電火花表面熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用

李靜瑞，羅 斌，肖 明，張瑞珠

（1．華北水利水電學(xué)院機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450045;2．河南濟(jì)源小浪底水力發(fā)電廠，河南濟(jì)源 459017）

隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)各種裝備零部件的工作性能和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，尤其一些大型關(guān)鍵設(shè)備如水輪機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)等經(jīng)常在高速、高壓、重載等各種惡劣條件下工作，若要保證其正常運(yùn)行，零部件必須滿足壽命長(zhǎng)、可靠性好、表面性能高的要求．零部件表面的摩擦磨損、腐蝕和疲勞裂紋等破壞將影響整個(gè)裝備的安全運(yùn)行．為了提高零部件的耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性，學(xué)者們從物理、化學(xué)和機(jī)械等各個(gè)方面進(jìn)行了研究，包括研制新型的合金材料、改善工件運(yùn)行條件、規(guī)定合理的工藝規(guī)程等．

電火花表面熔覆技術(shù)是介入焊接、噴鍍或元素滲入等工藝特點(diǎn)為一體的新型實(shí)用電火花沉積技術(shù)，利用電火花沉積（Electro-spark Deposition，簡(jiǎn)稱ESD）設(shè)備把電極材料沉積到某種基體材料上來(lái)獲得力學(xué)性能和化學(xué)性能遠(yuǎn)超過(guò)基體材料表面質(zhì)量的熔覆層，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命．電火花表面熔覆技術(shù)不僅能顯著改善零部件的表面性能，如硬度、耐磨性和抗腐蝕性，與其他表面技術(shù)（如熱噴涂、熱噴焊、表面滲氮、激光表面熔覆等）［1－2］相比較，還具有如下優(yōu)點(diǎn)［3－7］：設(shè)備簡(jiǎn)單，攜帶方便;用途廣，沉積對(duì)象不受零部件形狀限制，一般幾何形狀的平面或曲面都可以進(jìn)行處理，也可對(duì)零部件表面實(shí)施局部熔覆;熱輸入量小，不會(huì)使工件退火或變形;熔覆層與基體冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，不易脫落．

1 電火花表面熔覆技術(shù)的原理

電火花表面熔覆技術(shù)是將電源存儲(chǔ)的高能量電能以10～2 000 Hz的頻率在電極與基體材料之間瞬間釋放，通過(guò)電極材料與基體材料間的空氣電離，形成通道，電極材料與基體接觸瞬間形成中心溫度高達(dá)10 000℃的局部高溫，使基體表面產(chǎn)生瞬時(shí)高溫、高壓微區(qū)，同時(shí)該區(qū)域內(nèi)離子態(tài)的電極材料和基體材料的各種組成元素的原子相互融滲、擴(kuò)散和重新合金化，形成冶金結(jié)合型牢固熔覆層．研究表明，經(jīng)過(guò)電火花熔覆處理的基體表層形成的熔覆層主要由白亮層、過(guò)渡層和熱影響區(qū)構(gòu)成，熔覆層組織細(xì)密，具有較高的硬度、耐磨性和較好的抗腐蝕性［1－4］．

2 電火花表面熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀

早在19世紀(jì)初，人們就發(fā)現(xiàn)了電腐蝕放電現(xiàn)象，但由于對(duì)其認(rèn)識(shí)不足，直到20世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)學(xué)者首次將電腐蝕原理運(yùn)用到生產(chǎn)加工制造領(lǐng)域，人們才開始研究利用電腐蝕對(duì)金屬材料進(jìn)行加工和利用．

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)電火花表面熔覆理論進(jìn)行了研究，但隨著研究的深入，各國(guó)研究人員對(duì)這一新技術(shù)持不同看法．國(guó)內(nèi)學(xué)者多數(shù)認(rèn)為，電火花表面熔覆是直接利用電源存儲(chǔ)的高能量，通過(guò)火花放電，使電極材料熔滲到基體表面，形成特殊性質(zhì)的合金層［7－8］．顯然，他們認(rèn)為電火花表面熔覆的本質(zhì)是火花放電．還有部分學(xué)者認(rèn)為電火花表面熔覆是利用電容放電產(chǎn)生的短時(shí)、低電壓、大電流脈沖，促成高溫等離子弧，將電極材料通過(guò)原子重新合金化擴(kuò)散到基體表面的一種脈沖電弧微焊接技術(shù)［7，9－10］．他們認(rèn)為電火花表面熔覆實(shí)質(zhì)是微弧焊接．持這種觀點(diǎn)的國(guó)外研究人員居多．經(jīng)調(diào)查，第二種觀點(diǎn)正在被越來(lái)越多的人認(rèn)可．但就目前為止，有關(guān)電火花表面熔覆的實(shí)質(zhì)性爭(zhēng)議仍在延續(xù)，所以，著重研究電火花表面熔覆放電機(jī)理確定電火花表面熔覆的實(shí)質(zhì)仍然是電火花研究的熱點(diǎn)．

針對(duì)電火花表面熔覆放電機(jī)理，各國(guó)研究人員持兩種不同的看法：一是非接觸放電原理;二是接觸放電原理．不得不指明的是，這兩種觀點(diǎn)皆是在電火花放電機(jī)理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的詮釋，而從其他方向來(lái)論述電火花表面熔覆放電機(jī)理，目前還是一片空白［10］．

非接觸放電認(rèn)為：在電極與基體尚未接觸時(shí)刻發(fā)生了火花放電．當(dāng)電極靠近工件時(shí)，脈沖電壓加到兩極之間，當(dāng)滿足某一放電間隙時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度擊穿間隙產(chǎn)生火花放電．但也有學(xué)者認(rèn)為，電容器是通過(guò)接觸點(diǎn)釋放電能產(chǎn)生火花放電的，即電極只有在接觸的情況下才產(chǎn)生火花放電，故提出接觸放電的說(shuō)法．接觸放電理論認(rèn)為：當(dāng)電極接近工件直至接觸的瞬間，在接觸點(diǎn)產(chǎn)生巨大的放電電流，當(dāng)電流密度很高時(shí)，焦耳熱使接觸部分的材料急劇升溫，瞬時(shí)熔化或氣化，引發(fā)爆炸性的火花放電．從接觸放電的熔覆過(guò)程中可以看出：電極與工件接觸是產(chǎn)生火花放電的前提條件［2，8－10］．

就目前為止，對(duì)電火花的理論研究還不充分，還沒(méi)有形成一套系統(tǒng)完整的理論體系，還有待進(jìn)一步的研究．

3 電火花表面熔覆技術(shù)的應(yīng)用

電火花表面熔覆技術(shù)以它獨(dú)特的工藝特點(diǎn)和性能優(yōu)勢(shì)在航空航天、軍事、核能、冶金、機(jī)械、汽車等眾多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，近幾年來(lái)在水利水電行業(yè)也得到了快速發(fā)展．電火花表面熔覆技術(shù)最重要的性能優(yōu)勢(shì)就是涂層與基體冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，涂層不易脫落．選用WC系列硬質(zhì)合金作為電極材料，得到的涂層表面硬度最高可達(dá)1 700 HV以上，大大提高了機(jī)件的耐磨蝕性能;又因其設(shè)備簡(jiǎn)單，沒(méi)有苛刻的熔覆環(huán)境要求，可以到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行在線操作，所以決定了電火花表面熔覆技術(shù)在不易拆卸、搬運(yùn)的大型工件上的應(yīng)用前景較好．

3．1 在水利水電行業(yè)中的應(yīng)用

由于我國(guó)的特殊地域條件，如河流落差大、泥沙含量高等這些惡劣的工況條件使水利過(guò)流部件的磨損和空蝕破壞十分嚴(yán)重．電火花表面熔覆涂層以其優(yōu)異性能可有效解決水利過(guò)流部件金屬表面的耐磨蝕問(wèn)題．

2000年10月，利用電火花表面熔覆技術(shù)在一個(gè)直徑500 mm的水輪發(fā)電機(jī)不銹鋼轉(zhuǎn)輪上表面熔覆一層WC硬質(zhì)合金涂層，涂層的硬度、耐磨性和耐蝕性都較基體有很大提高，原本使用壽命為一個(gè)雨季的轉(zhuǎn)輪，經(jīng)電火花表面熔覆技術(shù)修復(fù)后使用了近4 a還沒(méi)有報(bào)廢，其壽命顯著提高［1］．

云南大盈江水電站因其水源大盈江地理位置特殊，大盈江支流和盈江盆地邊緣地帶滑坡、泥石流密集，水土流失嚴(yán)重，河流含沙量大，所以水電廠的水輪機(jī)長(zhǎng)期遭受泥沙磨蝕的危害，水輪機(jī)的磨蝕嚴(yán)重．采用電火花表面熔覆技術(shù)對(duì)其磨損部位進(jìn)行修復(fù)后，水輪機(jī)的使用壽命提高了4～5倍［11］．

三門峽水電站是我國(guó)泥沙含量最高的黃河上興建的第一個(gè)水電站，也是世界上水輪機(jī)過(guò)流部件含沙量最高的水電站之一．黃河三門峽河段的多年平均含沙量高達(dá)37．6 kg/m3，汛期平均過(guò)機(jī)泥沙為17．3 kg/m3，近幾年實(shí)測(cè)過(guò)機(jī)泥沙為25 kg/m3左右，實(shí)測(cè)最大過(guò)機(jī)泥沙達(dá)1 200 kg/m3．因此，水輪機(jī)過(guò)流部件的磨蝕非常嚴(yán)重．經(jīng)電火花表面熔覆技術(shù)修復(fù)后，水輪機(jī)可重新投入使用，其耐磨性、耐蝕性得到顯著提高，延長(zhǎng)了其壽命，并且獲得了很大的經(jīng)濟(jì)效益．

新疆阿克蘇塔尕克水電站的水輪機(jī)過(guò)流部件長(zhǎng)期受冰川和泥沙的沖蝕，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪（包括葉片、上冠、下環(huán)）以及轉(zhuǎn)輪上下止環(huán)，汛期運(yùn)行2個(gè)月就出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損，危及機(jī)組運(yùn)行安全．在磨損部位表面熔覆一層WC－8Co陶瓷硬質(zhì)合金涂層，修復(fù)后的過(guò)流部件具有較高的硬度和強(qiáng)度及良好的耐磨性和沖擊韌性．

3．2 在模具中的應(yīng)用

在大規(guī)模生產(chǎn)中，模具是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必不可少的關(guān)鍵零部件，在頻繁使用過(guò)程中模具經(jīng)常遭到不同程度的破壞．模具一旦遭到破壞，其幾何尺寸難免會(huì)有偏差，進(jìn)而影響生產(chǎn)質(zhì)量．采用電火花表面熔覆技術(shù)在模具易磨損部位涂覆一層WC系硬質(zhì)合金涂層，可顯著改善模具的表面性能，延長(zhǎng)其使用壽命，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本．

某多缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的熱鍛模采用5CrMnMo制造，使用一段時(shí)間后，鍛模的毛邊槽橋部磨損嚴(yán)重，生產(chǎn)出的鍛件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)．經(jīng)過(guò)電火花表面熔覆技術(shù)修復(fù)后，該鍛模可重新投入使用，且生產(chǎn)出的鍛件達(dá)到了技術(shù)要求［12］．

某廠使用的一副扼流圈山字形鐵芯沖裁模，長(zhǎng)期使用導(dǎo)致凸、凹模配合間隙增大，沖裁出的零部件毛刺嚴(yán)重超標(biāo)，個(gè)別地方還出現(xiàn)了拉斷現(xiàn)象，此模已處于報(bào)廢階段．采用YG8作為電極材料，經(jīng)電火花表面熔覆技術(shù)修復(fù)后，刃口處平均硬度值為70 HRC，可重新投入使用，且修復(fù)后沖裁7萬(wàn)多件，模具表面仍完好無(wú)損［12］．

某廠使用的第一道沖裁模在沖裁10 000次左右時(shí)損壞嚴(yán)重，以YG8硬質(zhì)合金為電極材料采用電火花表面熔覆技術(shù)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)．修復(fù)后的模具表面硬度值高達(dá)72 HRC，可沖裁25 000次以上，其壽命提高了1．5 倍［13］．

3．3 在冶金行業(yè)中的應(yīng)用

冶金行業(yè)中使用的軋輥等鋼結(jié)構(gòu)件極易受到磨粒磨損而發(fā)生剝落，最終導(dǎo)致軋輥失效報(bào)廢，資源消耗嚴(yán)重．王建升［14］利用電火花表面熔覆技術(shù)對(duì)軋輥表面涂覆一層納米結(jié)構(gòu)涂層，涂層的相對(duì)耐磨性比軋輥基體提高了2．7倍，進(jìn)而延長(zhǎng)了其使用壽命．

安鋼第二軋鋼廠77 t大型支承輥因潤(rùn)滑不充分，造成輥頸多處嚴(yán)重?zé)龘p，無(wú)法正常使用，而大型支承輥制造周期長(zhǎng)，新購(gòu)一支支承輥又將花費(fèi)600萬(wàn)元，耗資巨大．采用電火花表面熔覆技術(shù)對(duì)輥頸進(jìn)行表面熔覆涂層修復(fù)，歷時(shí)45 d，僅花費(fèi)11萬(wàn)元就對(duì)支承輥損傷部位全部修復(fù)成功．經(jīng)試驗(yàn)，修復(fù)后的支承輥和正常輥一樣，可以重新投入生產(chǎn)［15］．這一技術(shù)不僅解決了二軋廠的燃眉之急，而且大大降低了其生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益，為大型鍛鋼支承輥輥頸修復(fù)提供了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新方案．

4 電火花表面熔覆技術(shù)發(fā)展中面臨的問(wèn)題及其研究方向

自20世紀(jì)50年代起，電火花表面熔覆技術(shù)已逐漸成為表面處理工藝的重要技術(shù)手段之一，在生產(chǎn)加工制造領(lǐng)域中也占據(jù)著越來(lái)越重要的位置．但由于對(duì)電火花的理論研究尚不充分，還沒(méi)有一套系統(tǒng)完整的理論作為指導(dǎo)，因此還需要進(jìn)一步完善．目前電火花表面熔覆技術(shù)面臨的問(wèn)題主要有：驟冷驟熱的過(guò)程使熔覆層內(nèi)部存在熱應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間熔覆會(huì)使熔覆層產(chǎn)生熱疲勞，當(dāng)應(yīng)力和疲勞累積到一定程度致使熔覆層碎裂和部分脫落，并且長(zhǎng)時(shí)間熔覆使熔覆層與電極間的元素趨于平衡，擴(kuò)散現(xiàn)象將在同種元素中進(jìn)行，熔覆速率降低，因此熔覆層厚度具有一定的限度，一般較?。?6］;熔覆過(guò)程中產(chǎn)生的高能量使局部高溫高壓微區(qū)的基體材料熔化形成熔滴，冷卻后成圓盤狀凹坑，無(wú)數(shù)熔坑和熔覆點(diǎn)的重熔疊加構(gòu)成無(wú)方向的桔皮表面，故其表面粗糙度較大［9］;電火花熔覆操作為手工操作，雖上手很快，但熔覆層的質(zhì)量跟操作人員的技術(shù)有很大關(guān)系，熔覆工藝的穩(wěn)定性、可靠性不易把握，生產(chǎn)效率也較低．這些都極大地限制了電火花表面熔覆技術(shù)的推廣和應(yīng)用，因此提出以后的重點(diǎn)研究方向．

1）多角度、多方位研究熔覆機(jī)理，建立模型模擬熔覆過(guò)程，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)改善熔覆層質(zhì)量、提高熔覆效率的有效方法．

2）同一工件表面，采用多種電極材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同電極材料的熔覆規(guī)律，尋找工件的最優(yōu)熔覆工藝參數(shù);合理選擇、適當(dāng)控制各熔覆參數(shù)來(lái)獲得最佳熔覆效果．

3）電火花表面熔覆工藝與其他技術(shù)相結(jié)合，比如電火花加工與離子體電解結(jié)合能夠使其在較低的放電電壓下進(jìn)行，可以提高沉積效率，加大熔覆層厚度，其表面硬度和耐磨性也較好;與離子束結(jié)合可以在提高表面硬度的同時(shí)提高其耐磨性能［17］等，為電火花表面熔覆技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展空間．

4）開發(fā)研制出先進(jìn)的電火花表面熔覆設(shè)備，提高涂覆效率，改善熔覆質(zhì)量，使電火花表面熔覆技術(shù)走向高效化、機(jī)械化和自動(dòng)化．

5）擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域．

5 結(jié)語(yǔ)

電火花表面熔覆技術(shù)憑借其特殊的強(qiáng)化效果和獨(dú)特的實(shí)用價(jià)值，在未來(lái)的發(fā)展空間很廣，尤其是在機(jī)械制造業(yè)和材料表面改性領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景．但由于對(duì)其理論研究不足以及其技術(shù)上的局限性，又阻礙了其在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用．為了有效解決這一問(wèn)題，各國(guó)學(xué)者都做出了大量研究工作，隨著研究的深入以及表面技術(shù)的快速發(fā)展，將電火花表面熔覆技術(shù)與其他表面改性技術(shù)以及數(shù)字化信息技術(shù)相結(jié)合成為了電火花研究方向的新動(dòng)態(tài)，為電火花表面熔覆技術(shù)提供了更加廣闊的發(fā)展空間．

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