在一些特殊环境中的应用，如管道 、动力驱动装置推进器及驱动器轴，螺旋桨等磨损环境的使用。因此，提高钛合金的硬度和耐磨性能，可更 好的扩大钛合金的应用范围［8-9］。

电磁成型工艺［10-11］是新兴的高能率成型技术，是用瞬间的高压脉冲磁场迫使坯料在冲击电磁力的 作用下，高速成型的一种方法。基本的原理是电磁感应定律。由电磁感应定律可知，变化电场周围产生变化 的磁场，变化的磁场又在其周围空间激发涡旋电场，处于此电场中的导体中产生感应电流，带电导体在变化 的磁场中受到电磁力，电磁成型技术以此为动力，作用在工件上使工件变形［12］。图1为电磁成型加工原 理图。

首先，对电容器 C 充电，达到预设电压值时，充电停止，闭合电路开关 Q，将储存在电容器 C 中的电 荷释放到成型线圈中，电荷通过线圈瞬间产生的强大电磁力，电磁成型工艺就是用电磁力对金属材料进行塑 性成形，从而完成对工件的加工。

电磁成型工艺作为新兴的加工工艺，与传统金属表面强化工艺相比，如物理法、表面覆膜和化学法、电 化学晶界腐蚀及热处理方法，电磁成型工艺有以下几方面优势［13］。

1）瞬间作用在毛坯上，无机械接触，易实现生产过程的机械化和自动化。

2）高速成型，每分钟工作数百次，成型效率高。

3）生产条件好，无污染，无排屑，维护简单。

4）工装设备及模具简单，费用低。

5）成型零件精度高，残余应力小。能精确控制施加力，可实现金属与非金属的联接与装配，对装配前 的零件精度无特殊要求。

基于以上优势，电磁成型工艺有良好的应用前景和发展空间，在未来也将得到进一步改进，获得广阔的 市场份额。

本文作者以 TC4 钛合金板材为研究对象，通过电磁成型工艺，用外加脉冲磁场对 TC4 钛合金板进行冲 击处理，研究外加脉冲磁场对其表面硬度及其他性能的影响，并对试验结果进行分析与研究。

1、试验材料与方法

1.1 材料与设备

试验材料用 TC4 钛合金，线切割成 106 mm×40mm×2 mm 的板材，如图 2 所示。用 106 mm×40 mm× 2mm的紫铜板材作为驱动片，放置于加工线圈和TC4钛合金板材之间。

电磁成型设备为实验室人员自行设计制造，如图3 所示。为使线圈中的电磁场在相同的外载电压下获得 更高的频率［14-15］，试验设备线圈用闸数少，宽度较大的紫铜线圈。供能设备及控制装置如图 4所示。 该装置电容器的容量为 600 μF，充放电的电压为 0~10 kV，可提供的最大能量为30 kJ。

1.2 试验方法

进行不同冲击电压、不同冲击次数、有无驱动片试验，对比各参数对 TC4 钛合金表面的影响。将试验 完成后的试件线切割为 20 mm×20 mm×2 mm 的样件，用高精度磨床对样件进行逐层减薄，用高精度维氏硬 度计对距离 TC4钛合金表面不同距离的平面进行硬度检测，检测示意图如图5所示。

2、结果与分析

2.1 驱动片对表面强化的影响

为验证驱动片对 TC4 钛合金板材冲击强化的影响，在冲击电压为 6 kV，冲击次数为 20 次时进行试验 ，A侧为使用驱动片，B 侧为无驱动片，取样检测点如图 6所示。载荷为50 g，保压时间为10 s。在取样点 取样，计算 5组试件表面硬度的平均值，绘制硬度曲线，如图 7所示。图中数字“6”代表冲击电压为 6 kV ，“0”代表未使用驱动片，（“1”代表使用驱动片），“20”代表冲击次数为20次。

在加载电压，冲击次数相同的条件下，对比 A、B侧硬度可以看出，使用驱动片的试件硬度明显优于未 使用驱动片的一侧。后续试验中进行不同的冲击电压和冲击次数时，都将在使用驱动片的条件下进行。

2.2 冲击次数对表面强化的影响

为验证冲击次数对 TC4 钛合金板件硬度的影响，设冲击电压为 5 kV，使用驱动片，冲击次数分别为 3 、5、10、20、30次。表1为工艺参数。

由图 7可看出，样品表面硬度的波动较大，导致散点图较离散。因此 ，为更好的展示试件试验前后的硬度变化，对试验结果进行拟合，对未处理的 TC4钛合金板件，随测量深度 增加，硬度一直在直线附近波动，所以对于未强化处理的板件用 y=Ax+B进行数据拟合，对5 kV，使用驱动 片，冲击次数分别为 3、10、20、30 次的试件，随减薄量增加，硬度明显减小，因此用双指数函数

进行数据拟合。曲线拟合数据表如表2所示。拟合结果如图8所示。

比较冲击电压为 5 kV，冲击次数分别为 3、10、20、30次的 4个样品的硬度可以看出，当冲击次数较 少时，如冲击 3 次的样品表面硬度和未处理样品无明显差异；当冲击次数提至 10次时，硬度较之前有明显 区别，且当次数再次提至 20、30 次时，硬度较 10 次时又有提升，但随减薄量增加，冲击 20 次的样件在 距表面距离大于 500 μm 后硬度较未处理的样件还低。说明在 5kV 的冲击电压下，对样品的冲击次数也要 控制，否则导致样品的硬度下降。

为验证试验结果的准确性，设冲击电压为 6 kV，使用驱动片，冲击次数分别为 3、10、20 次。工艺参 数如表3所示。

对试样进行不同减薄量的硬度检测，并对结果进行拟合，拟合数据如表 4 所示。拟合曲线如图 9 所示 。

可以看出，在一定范围内，在冲击电压为 6 kV 时，冲击次数越多，表面硬度提高的越明显，其中，试 件 6120经强化后，表面最大硬度达到了 377.2HV，与原始试件相比，提升了约 10.94%，提升效果明显，但 当减薄量超过235 μm 时，冲击 3 次时的试件硬度低于未处理试件，而冲击次数为 10 次试件的硬度也在 减薄量超过 500μm时低于未处理试件。

2.3 冲击电压对强化效果的影响

在冲击次数相同，使用驱动片的条件下，验证不同的冲击电压对 TC4钛合金板件表面硬度强化效果的影 响。设冲击次数为 10次，冲击电压分别设置为 5 kV和6 kV，测量不同减薄量表面硬度，并对数据进行拟合 ，拟合数据如表2、4所示。拟合曲线如图10所示。可以看出，在6 kV下的硬度强化效果优于5 kV。

当冲击次数为 20 次，冲击电压分别为 5、6 kV 时，对硬度数据进行拟合，拟合数据如表 2、4 所示 。拟合曲线如图 11所示。可以看出，冲击电压为 5 kV的试样硬度高于冲击电压为 6 kV，与冲击 10 次相 比，在高能量的冲击下，冲击次数多并不意味着板件硬度的强化效果越好。

3、电磁场的有限元模拟

电磁场在强化 TC4 钛合金板件的过程中，由于用电容器为能量的储存装置，故成形线圈中的磁场、电 压、电流在每个时刻都不尽相同，其中涉及热力学、电磁学、塑性动力学等多个学科知识。现有理论很难对 多个学科的理论进行有效整合预测电磁场如何影响钛合金板件的表面性能。不过随计算机模拟技术及有限元 理论的不断发展进步，可通过计算机软件模拟分析，利用模拟软件中的电磁模块，可以看出电磁场如何对 TC4钛合金板件表面性能进行影响。

图 12 为成形线圈中的电流变化。

由图可知，线圈中的电流随时间增加而减小，根据电容器放电电流公 式［16-17］：

式中：Im为放电电流幅值；V 为电容器充电电压；C 为放电电容量；L为放电回路电感量。

由式（1）可知，在电容与电感相同的条件下，放电电流与电压成正比。当电流达到最大值时，根据电 磁感应定律，驱动片铜板中的感应电流也达到最大值，受到线圈的电磁力也达到最大值，驱动片对 TC4 钛 合金板件的冲击力也达到峰值。驱动片在强电磁场中受到电磁力的作用，驱使驱动片快速、多次冲击 TC4钛 合金板表面，引起 TC4钛合金板件表层剧烈塑性变形［18-19］，这是 TC4钛合金表层硬度提升的直接原因 ［20-22］。当冲击电压分别为 5、6 kV，放电时间为 65 μs 时，线圈中的感应电流到达最大值，驱动片 内电流分布如图 13、14所示。由图可以看出，6 kV 冲击电压下的驱动片电流明显高于5 kV冲击电压。

图 15、16 为在 5、6 kV 冲击电压下驱动片对与 TC4钛合金板件冲击力的分布情况。由图可以看出， 冲击电压为 6 kV 的驱动片对 TC4 钛合金板件的冲击力明显高于冲击电压为 5 kV 的驱动片。这与理论分 析相吻合，也进一步验证了电磁成型工艺对强化钛合金表面硬度的可行性。

4、结 论

1）用电磁成型工艺对 TC4 钛合金板材进行处理，可一定程度提高表面硬度，尤其在冲击电压为 6 kV 、冲击次数为 20 次，使用驱动片的条件下，试件最大硬度达 377.2HV，与原始试件相比，硬度提高了 10.94%，提升效果明显。

2）通过对单一变量进行对比试验，可以得出，冲击次数、冲击电压、驱动片是否使用都对 TC4钛合金 表面硬度产生不同程度影响，钛合金板件在受到高能电压冲击时，如果冲击次数过少，硬度提升不明显。如 果冲击次数过多，导致板件出现加工软化的现象。当冲击次数相同时，冲击电压过小，硬度提升不明显，冲 击电压过大，板件同样出现加工软化现象，因此，选择合理的冲击电压和冲击次数对板件表面硬度的强化效 果十分重要。

参考文献

［1］LI Qiuqin，YANG Yi，YANG Yongfeng，et al. Enhancing the wear performance of WC‐6Co tool by pulsed magnetic field in Ti‐6Al‐4V machining［J］. Journal of Manufacturing Processes，2022，80：898-908.

［2］李北方. 钛合金的特征及其在汽车零件中的应用［J］. 技术与市场，2016，23（12）：220.

LI Beifang. The characteristics of titanium alloy and its appli‐cation in automobile parts［J］. Technology & Market，2016，23（12）：220.（in Chinese）

［3］赵仲宏. 电磁成型在汽车工业中的应用［J］. 汽车技术，1986，6：39-41.

ZHAO Zhonghong. Application of electromagnetic forming in automobile industry［J］. Automobile Technology，1986，6：39-41.（in Chinese）

［4］李峥杰，程力. 汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径［J］. 山东工业技术，2016，11：288.

LI Zhengjie，CHENG Li. The development status of automotive lightweight technology and its implementation［J］. Journal of Shandong Industrial Technology，2016，11：288.（in Chinese）

［5］黄亦成，宓蓉. 镍钛合金在医疗领域应用研究进展［J］. 生物医学工程学进展，2015，36（3） ：169-172.

HUANG Yicheng，MI Rong. Research progress of nitinol alloy in application of medical field ［J］. Process in Biomedical Engi‐neering，2015，36（3）：169-172.（in Chinese）

［6］姜沄青. 论先进钛合金材料在航空航天领域中应用［J］. 科技展望，2016，26（35）：91-92.

JIANG Yunqing. Application of advanced titanium alloy mate‐rials in aerospace field［J］. Science and Technology，2016，26（35）：91-92.（in Chinese）

［7］RUYI L，SHUO Y，NAIMING L，et al. Application of ultrasonic nanocrystal surface modification（UNSM）technique for surface strengthening of titanium and titanium alloys：A mini review［J］.Journal of Materials Research and Technology，2021，11：351-377.

［8］江佩泽. 金属材料表面强化技术应用现状与展望［J］. 世界有色金属，2020，15：130-131.

JIANG Peize. Application status and prospect of metal material surface strengthening technology［J］. World Nonferrous Metal，2020，15：130-131.（in Chinese）

［9］付庆琳，吴安如，杜文豪，等. 金属材料表面强化技术应用现状与展望［J］. 湖南工程学院学报 （自然科学版），2020，30（2）：52-56.

FU Qinglin，WU Anru，DU Wenhao，et al. Application status and prospect of surface strengthening technology for metal ma‐terials［J］. Journal of Hunan Institute of Engineering （Natural Science Edition），2020，30（2）：52-56.（in Chinese）

［10］赵林，周锦进. 板材电磁成型机理研究［J］. 鞍钢技术，1995，7：24-26.

ZHAO Lin，ZHOU Jinjin. Study on electromagnetic forming mechanism of sheet metal［J］. Angang Technology，1995，7：24-26.（in Chinese）

［11］MIRAE L，HANBI B，YUNJUN S，et al. Numerical investigation on comparison of electromagnetic forming and drawing for electromagnetic forming characterization［J］. Metals ，2022，12（8）：1248.

［12］HUANG Lantao，FENG Wenjing，ZENG Jin，et al. Research on the drive electromagnetic forming of aluminum alloy and parameter optimization［J］. The International Journal of Ad‐ vanced Manufacturing Technology，2022，120（11/12）：1-13.

［13］尚静，邹继斌. 电磁成型技术发展现状及研究方法［J］. 电工技术杂志，2000，5：1-4.

SHANG Jing，ZOU Jibin. Development status and research methods of electromagnetic forming technology［J］. Electric Engineering，2000，5：1-4.（in Chinese）

［14］王卫平，曾昭发，吴成平. 频率域航空电磁系统线圈姿态变化影响及校正方法［J］. 地球科学 （中国地质大学学报），2015，40（7）：1266-1275.

WANG Weiping，ZENG Zhaofa，WU Chengping. Coil attitude influence and attitude correction method forfrequency domain airborne electromagnetic system［J］. Earth Science（Journal of China University of Geosciences），2015，40（7）：1266-1275.（in Chinese）

［15］LIU Wei，WU Jinjie，LIU Jili，et al. Comparison of electro‐magnetic ‐driven stamping and electromagnetic forming limit curves for AA5182‐O aluminum alloy sheet［J］. The Interna‐tional Journal of Advanced Manufacturing Technology，2023，126（5/6）：2567-2577.

［16］张守彬，李硕本. 电磁成形加工管坯时放电回路参数及放电电流的计算方法［J］. 锻压技术， 1997，5：22-25.

ZHANG Shoubin，LI Shuoben. Calculation method for dis‐charge circuit parameters and discharge current during elec‐tromagnetic forming of tube blanks［J］. Forging Technology， 1997，5：22-25.（in Chinese）

［17］聂鹏，孙圣朋. 基于电磁成形技术管件受力及系统放电回路的研究［J］. 航空精密制造技术， 2015，51（4）：5-9.

NIE Peng，SUN Shengpeng. Research on force and discharge circuit of pipe fitting basedon electromagnetic forming technol‐ ogy［J］. Aeronautical Precision Manu ‐ facturing Technology，2015，51：5-9.（in Chinese）

［18］韩坤鹏，张定华，姚倡锋，等. 滚压强化表面状态特征的疲劳演化及抗疲劳机制研究进展［J］. 航空学报，2021，42（10）：87-104.

HAN KunPeng，ZHANG Dinghua，YAO Changfeng，et al. Fa‐tigue evolution and anti‐fatigue mechanism of surface charac‐teristics inducedby deep rolling：A review［J］. Acta Aeronauti‐ ca et Astronautica Sinica，2021，42（10）：87-104.（in Chi‐nese）

［19］杨亚辉. 表面强化技术在金属切削刀具制造过程中的应用研究［J］. 机械制造，2015，53（11 ）：41-44.

YANG Yahui. Research on the application of surface strength‐ening technology in the manufacturing process of metal cut‐ting tools［J］. Machinery，2015，53（11）：41-44.（in Chinese）

［20］卫娟茹. 高能喷丸对TC4表面强化处理的影响研究［D］. 西安：西安建筑科技大学，2019.

WEI Juanru. Study on the influence of high‐energy shot peen‐ing on TC4 surface strengthening treatment［D］. Xi'an：Xi'an University of Architecture and Technology， 2019. （in Chi‐nese）

［21］李保军，伍玉娇，龙琼，等. 表面强化技术在金属材料中的研究现状［J］. 热加工工艺，2019 ，48（6）：9-12.

LI Baojun，WU Yujiao，LONG Qiong，et al. Research process of surface strengthening technology in metal materials［J］. Hot Working Technology，2019，48（6）：9-12.（in Chinese）

［22］李光晖，林有希，蔡建国. 金属材料超声滚压表面强化的研究进展［J］. 工具技术，2020，54 （1）：3-8.

LI Guanghui，LIN Youxi，CAI Jianguo. Research progress on ultrasonic rolling surface strengthening of metallic material ［J］. Tool Engineering，2020，54（1）：3-8.（in Chinese）

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