AZ31镁合金电火花加工表面质量优化：裂纹控制与相变机制研究

推荐：本研究针对AZ31镁合金传统加工难题，通过电火花加工(EDM)参数优化，系统探究了脉冲时间(6.4-400μs)和峰值电流(12-48A)对表面质量的影响。采用图像处理技术定量分析裂纹密度，结合XRD相鉴定发现：低能量输入(12A/6.4μs)可实现无裂纹表面(Ra=1.53μm)，而高能量导致Mg2C3碳化物生成及硬度提升至152HV。多目标优化推荐24A/25μs参数组合，在MRR(4.2mm3/min)与表面质量(Ra=2.87μm)间取得平衡，为医用植入体加工提供重要指导。

　　

镁合金因其优异的强度重量比和生物可降解性，在航空航天和医疗植入领域展现出巨大潜力。然而，传统机械加工方法面临诸多挑战：镁的低熔点（约419°C）易导致工具粘连，高化学活性可能引发切屑燃烧，而加工精度和表面完整性难以保障。特别是在骨科植入应用中，表面粗糙度和微裂纹会显著加速材料腐蚀并影响生物相容性。电火花加工(EDM)虽能规避传统加工缺陷，但参数选择不当会导致表面质量恶化——这正是大不里士大学机械工程系的研究团队在《Results in Materials》发表的研究要解决的核心问题。

研究人员采用图像处理定量分析、X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FE-SEM)等技术，系统考察了脉冲时间和峰值电流对AZ31镁合金EDM加工的影响。通过18组正交实验，首次发现脉冲时间低于10μs可完全抑制表面裂纹，并鉴定出快速冷却形成的亚稳态Mg₂C₃碳化物。

3.1 加工效率与工具损耗

提高电流(12→48A)使材料去除率(MRR)从0.82增至15.6mm³/min，但工具磨损率(TWR)同步上升。24A电流下脉冲时间从6.4增至400μs，白层厚度从8.4μm膨胀至24.3μm。

3.2 表面相变特征

EDS和XRD分析揭示：高能量(48A/400μs)导致20.4wt.%氧和24.91wt.%碳污染，形成MgO和Mg₂C₃；而12A/6.4μs处理则显著降低杂质含量。

3.3.1 裂纹形成机制

图像处理显示：48A/400μs参数下裂纹密度达5.2%，而12A/6.4μs实现零裂纹。热应力计算表明，α-Mg与β相2.3×10^-6的热膨胀系数差异是裂纹萌生的主因。

3.3.3 表面粗糙度

最低粗糙度(R_a=1.53μm)出现在12A/6.4μs，而48A/400μs使R_a飙升至16.41μm。短脉冲下电子主导的阳极熔蚀是获得光滑表面的关键。

3.3.4 硬度变化

高能量输入使硬度从86HV提升至152HV，主要归因于碳扩散和铜电极材料的沉积。

这项研究通过多目标优化提出分级解决方案：医用植入体首选12A/6.4μs参数确保生物安全性；工业部件推荐24A/25μs实现效率-质量平衡。其创新性在于首次阐明脉冲时间≤10μs的裂纹抑制阈值，并发现EDM特有的Mg₂C₃相变规律，为镁合金精密加工建立了理论-实践桥梁。研究团队开发的图像处理裂纹定量法（ICC=0.91）更为表面质量评估提供了可靠工具。这些发现不仅解决了镁合金加工中的关键技术瓶颈，对可降解植入物的临床转化也具有重要指导价值。