電火花沉積層質(zhì)量的影響因素研究

魏國(guó)

（青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東青島266033）

電火花沉積層質(zhì)量的影響因素研究

魏國(guó)

（青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東青島266033）

研究了電極材料、潤(rùn)濕角、工藝參數(shù)、電火花沉積設(shè)備及后處理工藝等因素對(duì)實(shí)現(xiàn)提高沉積層耐磨性和耐腐蝕性等目的的影響，有助于提高電火花沉積層的沉積質(zhì)量，為電火花沉積實(shí)驗(yàn)的制定和生產(chǎn)提供一定的參考，有利于電火花沉積工藝的改進(jìn)與推廣。分析表明：用短脈沖小功率沉積和較小的潤(rùn)濕角電極，相關(guān)聯(lián)時(shí)序控制開關(guān)電源能有效提高沉積層的質(zhì)量。

電火花沉積；潤(rùn)濕角；工藝參數(shù)；沉積層質(zhì)量

零件的失效主要是由表面磨損、腐蝕和幾何公差擴(kuò)大而導(dǎo)致[1-2]。大多數(shù)的失效首先從表面開始，故可通過表面強(qiáng)化和再制造工程技術(shù)減緩。通過電火花沉積來強(qiáng)化和修復(fù)工作面是保證設(shè)備在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)正常工作的關(guān)鍵方法之一。作為表面工程及再制造工程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，電火花沉積已成為研究熱點(diǎn)之一，廣泛應(yīng)用于工模具、刀具及各種設(shè)備零件的生產(chǎn)與修復(fù)。

沉積層的質(zhì)量通常包括沉積層厚度、與試件的粘結(jié)情況及一些特殊用途指標(biāo)，如：耐磨層要求有耐磨性、耐腐蝕層要求有耐腐蝕性、熱障涂層要求有耐熱性、自潤(rùn)滑涂層要求潤(rùn)滑性、生物涂層要求良好的生物相容性等。沉積層質(zhì)量的影響因素主要有電極材料、電極材料與基體材料之間的潤(rùn)濕角、沉積工藝參數(shù)（如：工作電壓、功率、放電電流初值和工作頻率等）、保護(hù)氣氛及設(shè)備等。電極材料的熔點(diǎn)、制造工藝（如粉末壓結(jié)）及基體材料的熔點(diǎn)決定了單次脈沖放電能量的大小，同時(shí)在表面沉積點(diǎn)使用激光束等方式加熱到基材熔點(diǎn)以下可降低單次脈沖放電能量；而在單次脈沖放電能量的作用下，電極材料變成微小液滴態(tài)濺射到基材上，此時(shí)固-液潤(rùn)濕角決定了擴(kuò)散速度，放電時(shí)間與放電間隙決定沉積點(diǎn)的冷卻速度，同時(shí)決定擴(kuò)散程度，基材表面結(jié)構(gòu)形式也會(huì)影響擴(kuò)散速度，如3D打印時(shí)基材表面形成微孔結(jié)構(gòu)便于液滴進(jìn)入基材。本文就影響沉積層質(zhì)量的主要因素進(jìn)行逐一分析，為提高沉積層質(zhì)量提供借鑒。

1 電極材料對(duì)沉積層的影響

通常情況下，電極材料對(duì)沉積層的影響是最大的。電極材料與基體的成分、結(jié)構(gòu)和匹配性是決定沉積層結(jié)合強(qiáng)度最基本的因素，兩者之間晶格類型和晶格常數(shù)越接近則結(jié)合強(qiáng)度越高，電極材料也會(huì)影響潤(rùn)濕性、擴(kuò)散性和沉積層內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)。

如Cu電極可形成自潤(rùn)滑涂層，使基材摩擦系數(shù)降低；MCrAlY和少量TaC粉末組成的復(fù)合電極所形成的熱障涂層，可使基材工作溫度升高。TiAl3電極在鈦合金基體上形成中間層，再在該中間層上以Ca（OH）2-H3PO4-H2O三相系統(tǒng)通過化學(xué)氣相沉積Ca10（PO4）6（OH）2，最后對(duì)氣相沉積層進(jìn)行激光重熔便可形成與骨組織具有良好生物相容性的生物涂層。WC熔覆層的耐腐蝕性低于1Cr18Ni9Ti不銹鋼的原因是：不銹鋼組織結(jié)構(gòu)為單一的奧氏體，且合金元素Cr、Ni等形成Cr2O3、NiO等致密的氧化膜，具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力；而WC熔覆層的組織主要由Fe3W3C、Co3W3C、（CrFe）7C3等多種相組成，不同相之間存在電位差，構(gòu)成了原電池，發(fā)生了電化學(xué)腐蝕[3]。

C元素可使鋼鐵心部保持塑性與韌性的同時(shí),表面具有更高的硬度耐磨性及較高的疲勞極限，N元素不僅可使鋼鐵具有較高的耐磨性疲勞、強(qiáng)度和較高的熱硬性（600℃），還可使鋼鐵具有很強(qiáng)的耐腐蝕性能。Cr元素是高溫合金中抗熱腐蝕性能最優(yōu)異的合金元素，如在鎳基合金中只有Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞15%時(shí)，鎳金合金才擁有良好的抗熱腐蝕性。Al元素是提高合金抗氧化性最有效的元素。

同時(shí)需注意，電極材料中各種增強(qiáng)元素含量要適度，因?yàn)槟承┰貢?huì)使過渡層的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，如鎳基合金中通常含有Al、Ti、Mo、W等元素，Cr會(huì)與這些元素反應(yīng)生成（Cr、Mo）x（Ni、Co）y的有害σ相，使合金的耐晶間腐蝕性能和耐點(diǎn)蝕性能降低。同時(shí)，在高溫（800～1200℃）時(shí)鎳金合金還易析出P相等其他析出相，這些析出相多沿著枝晶間和晶界析出，使鎳基合金沖擊韌性等機(jī)械性能下降[4-6]。

由上述電極材料的作用可看出，電極材料某些元素的含量不是越高越好，具體使用時(shí)應(yīng)先經(jīng)過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)以確定電極材料各組分的最佳比例，再使用篩選后的電極進(jìn)行電火花沉積。

1.1 極性效應(yīng)對(duì)沉積層的影響

一般，短脈沖寬度（＜10 μs）選擇負(fù)極性沉積，長(zhǎng)脈沖寬度選擇正極性沉積。長(zhǎng)脈沖寬度沉積速度快，沉積質(zhì)量不好，故常用于粗加工；短脈沖寬度沉積效率低于長(zhǎng)脈沖寬度，但沉積更均勻，表面粗糙度更好。電火花沉積中無論是正極性沉積還是負(fù)極性沉積，均存在極性效應(yīng)，應(yīng)正確選擇合適的電極，加大極性效應(yīng)。在選擇合適的電極后，選用合適的加工參數(shù)，加大電極的熔化速度，從而提高沉積效率；但需注意與此同時(shí)表面粗糙度值會(huì)提高，且沉積層的有些指標(biāo)會(huì)下降，需用其他方式減小沉積效率來改善不利影響。

1.2 原子半徑對(duì)沉積層的影響

電火花沉積中盡管主要是冶金反應(yīng)，但擴(kuò)散也在很大程度上影響了反應(yīng)速度和元素分布情況。元素?cái)U(kuò)散的原理是間隙擴(kuò)散，原子半徑越小擴(kuò)散越容易?；脑叵虬琢翆訑U(kuò)散過程中，Ni原子半徑很小，擴(kuò)散最容易，造成元素在沿深度方向分布較均衡[11]。

2 潤(rùn)濕角對(duì)沉積層的影響

潤(rùn)濕角是液相與固相的接觸點(diǎn)處液固界面和液態(tài)表面切線的夾角。潤(rùn)濕角以90°區(qū)分潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕，潤(rùn)濕狀態(tài)可根據(jù)潤(rùn)濕程度分為附著潤(rùn)濕、鋪展?jié)櫇窈徒n潤(rùn)濕三類。在考慮潤(rùn)濕角對(duì)沉積層的影響時(shí)，本文中的潤(rùn)濕角分為電極材料（液）-基體材料（固）潤(rùn)濕角、外界腐蝕液體（液）-沉積涂層（固）潤(rùn)濕角二類。潤(rùn)濕角與固體表面粗糙度和孔隙率有關(guān)，通常情況下，粗糙表面會(huì)擴(kuò)大潤(rùn)濕角。此外，在固體熔點(diǎn)附近溫度，溫度對(duì)潤(rùn)濕角影響不大，只是隨著溫度升高潤(rùn)濕角略微下降；當(dāng)溫度升高到一定值發(fā)生界面反應(yīng)時(shí)，潤(rùn)濕角急劇減小。

2.1 潤(rùn)濕角對(duì)沉積層耐腐蝕的影響

表面潤(rùn)濕特性與材料的腐蝕性能密切關(guān)聯(lián)，潤(rùn)濕角越高，耐腐蝕性能越好，腐蝕介質(zhì)越難進(jìn)入沉積層，如金屬冶煉中金屬液難以滲入陶瓷沉積層。在675℃時(shí)，鋁液與45鋼、Ni-P合金鍍層、Ni-P/ Al2O3復(fù)合沉積層（Al2O3為納米顆粒，濃度20 g/L）的潤(rùn)濕角分別為52°、91°、109°，相比鋁液在很短時(shí)間內(nèi)與45鋼界面上發(fā)生冶金反應(yīng)導(dǎo)致接觸界面模糊、且鋁液在45鋼基體中產(chǎn)生很厚的擴(kuò)散層，鋁液在Ni-P/Al2O3復(fù)合沉積層僅僅發(fā)生界面反應(yīng)，生成較薄的Al3N或AlP層，從而使接觸界面清晰。鋁液沒有在復(fù)合沉積層與基體產(chǎn)生擴(kuò)散層，這說明與鋁液潤(rùn)濕角為109°的Ni-P/Al2O3復(fù)合沉積層比潤(rùn)濕角為52°的45鋼基體具有更好的耐鋁液侵蝕性能。表明提高材料表面的抗?jié)櫇裥钥擅黠@提高材料的耐腐蝕性能，潤(rùn)濕角與材料中晶體的形核有密切關(guān)系，選擇合適的材料與基體形成合適的潤(rùn)濕角可形成非晶沉積層、納米晶沉積層等特殊沉積層[7-8]。

2.2 潤(rùn)濕角對(duì)沉積層中過渡層與基體的影響

一般，電極與基體的元素過渡有二種方式：一種是在熔池中以液態(tài)下元素發(fā)生劇烈的冶金反應(yīng)進(jìn)行；另一種是以固態(tài)下元素相互擴(kuò)散進(jìn)行。因?yàn)橐苯鸱磻?yīng)溫度高且反應(yīng)劇烈，所以在電極與基體的元素過渡中占主導(dǎo)地位。但二種元素過渡均與潤(rùn)濕角有關(guān)，電極材料與基體之間潤(rùn)濕角越小，電極材料的稀釋度會(huì)升高，使電極材料元素與基體材料元素相互擴(kuò)散熔滲，過渡層形成冶金結(jié)合，增加結(jié)合強(qiáng)度。擴(kuò)散系數(shù)是決定擴(kuò)散素的參量，其公式為：

式中：D0為頻率因子；Q為擴(kuò)散活化能。其表達(dá)式分別為：

電火花表面強(qiáng)化過程中存在著電極和基體之間相互的元素過渡。如使用硼化鋯和氮化鈦（鋯）為電極材料，以ShKh15鋼和模具鋼R6M5為基體進(jìn)行電火花復(fù)合涂層沉積的對(duì)比，研究表明，電極成分與金屬基體間的質(zhì)量傳遞是由鐵與電極材料中耐火元素的潤(rùn)濕性決定的[9]。TiN（ZrN）-Fe系統(tǒng)潤(rùn)濕角＞130°，故TiN（ZrN）涂層與Fe基體之間具有清晰界面；而TiB2（ZrB2）-Fe系統(tǒng)潤(rùn)濕角＜100°，故ZrB2涂層與Fe金屬基板間為過渡改性層，與基體形成良好的冶金結(jié)合。同時(shí)，電極材料中某些元素會(huì)少量地進(jìn)入基體顆粒間隙，增加基體材料致密度，減少氣孔并改善基體力學(xué)性能。在該試驗(yàn)中，電極成分與鐵的潤(rùn)濕角大小關(guān)系為TiB2＜ZrB2＜TiN＜ZrN，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 電極材料成分與鐵的潤(rùn)濕角

雖然潤(rùn)濕角越小，沉積層與基體冶金結(jié)合得更緊密，但稀釋度過高，會(huì)使電極材料過渡到基體比例過大而無法保證沉積層還能擁有電極材料的使用性能。因此需通過減小單脈沖能量及加快沉積速度等措施來減小稀釋度，保證沉積層質(zhì)量。

若某種沉積層性能優(yōu)良，但沉積該層的電極材料與基體的潤(rùn)濕角過大而導(dǎo)致沉積層致密度較差、與基體有明顯分層及沉積層存在較多裂紋等現(xiàn)象時(shí)，可選擇中間過渡層。即在A上沉積C，但因C與A潤(rùn)濕角過大，沉積效果不好，則可選擇與A和C潤(rùn)濕角都較小的B作為中間層，先在A上沉積B，然后在B上沉積C，從而達(dá)到最終目的。

3 工作參數(shù)對(duì)沉積層的影響

工作電壓U、充電電容C、工作頻率f、充電電壓E、充電電流I、單次放電能量W及功率P等是電火花沉積的重要參數(shù)。其中工作電壓U是指放電電壓初始值，因?yàn)榉烹婇_關(guān)有很小的電壓降，所以工作電壓U略小于電容器兩端初始放電電壓Uc。U和U0均與開關(guān)電壓E大致相等；E為直流電源，由變壓器、整流橋及濾波電容組成，實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換。開關(guān)電流I在電容器充電時(shí)提供足夠大的電流：

放電電流由Ig和Id組成，其中r為電火花放電時(shí)電極與基體短路所帶來的放電回路中的總電阻，包括導(dǎo)線、基體、電極、放電開關(guān)電阻及各部分的接觸電阻之和：

單次放電能量W及功率P的關(guān)系式為：

兩極間放電所獲得的熱能W，一部分將損耗在氣體介質(zhì)中，使氣體升溫或電離；一部分將提供相變熱ΔH（如熔融和蒸發(fā)），消耗在使電極頭部金屬溫度升高至熔點(diǎn)，使金屬融化，并使少部分熔化的金屬升溫至沸點(diǎn)，然后氣化。還有一些能量使基體沉積點(diǎn)附近升溫，提高活化狀態(tài)。此外，一部分能量使基材液滴與基體元素發(fā)生冶金反應(yīng)和熔滲擴(kuò)散。等溫等壓下相變條件如下：

電火花沉積一個(gè)完整的工作周期T分為電容充電與電容放電二個(gè)過程，由于充電電阻R＞＞r，所以充電過程相比放電過程緩慢。RC為充電常數(shù)，如設(shè)充電過程T充＞5RC，放電時(shí)間取1RC，則T=6RC。當(dāng)R一定時(shí)，C越大則T越大，相應(yīng)工作頻率就越小。由此可看出，工作頻率f由R和C決定，通常工作頻率與電子開關(guān)觸發(fā)信號(hào)的頻率相同。

3.1 工作電壓對(duì)沉積層的影響

電壓U增大，則電極與基體間的最大放電間距擴(kuò)大，可減少因電極與基體間斷接觸導(dǎo)致的奇異波形的出現(xiàn)概率，使沉積過程更穩(wěn)定，從而進(jìn)一步提高功率。另外，增大U會(huì)使單次放電能量W和功率P增大，從而使單位時(shí)間內(nèi)更多的電極材料與基體物質(zhì)熔融、過渡，提高了工作效率。此外，增加W還會(huì)提高沉積點(diǎn)的溫度、壓力，增大熔融物的流動(dòng)性與分散性，有利于沉積層組織的形成，從而提高沉積層的工藝質(zhì)量。

當(dāng)電壓U過高時(shí)，單次放電能量W過大，會(huì)使沉積層組織顆粒粗大、出現(xiàn)較大的凹坑，由于沉積層表面粗糙度太大，使沉積層的工作性能大大降低。同時(shí)，U過大會(huì)使功率P也高出最佳范圍，電極與基體間的溫度過高，電極材料氣化成分加大，影響沉積層的厚度，甚至使基體過熱產(chǎn)生形變乃至脆化龜裂，薄片類基體P過高，基體甚至?xí)儽　?/p>

3.2 電容量對(duì)沉積層的影響

電容量增大會(huì)使單次放電能量增大，但功率不變，因?yàn)殡娙菰龃髸?huì)使工作頻率降低。適當(dāng)提高電容量可提高沉積質(zhì)量和沉積效率。

4 沉積設(shè)備對(duì)沉積層的影響

理想的沉積狀態(tài)是在沉積過程中設(shè)備以最佳電火花沉積參數(shù)沉積，各參數(shù)上下偏差很小。采用相關(guān)聯(lián)時(shí)序控制開關(guān)電源可保證充電與放電開關(guān)同步工作，從而實(shí)現(xiàn)脈沖周期可控。如電極與基材短路則會(huì)導(dǎo)致放電頻率改變，短路情況可通過機(jī)械手代替手持式，改造電火花沉積電路，即使短路也不會(huì)放電，從而保證正常的沉積頻率。通過沉積路徑編程并使用機(jī)械手能克服手持式因手抖動(dòng)等引起的誤差，從而提高電火花沉積層的質(zhì)量。并且反過來以優(yōu)化后的設(shè)備再進(jìn)行沉積參數(shù)優(yōu)化，從而得到更精確的電火花沉積參數(shù)，進(jìn)一步提高沉積層的沉積質(zhì)量。

此外，沉積設(shè)備帶有保護(hù)氬氣或氮?dú)庾鳛槌练e反應(yīng)的一個(gè)組分，與電極材料一起進(jìn)行沉積，其原理是通過電火花放電擊穿保護(hù)氣體的同時(shí)，電極材料、保護(hù)氣體組分與基材三種材料發(fā)生反應(yīng)形成原位反應(yīng)電火花沉積涂層等涂層類型。保護(hù)氣體流量過大形成紊流，使空氣卷人形成的氣孔，這種缺陷在使用過程中會(huì)造成涂層成片剝落，將嚴(yán)重影響涂層的使用性能。因此，在沉積過程中保護(hù)氣體流量不宜過大。

5 預(yù)處理和后處理對(duì)沉積層的影響

對(duì)待沉積材料表面進(jìn)行泥沙油污等異物的清理，通過打磨等手段去除基材表面氧化膜，同時(shí)增加基體表面粗糙度，可降低潤(rùn)濕角及放電電阻，使沉積過程更穩(wěn)定。通過磨削等去除基體疏松層及有害物質(zhì)，可保證沉積層具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。保持良好的表面平整度，可更好地控制放電間距。

電火花沉積過程后留下的殘余應(yīng)力（沉積過程中的熱應(yīng)力及組織應(yīng)力）會(huì)導(dǎo)致沉積層出現(xiàn)微裂紋，沉積放電過程中產(chǎn)生的高溫離子濺射等會(huì)形成凹坑，沉積速度過快與沉積工藝不穩(wěn)定等因素會(huì)導(dǎo)致沉積層出現(xiàn)微孔，影響沉積層質(zhì)量[10]。在沉積后通過激光重熔等手段可消除沉積層微小裂紋等缺陷，提高沉積層的耐腐蝕等性能。此外，沉積層存在的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力均會(huì)在沉積層與基體界面產(chǎn)生剪應(yīng)力。當(dāng)剪應(yīng)力大于安全值時(shí)，沉積層會(huì)開裂、翹曲甚至剝落，從而失去工作性能。因此，需在合理搭配沉積材料與基體的基礎(chǔ)上正確制定沉積工藝，盡量減小沉積層內(nèi)應(yīng)力。

6 結(jié)束語

本文論述了影響電火花沉積層質(zhì)量的幾個(gè)主要因素，由此可看出，各因素影響不同，大多存在一個(gè)最佳工作范圍，所以提高沉積層的質(zhì)量需從電極材料、潤(rùn)濕角、工藝參數(shù)、設(shè)備及預(yù)處理和后續(xù)處理等方面綜合考慮。

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Study on Factors Affecting of Electrospark Deposition Layer Quality

Wei Guo
（College of Mechanical Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China）

Research on electrode materials，wetting angle，process parameters，EDM deposition equipment and post treatment process，the factors on how to improve the deposition layer resistance，corrosion resistance and to their influence，help to improve the electric spark deposition layer deposition quality and the deposition efficiency，the electric spark deposition experiments and production provide a reference，conducive to the improvement and popularization of electro spark deposition process.The analysis shows that the quality of the deposited layer can be effectively improved by the use of short pulse power deposition and smaller wetting angle electrodes.

electrospark deposition；wetting angle；process parameter；deposition layer quality

TG661

A

1009－279X（2016）06－0056-04

2016-08-30

魏國(guó)，男，1990年生，碩士研究生。