電火花沉積非晶涂層研究現(xiàn)狀

翟思源 蘇華林

摘 要：電火花沉積技術(shù)具有快速加熱、冷卻的技術(shù)優(yōu)勢，可以使得金屬基體材料表面與電極材料瞬間融化以等離子形態(tài)沉積到金屬表面，形成非晶合金結(jié)構(gòu)。通過對金屬基體進(jìn)行電火花沉積技術(shù)表面改性，可以明顯改善金屬基體的力學(xué)、抗氧化以及耐腐蝕等特性。金屬材料的非晶涂層技術(shù)改造作為當(dāng)前國內(nèi)機(jī)械制造行業(yè)重點研究之一，不但能提高金屬基體材料的表面性能，也能夠滿足于航天航空、微電子行業(yè)領(lǐng)域范圍內(nèi)對于金屬材料特性的要求。

關(guān)鍵詞：電火花沉積；性能結(jié)構(gòu)；非晶涂層

與以往傳統(tǒng)晶態(tài)材料相比較而言，非晶態(tài)合金原子形態(tài)呈現(xiàn)出短程有序、長程無序的結(jié)構(gòu)，沒有孿晶、晶界等晶體缺陷，具備高硬度、高強(qiáng)度、以及耐磨耐蝕等優(yōu)異性能，在要求極高的工程領(lǐng)域范圍內(nèi)應(yīng)用較多[1]。但由于合金非結(jié)晶制備工藝不夠成熟，近年來，基于Ni 基、Ti 基以及Fe 基等多元非結(jié)晶合金體系的產(chǎn)品多以線材、粉末和小尺寸棒材的形式生產(chǎn)，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。而通過非晶以涂層的形式進(jìn)行表面改性處理，可以很好的拓展其應(yīng)用范圍，也得到社會各界的強(qiáng)烈關(guān)注[2]。

電火花沉積（ESD）通過高能量、短周期的電脈沖的方式，使陽極的電極材料瞬間融化以等離子形態(tài)沉積到金屬表面，繼而形成了特定性能的涂層[3]。在沉積周期內(nèi)有99%的時間用于散熱，而僅有1%的時間是通過脈沖放電形成沉積層。憑借著放電區(qū)域小、放電頻率高以及能量集中的優(yōu)勢，易于或得非晶涂層，其作為一種極具可行的非晶涂層制備技術(shù)。

1.電火花沉積技術(shù)原理與特點

1.1電火花沉積技術(shù)原理

電火花沉積技術(shù)通過電源存儲的高能量電能，通過基體材料與電極材料之間的接觸，按照固定的頻率脈沖（100～2000 Hz）釋放大量能量，但放電區(qū)域小、放電頻率高以及能量集中，基體表面產(chǎn)生高達(dá)25000 ℃的高溫、高壓作業(yè)環(huán)境，易于使得兩種材質(zhì)發(fā)生融化、氣化，以達(dá)到熔滲到基體表層的目的，繼而獲得在基體材料表面形成沉積層[4]。

1.2電火花沉積技術(shù)特點

電火花沉積技術(shù)的成熟應(yīng)用，能夠有效改善部分機(jī)械構(gòu)建的摩擦、力學(xué)以及物理化學(xué)等性能，有效提高機(jī)械構(gòu)件的耐磨、耐腐蝕以及強(qiáng)硬度性能等，在現(xiàn)實的生產(chǎn)應(yīng)用過程中表現(xiàn)出以下優(yōu)勢：

（1）操作簡便、設(shè)備簡單。當(dāng)前電火花沉積機(jī)的主體構(gòu)件主要是由振動器以及脈沖電源等部分構(gòu)成，設(shè)備質(zhì)量輕巧、易于攜帶[5]。在具體的操作過程中，主要是在氮氣、氬氣等保護(hù)性氣體中進(jìn)行作業(yè)，使用安全、操作方便。另外，在對金屬基體進(jìn)行作業(yè)前，只需要將金屬基體表面進(jìn)行打磨清洗，便可實施沉積作業(yè)，無需其他預(yù)處理。

（2）結(jié)合強(qiáng)度高。電火花沉積涂層并非是電極材料的簡單涂覆堆積，而是基體材料與電極材料之間在高能量、短周期的電脈沖作用下，瞬間融化并以等離子形態(tài)沉積而成的冶金結(jié)合，表現(xiàn)出較高的結(jié)合強(qiáng)度[6]。

（3）結(jié)構(gòu)性能保持穩(wěn)定。在電火花沉積處理過程中，只是在基體表面進(jìn)行涂層處理，而對于基體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)無影響[7]。雖然電火花沉積是在短時間范圍內(nèi)的高能量密度加熱，但是冷卻速度快，所以對基體材料的組織結(jié)構(gòu)與性能沒有產(chǎn)生任何改變。

（4）適用范圍廣。電火花沉積技術(shù)既可以對基體材料進(jìn)行局部小面積范圍處理，亦可以進(jìn)行大面積沉積涂層，不受基體材料的尺寸大小與形狀的影響[8]。

2.電火花沉積非晶涂層技術(shù)研究現(xiàn)狀

非晶合金多是通過在超急冷凝固條件下形成，形成的非晶態(tài)合金原子呈現(xiàn)出短程有序、長程無序的結(jié)構(gòu)，沒有孿晶、晶界等晶體缺陷，具有均勻的各相同性等優(yōu)勢，具備高硬度、高強(qiáng)度、以及耐磨耐蝕等優(yōu)異性能，在航天航空、微電子行業(yè)領(lǐng)域范圍內(nèi)應(yīng)用較多。近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過電火花沉積技術(shù)來對金屬材料進(jìn)行表面改性處理，以獲取具有優(yōu)良特性的非晶合金涂層研究較多。例如Zhou Xia等人通過電火花沉積技術(shù)將SiC混合粉與鐵基合金進(jìn)行表面改性處理，制得了Fe基復(fù)合沉積涂層，涂層結(jié)構(gòu)主要成分為Cr7BC4、Cr21.34Fe1.66C6、CrFe8Si等三種微晶和鐵基非晶組織部分構(gòu)成，制得的復(fù)合涂層均勻致密，面積厚度約為60微米，顯微硬度高達(dá)880HV[9]。Hong等人同樣利用電火花沉積技術(shù)在鈦基合金表面制備了Zr基非晶涂層，涂層結(jié)構(gòu)主要成分為Zr55Cu30Al10Ni5、CuZr3、Ni2Zr3、NiZr2等非晶相和晶體構(gòu)成，制得的復(fù)合涂層耐磨性能提高了2.3倍，顯微硬度達(dá)到801.3HV，表現(xiàn)出較優(yōu)的結(jié)合強(qiáng)度[10]。張維平等人將45鋼在煤油環(huán)境中沉積單晶硅，制備了鐵基非晶合金涂層，涂層結(jié)構(gòu)主要成分為Si5C3、FeSi、C0.17Fe0.8lSi0.02、Fe5Si3d等金屬間化合物和非晶組織構(gòu)成。經(jīng)測試，制得的復(fù)合涂層厚度約為10微米，耐磨性能提升明顯，在5% NaCl溶液中的自腐蝕電流較于之前性能提升10倍，自腐蝕電位提高了134.7 mV，抗腐蝕性能也得到了較大改善[11]。

沉積非晶涂層在其他領(lǐng)域應(yīng)用較多，比如對于非晶阻燃涂層的制備。樊敏強(qiáng)等人通過電火花沉積技術(shù)在鈦基合金表面制備了非晶阻燃涂層，涂層結(jié)構(gòu)主要成分由Ti40Zr25Ni3Cu12Be2非晶相構(gòu)成，制得的復(fù)合涂層均勻致密。在高溫環(huán)境下進(jìn)行氧化實驗，該圖層表現(xiàn)出較優(yōu)的抗氧化特性，能夠有效組織氧氣進(jìn)入基體內(nèi)容部，使得鈦合金與氧氣無法接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，達(dá)到了預(yù)期的阻燃目的[12]。

3.結(jié)語

電火花沉積非晶涂層技術(shù)作為對金屬基體進(jìn)行表面改性較為常用的方法之一，作為當(dāng)前金屬制造行業(yè)領(lǐng)域中的研究熱點。特別是國內(nèi)外學(xué)者電火花沉積非晶涂層技術(shù)的深入研究，通過在金屬材料表面進(jìn)行強(qiáng)化改性以及機(jī)械構(gòu)件的損傷修復(fù)，都會起到很好的輔助作用，能夠幫助金屬基體明顯改善特定的功能，具有較好的市場應(yīng)用前景。

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