電火花沉積技術(shù)研究進(jìn)展及其在航空制造中的應(yīng)用*

紀(jì)賢達(dá)，連 勇，劉 暢，張 津

（1.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京 100083;2.北京市腐蝕、磨蝕與表面技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

在現(xiàn)代工業(yè)中，機(jī)械設(shè)備不斷向自動(dòng)化和復(fù)雜化方向發(fā)展，經(jīng)常處于條件較為苛刻的環(huán)境下長(zhǎng)期工作，這就必然對(duì)材料表面的耐磨、耐蝕等性能提出了較高的要求。采用表面工程技術(shù)對(duì)零部件表面進(jìn)行強(qiáng)化防護(hù)和損傷修復(fù)，對(duì)防止零件失效和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。常用的表面處理方法如電鍍、熱噴涂、物理或化學(xué)沉積鍍膜等，在不同的領(lǐng)域均獲得了較好的應(yīng)用。本文將介紹一種電火花沉積表面處理技術(shù)，該技術(shù)利用電火花瞬時(shí)高溫局部熔化的電極材料在工件表面迅速冷卻，與基體形成冶金結(jié)合的強(qiáng)化層，由于對(duì)基體的熱輸入較低，不會(huì)導(dǎo)致其變形。隨著大功率高頻電火花沉積電源的開(kāi)發(fā)，配合自動(dòng)化控制作業(yè)，廣泛用于零部件的表面強(qiáng)化和失效零部件表面的修復(fù)。本文將簡(jiǎn)述電火花沉積技術(shù)的原理與特點(diǎn)，總結(jié)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外電火花沉積技術(shù)的進(jìn)展，介紹其在航空制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，分析當(dāng)前電火花沉積技術(shù)存在的問(wèn)題和發(fā)展方向。

電火花沉積技術(shù)的原理與特點(diǎn)

1 原理

電火花沉積一般認(rèn)為是利用脈沖電路的充放電原理，當(dāng)連接電源正極的電極和連接負(fù)極的目標(biāo)基體之間達(dá)到能夠產(chǎn)生高頻脈沖的距離時(shí)，電極與基體材料二者之間形成圖1所示的放電現(xiàn)象，放電過(guò)程在10-6～10-5s 內(nèi)完成，放電位置產(chǎn)生8000～10000℃的高溫、高壓微區(qū)，利用工作放電時(shí)產(chǎn)生的大能量，熔化的電極材料涂覆在基體材料表面，二者之間形成的強(qiáng)化層為冶金結(jié)合，所以基體材料表面的物理和化學(xué)性能得到了一定程度上的改善，原有的硬度、耐磨性、耐蝕性等都會(huì)有一定程度的優(yōu)化[1]。但電火花放電原理比較復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)化過(guò)程比較多，對(duì)其研究是認(rèn)識(shí)電火花沉積過(guò)程的關(guān)鍵，目前研究人員對(duì)于電火花沉積過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化有不同的觀點(diǎn)。

圖1 電火花沉積示意圖Fig.1 Schematic of electrospark deposition

一部分研究人員認(rèn)為，該技術(shù)放電實(shí)質(zhì)是火花放電，工作的電極與基體靠近時(shí)，放電點(diǎn)位產(chǎn)生高的熱流密度，利用高密度的電能熔化電極材料從而沉積在基體材料表面，形成具有優(yōu)異性能的強(qiáng)化層，并且研究人員將火花放電原理分為非接觸放電和接觸放電原理。

非接觸放電原理認(rèn)為火花放電是工作電極與基體之間保持一定距離時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)不斷增大從而擊穿介質(zhì)形成火花放電。電子束不斷撞擊電極表面產(chǎn)生熱能，熱量將電極材料熔化，形成液滴，液滴向基體靠近時(shí)，由于儲(chǔ)能的磁場(chǎng)間被高溫加熱，溫度升高直至沸騰和爆炸分離，形成大量的質(zhì)點(diǎn)流，從而沉積在基體表面，隨后電極運(yùn)動(dòng)撞擊沉積點(diǎn)位，形成牢固的強(qiáng)化層[2]。

接觸放電原理認(rèn)為火花放電是電極與基體極小接觸區(qū)域通過(guò)巨大瞬時(shí)電流產(chǎn)生高溫進(jìn)而引起的濺射。在試驗(yàn)中電壓較小時(shí)也可以產(chǎn)生電火花放電，但該電壓值不能達(dá)到空氣被擊穿的最低電壓值，所以電極接觸到基體時(shí)，在其形成的放電路徑上有瞬時(shí)電流通過(guò)，放電時(shí)間極短，瞬時(shí)電流巨大，能夠在極小接觸區(qū)域產(chǎn)生高溫，將接觸部分的電極材料與基體材料熔化、氣化，吸收足夠的能量后向周圍濺射。當(dāng)接觸面積不斷增加，電流密度下降，溫度迅速降低，熔化的電極材料快速冷卻，與基體形成冶金結(jié)合的強(qiáng)化層[3-4]。

也有一部分研究人員認(rèn)為電火花沉積放電實(shí)質(zhì)是電弧放電，將沉積過(guò)程定義為脈沖微弧焊，在工作過(guò)程中，電極與基體之間瞬時(shí)產(chǎn)生溫度極高的等離子電弧，熔化的電極材料通過(guò)等離子弧的過(guò)渡作用，轉(zhuǎn)移到基體表面形成強(qiáng)化層。在一個(gè)脈沖時(shí)刻，時(shí)間約為1～10μs，當(dāng)電極與基體達(dá)到電離擊穿的距離時(shí)，由于電流密度很大，中間介質(zhì)被擊穿，電極與基體之間形成電弧，將電極材料熔化沉積在基體表面，由于放電時(shí)間很短，電弧產(chǎn)生的熱量有一定的散熱時(shí)間，基體不會(huì)積累大量的熱量，從而不會(huì)變形和改變性能[5-6]。

此外，還有部分研究人員認(rèn)為電火花沉積技術(shù)是一種兼具焊接、金屬熔覆、堆焊、氣相沉積等多種混合過(guò)程的特殊工藝。將放電過(guò)程分為以下4個(gè)階段：（1）電極接觸基體時(shí)，電容器開(kāi)始放電，由于電極與基體之間的接觸面積小，接觸電阻大，因此會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，基體和電極局部被加熱；（2）由于電極的快速移動(dòng)，在電容器完全放電之前電極與基體分離；（3）電極和基體之間存在間隙，發(fā)生電弧點(diǎn)燃；（4）電極材料形成熔滴沉積在基體上[7]。

電火花放電和電弧放電是有區(qū)別的，電火花放電電壓高，放電過(guò)程的爆炸力大，具有電容器脈沖放電特征，過(guò)程較不穩(wěn)定，由于放電通道中的電流密度比電弧放電高，所以放電產(chǎn)生的熱量比電弧放電要高。電弧放電的放電電壓較低，是氣體放電的最終形式，與電火花放電過(guò)程相比較為穩(wěn)定，但溫度較低，電極熔化量少。有關(guān)電火花沉積的放電原理還沒(méi)有定論，但對(duì)電火花原理的不斷討論能為人們更深入地研究電火花沉積提供更為廣泛的思路。

2 特點(diǎn)

目前該技術(shù)可應(yīng)用于工具、模具、機(jī)械、航空航天等行業(yè)工件設(shè)備的表面強(qiáng)化和失效修復(fù)，與其他表面處理技術(shù)相比，電火花沉積具有以下5個(gè)優(yōu)點(diǎn)[8-9]：

（1）與熱噴涂和激光熔覆等技術(shù)相比，電火花沉積設(shè)備小型化，整體造價(jià)較低，攜帶較為方便、適應(yīng)靈活、操作簡(jiǎn)單。主要由脈沖電源、沉積槍以及工作臺(tái)3部分組成；（2）與傳統(tǒng)電刷鍍的涂層與基體結(jié)合較差情況相比，電火花沉積涂層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合牢固，很少發(fā)生剝離的現(xiàn)象。這主要是因?yàn)殡娀鸹ǚ烹娝查g產(chǎn)生高溫高壓的環(huán)境，產(chǎn)生了很大的能量，基體與電極材料重新合金化形成強(qiáng)化層；（3）沉積涂層的能量輸入較低，基體溫度變化很小，沉積處冷卻速度快，熱量不會(huì)集中，熱影響區(qū)較小，因而基體不會(huì)產(chǎn)生變形和退火現(xiàn)象，不會(huì)改變其組織與性能；（4）電極可以根據(jù)實(shí)際使用目的選擇不同種類的導(dǎo)電材料，目標(biāo)基體不受形狀和尺寸大小的限制，可以對(duì)其進(jìn)行局部涂層沉積，也可進(jìn)行大面積涂層沉積；（5）沉積后的工件可以作為最終工序使用，加工余量很少，提高了制備涂層和維修損傷的效率。

由于電火花沉積具有上述眾多優(yōu)點(diǎn)，電火花沉積技術(shù)近年來(lái)得到迅速發(fā)展，在航空航天、軍事領(lǐng)域、機(jī)械制造業(yè)等行業(yè)零部件的表面強(qiáng)化方面，以及失效零部件表面的修復(fù)均獲得一定的應(yīng)用。但目前電火花沉積仍多采用手工操作，制備的涂層質(zhì)量取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)水平，涂層的均勻性、一致性難以保障，而搭載自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)程序數(shù)控沉積存在一定難度，例如放電間隙的控制以及電極材料的自動(dòng)更換等問(wèn)題，因此，該技術(shù)在大面積沉積涂層以及批量生產(chǎn)等方面受到限制。此外，目前電火花沉積電源設(shè)備功率仍然相對(duì)較小，單次制備涂層的增厚效率不高；且由于電極與基體材料只能使用導(dǎo)電材質(zhì)，在一定程度上限定了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

電火花沉積技術(shù)研究進(jìn)展

1 不同種類涂層的研究

隨著電火花沉積技術(shù)的發(fā)展，為了滿足不同工況條件下零部件表面涂層對(duì)性能的要求，研究人員將電火花沉積技術(shù)成功應(yīng)用于各類涂層的制備，其中包括金屬涂層、硬質(zhì)合金涂層、陶瓷涂層以及非晶合金涂層等。

1.1 金屬涂層

電火花沉積技術(shù)最廣泛的應(yīng)用為制備金屬涂層，選擇具有優(yōu)異性能的純金屬或合金材料作為電火花沉積的電極材料，在適當(dāng)工藝參數(shù)下即可沉積出高質(zhì)量金屬涂層。在基體上沉積Cr 涂層[10]，可顯著提高基體表面的耐蝕性和抗氧化性。在模具鋼上制備Nb[11]、Mo[12]涂層，基體表面摩擦系數(shù)明顯減小，耐磨性增強(qiáng)，涂層硬度較基體得到較大提升，從而延長(zhǎng)了模具的使用壽命。使用司太立等具有良好耐磨耐蝕性能的合金為電極在模具等表面沉積涂層，可以顯著提高其耐磨損和耐蝕性能[13]。

1.2 硬質(zhì)合金涂層

硬質(zhì)合金由硬質(zhì)化合物（WC、TiC）和黏結(jié)金屬（Co、Ni、Mo）通過(guò)粉末冶金工藝制成，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨性優(yōu)良等特點(diǎn)。利用電火花沉積方法采用鎢鈷類硬質(zhì)合金（WC-Co 硬質(zhì)合金）為電極材料[14-15]在鋼等基體上沉積涂層，涂層與基體結(jié)合牢固，富含細(xì)小的硬質(zhì)相顆粒，因而基體表面的硬度和耐磨性均獲得較大的提升。

1.3 陶瓷涂層

陶瓷涂層具有高硬度、耐酸堿腐蝕、耐磨性能優(yōu)良等特點(diǎn)。利用電火花沉積制備陶瓷涂層的方式有兩種：一種為利用導(dǎo)電陶瓷（硼化物、碳化物等金屬陶瓷）作為電極，直接在目標(biāo)基體上沉積陶瓷涂層[16-18]，廣泛應(yīng)用于耐蝕性和耐磨性較差的機(jī)械零部件上；另一種方式為利用電火花沉積技術(shù)在目標(biāo)基體上發(fā)生原位反應(yīng)，通過(guò)電火花放電擊穿作為反應(yīng)組分的保護(hù)氣體的同時(shí)，離子態(tài)的電極材料向基體表面沉積，電極、基體、保護(hù)氣體反應(yīng)生成陶瓷涂層，多用于鈦合金表面強(qiáng)化。郝建軍等[19]在充滿氮?dú)獾拿荛]裝置內(nèi)，以TA2為工作電極，利用該技術(shù)在鈦合金表面上制備了TiN/Ti 復(fù)合陶瓷涂層，顯著提升了基體表面的硬度和耐磨性能。

1.4 非晶合金涂層

電火花瞬時(shí)高溫局部熔化的電極材料在工件表面迅速冷卻，液態(tài)金屬在結(jié)晶溫度以上高速冷卻至結(jié)晶溫度，為非晶的形成創(chuàng)造了有利的條件。非晶合金具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，表現(xiàn)出許多不同于常規(guī)晶體的性能，因而該類涂層具備更高的硬度、耐磨、耐腐蝕以及抗氧化性。Liu 等[20]以Fe48Cr15Mo14Gd2C15B6非晶態(tài)合金棒為電極，在304 不銹鋼上電火花沉積涂層，涂層組織致密具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，基體表面顯微硬度和耐磨性均得到較大提升。

2 工藝參數(shù)的優(yōu)化

電火花沉積的工藝參數(shù)對(duì)沉積涂層的效率及表面質(zhì)量影響非常顯著，合理的工藝參數(shù)是獲得高質(zhì)量沉積涂層的一種有效途徑，近年來(lái)對(duì)于工藝參數(shù)研究越來(lái)越多，其中工藝參數(shù)分為：電壓、電容、放電頻率、保護(hù)氣體成分及流量、電極移動(dòng)速度以及電極與基體接觸力等[21-23]。通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)制備的涂層，以厚度、粗糙度、硬度等性能指標(biāo)作為評(píng)價(jià)其優(yōu)劣和選擇的依據(jù)。

在電火花沉積過(guò)程中電極材料與基體材料之間的放電能量大小影響電極材料的熔化速率，進(jìn)而影響到整個(gè)涂層表面質(zhì)量。放電能量增加，電極材料熔化的速度變快，從而通過(guò)電火花放電沉積所形成的沉積點(diǎn)也會(huì)變大，放電一次所轉(zhuǎn)移的電極材料也會(huì)變多，但能量過(guò)大，電極放電過(guò)程中熱量會(huì)迅速增大，溫度升高，很難快速冷卻，電極材料熔化飛濺劇烈導(dǎo)致涂層質(zhì)量較差。由于脈沖電源的電容器放電能量與電容、電壓參數(shù)有關(guān)，所以合理選擇電容、電壓從而控制放電能量可以有效提高沉積效率與涂層質(zhì)量。

保護(hù)氣體不僅可以防止涂層氧化，還會(huì)對(duì)電火花放電過(guò)程產(chǎn)生影響，影響涂層表面質(zhì)量，Johnson 等[8]試驗(yàn)證明，在空氣或氮?dú)庵校姌O材料以球形液滴形式沉積到基體表面，而當(dāng)保護(hù)氣體為氬氣時(shí)，電極材料以噴射形式沉積到基體表面，并且制備的涂層質(zhì)量更加優(yōu)良。目前廣泛采用的氮?dú)馀c氬氣作用相似，主要用于隔絕氧氣，防止涂層氧化，氮?dú)庖灿迷谠环磻?yīng)制備陶瓷涂層中。相對(duì)于氬氣中制備涂層，一般認(rèn)為空氣中的氧氣會(huì)惡化涂層的組織和性能。魏祥等[24]比較了在空氣和氬氣中電火花沉積制備的涂層，沉積層組織結(jié)構(gòu)都很致密，但由于空氣中富含氧氣，在空氣中制備的涂層發(fā)生了氧化，表面質(zhì)量較差。在摩擦磨損試驗(yàn)中氬氣中沉積涂層為空氣中沉積涂層磨損量的1/7，表現(xiàn)出更好的耐磨性。

3 設(shè)備的發(fā)展

隨著電火花沉積技術(shù)的廣泛應(yīng)用，暴露出一些設(shè)備存在的問(wèn)題，普通的電火花沉積技術(shù)制備的涂層厚度較??；沉積過(guò)程多為人工手持操作、效率較低，加工的質(zhì)量、速度直接取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)水平，涂層表面質(zhì)量、高效生產(chǎn)的一致性難以實(shí)現(xiàn)；受電極形狀影響很難對(duì)管狀、環(huán)狀以及一些復(fù)雜形狀工件的內(nèi)壁進(jìn)行沉積操作。針對(duì)于這些問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員不斷探索研究，在電源設(shè)備改進(jìn)、與自動(dòng)化控制結(jié)合、改進(jìn)工作電極等方面取得一定成果。

3.1 改進(jìn)電源設(shè)備

脈沖電源對(duì)電火花沉積技術(shù)的涂層質(zhì)量與沉積效率有極大的影響，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)不僅可以提升加工精度與穩(wěn)定性，還可以適用于不同電極材料的沉積。早期歐美國(guó)家研制的電火花沉積設(shè)備如F-5型、CARBUMATIG 等電源功率均較小，沉積效率低。20 世紀(jì)90年代日本研制了功率較大的Spark Depo 強(qiáng)化設(shè)備，使得表面強(qiáng)化層組織更加均勻，涂層厚度增加[25-26]。航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司研制出了一種ZS—116型號(hào)的電火花強(qiáng)化機(jī)，可以使電流在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)院所研制的電火花表面沉積設(shè)備，采用功率開(kāi)關(guān)元件IBGT 控制電源的充放電過(guò)程，加工穩(wěn)定性得到提升，放電能量增大，從而制備的涂層表面質(zhì)量較好、厚度較大[27]。近年來(lái)，隨著電火花沉積技術(shù)廣泛應(yīng)用對(duì)脈沖電源性能需求的提高，研究人員對(duì)脈沖電源研究逐漸增多，研制了一些功能較多、性能較好的電源設(shè)備，顯著提高了電火花沉積技術(shù)的適用性和涂層質(zhì)量。郭豫鵬[28]利用晶閘管與RLC 電路結(jié)合的控制方式，提高了電火花沉積設(shè)備的工作效率，為了滿足不同電極材料的沉積，研制了可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)參數(shù)的電源。但該類脈沖電源在沉積功率較大時(shí)存在一定不足，制備涂層質(zhì)量較差，采用晶體管控制的RC 電源可以彌補(bǔ)該缺點(diǎn)，魏國(guó)[29]對(duì)晶體管控制的RC 式脈沖電源進(jìn)行了改進(jìn)，減少了脈沖間隔過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，從而提高了電火花沉積效率與涂層質(zhì)量。

3.2 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制

目前大多數(shù)的電火花沉積設(shè)備由人工手持操作，廣泛應(yīng)用于局部缺陷的修復(fù)，但對(duì)于大面積的涂覆時(shí)，手工操作的效率較低，并且手工操作具有隨意性，涂層表面質(zhì)量一般，將電火花沉積設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，可以提高涂層表面質(zhì)量與沉積效率。Brochu 等[30]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)的電火花沉積系統(tǒng)，搭建了一套自動(dòng)沉積的平臺(tái)，將電極槍固定在Z軸上，并利用程序控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)平面齒輪形狀涂層的自動(dòng)沉積。Frangini 等[31]開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)控制電極進(jìn)給從而滿足電極材料消耗后及時(shí)補(bǔ)償?shù)膹椥噪娀鸹ǔ练e系統(tǒng)。該系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)控制接觸力參數(shù)的情況下，采用多掃描方式進(jìn)行自動(dòng)沉積處理，并通過(guò)彈簧加載電極接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)。連勇等[32]通過(guò)電火花放電信號(hào)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)觸發(fā)電極夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電極與工件表面間距，如圖2所示[32]，以解決CNC 數(shù)控自動(dòng)電火花沉積過(guò)程中的電極消耗導(dǎo)致電極與基體間距變大問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了涂層自動(dòng)化連續(xù)沉積。Johnson 等[33]針對(duì)在非可視區(qū)域進(jìn)行電火花沉積，設(shè)計(jì)了基于接觸應(yīng)變反饋調(diào)節(jié)的非視覺(jué)反饋系統(tǒng)，如圖3所示，成功在7.62mm的管道內(nèi)制備了涂層。

3.3 改進(jìn)工作電極

為了實(shí)現(xiàn)在特殊形狀零件上使用電火花沉積技術(shù)，如在細(xì)長(zhǎng)管件內(nèi)壁上沉積涂層，傳統(tǒng)的硬質(zhì)棒狀電極受傾角的限制，不能完成細(xì)長(zhǎng)管件內(nèi)壁的涂層沉積。連勇等[34]利用柔性絲束進(jìn)行管內(nèi)沉積，電極槍通過(guò)金屬導(dǎo)管驅(qū)動(dòng)絲束電極在細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)旋轉(zhuǎn)，電極絲隨著電極的轉(zhuǎn)動(dòng)與管件內(nèi)壁接觸產(chǎn)生電火花放電沉積，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)壁電火花沉積涂層的目的。Yue等[35]采用磁化電極對(duì)微細(xì)粉末進(jìn)行吸附形成一個(gè)軟刷，如圖4所示[35]，電極可以密切跟蹤工件的表面輪廓，實(shí)現(xiàn)不規(guī)則平面上電火花沉積，涂層沉積質(zhì)量比傳統(tǒng)工藝有一定提高。

圖2 放電信號(hào)控制電火花自動(dòng)沉積Fig.2 Discharge signal controls automatic electrospark deposition

4 復(fù)合技術(shù)

為消除電火花沉積涂層的缺陷，如裂紋、孔洞等，以進(jìn)一步提升涂層的質(zhì)量，研究人員將電火花沉積技術(shù)與熱噴涂、激光熔覆、超聲沖擊處理等技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)展了有益的嘗試，一些復(fù)合處理技術(shù)對(duì)于改善涂層組織和性能方面取得了一定效果。

（1）電火花沉積與電弧噴涂相結(jié)合。電弧噴涂涂層質(zhì)量好、致密度高，廣泛應(yīng)用于制備結(jié)構(gòu)鋼防腐涂層，并且涂層防腐壽命長(zhǎng)。趙建華等[36]使用復(fù)合技術(shù)在AZ91D 鎂合金表面制備了耐蝕性涂層，該涂層孔隙率較低，致密性很高。復(fù)合技術(shù)涂層試樣相對(duì)于電弧噴涂涂層試樣，腐蝕速率大幅降低，自腐蝕電位正移40mV，從而證明了復(fù)合技術(shù)制備涂層使基體抗腐蝕能力更加優(yōu)異。

（2）電火花沉積與激光熔覆相結(jié)合。電火花沉積涂層硬度很高、結(jié)合力較好但涂層的厚度較薄，利用復(fù)合技術(shù)可以改善電火花沉積工藝的不足，也可以減少激光技術(shù)所需要的成本較高的合金粉末。王建升等[37]在Q235 鋼上激光熔覆鐵基合金粉末，再利用電火花沉積WC 陶瓷硬質(zhì)合金，涂層與基體表面結(jié)合良好，厚度達(dá)到140～160μm，基體表面硬度有較大提升，基體表面耐磨性提高兩倍以上。

（3）電火花沉積與超聲沖擊處理相結(jié)合。電火花放電過(guò)程中基體材料表面熔化后快速凝固，會(huì)導(dǎo)致涂層產(chǎn)生拉應(yīng)力，對(duì)涂層的磨損、疲勞和應(yīng)力腐蝕性能產(chǎn)生一定負(fù)面影響，超聲沖擊處理技術(shù)可以降低涂層的殘余應(yīng)力，使涂層形成壓應(yīng)力從而改善疲勞性能。Liu 等[38]采用電火花沉積與超聲沖擊處理技術(shù)相結(jié)合，以GCr15為電極，在Ti6Al4V 基體上沉積涂層，沉積層的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，最大值為717MPa，沉積涂層顯著提高了表面耐磨性，涂層試樣磨損體積損失比未沉積的試樣減少了4個(gè)數(shù)量級(jí)。

電火花沉積技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用

在電火花沉積采用導(dǎo)電的有一定熔點(diǎn)的金屬、陶瓷等材料為電極，可用于表面涂層防護(hù)，提高表面的耐高溫、耐磨、耐腐蝕能力，也可以用來(lái)對(duì)零部件表面缺陷進(jìn)行修復(fù)，提高其使用壽命。隨著電火花沉積技術(shù)的發(fā)展，在航空制造領(lǐng)域該技術(shù)也獲得了很多的應(yīng)用，如軸承表面耐磨涂層的制備、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的修復(fù)等。

1 防護(hù)涂層制備

航空表面涂層技術(shù)在航空制造領(lǐng)域具有重要的作用，合理利用表面處理技術(shù)在航空零部件表面制備強(qiáng)化涂層，可以有效提升零部件的使用性能，使其具備耐磨、耐腐蝕、抗高溫氧化等優(yōu)異性能[39]。

1.1 耐磨涂層

飛機(jī)零部件經(jīng)常發(fā)生磨損失效和腐蝕失效，易產(chǎn)生疲勞裂紋，利用電火花沉積技術(shù)對(duì)這些零部件進(jìn)行表面處理，可以提高其工作表面的硬度和耐磨性能。如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片與機(jī)匣相磨，或與外物撞擊易導(dǎo)致葉片產(chǎn)生裂紋，尖端損傷折斷，如圖5所示[40]。發(fā)動(dòng)機(jī)軸承也會(huì)因?yàn)橐恍┩獠康囊蛩貙?dǎo)致其在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到一定的磨損。硬質(zhì)合金具有耐磨性好、硬度高等優(yōu)點(diǎn)，采用電火花沉積技術(shù)將硬質(zhì)合金沉積在零部件表面將有助于提高其表面硬度和耐磨性。高玉新等[41]以YG12為電極，在Cr12 鋼表面沉積了致密的硬質(zhì)合金涂層，涂層含有細(xì)小的硬質(zhì)相，其硬度為基體的3倍，基體耐磨性能得到較大提升。吳公一等[42]以Zr、WC為電極材料，利用電火花沉積技術(shù)在TA2表面制備了復(fù)合涂層，基體表面硬度提升了4倍，耐磨性能提升了3倍以上。為了提高零部件表面耐磨性能和抗氧化性能，Burkov 等[43]采用電火花沉積方法在Ti6Al4V 合金上制備了不同Ti、Al含量的防護(hù)涂層，涂層試樣使Ti6Al4V 合金在900℃溫度下的抗氧化性能最高提升到3倍以上，涂層顯微硬度為6.4～9.4GPa，耐磨性能最高提升為Ti6Al4V 合金的36倍。

圖3 非視覺(jué)區(qū)域反饋系統(tǒng)Fig.3 Non-line-of-sight area feedback system

圖4 磁輔助電火花沉積裝置Fig.4 Magnetic-aided electrospark deposition device

1.2 熱障涂層

熱障涂層是高溫部件最重要的防護(hù)涂層之一，該涂層可以提高零部件的工作溫度，使高溫結(jié)構(gòu)材料能夠滿足當(dāng)前航空發(fā)展的需要，保證航空機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)行。MCrAlY是目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的熱障涂層，選擇電極材料為高溫下能夠形成穩(wěn)定氧化物的材料，可顯著提高基體的高溫抗氧化性能。王令雙[44]以NiCrAlY為電極材料，在GH4169 合金基體上制備了防護(hù)涂層，基體合金在高溫氧化試驗(yàn)中出現(xiàn)剝落，容易失效，而涂層試樣表面生成Al2O3保護(hù)膜，內(nèi)部幾乎沒(méi)有缺陷，顯著提高了基體合金的高溫抗氧化性能。為了解決渦輪葉片在工作中氧化、磨損的問(wèn)題，Xie等[45]以摻加TaC的MCrAlY 粉末制備的復(fù)合材料作為電極，在鎳基高溫合金表面上沉積制備了MCrAlY/TaC 金屬基復(fù)合材料熱障涂層，隨著TaC含量的增加，抗氧化性能下降，但復(fù)合涂層的硬度提高。

1.3 阻燃涂層

作為減重效果良好的材料，鈦合金被應(yīng)用于緊固件、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件以及葉片的制造[46]，但鈦合金耐燃性差，易著火燃燒，引發(fā)“鈦火”故障，利用電火花沉積技術(shù)制備阻燃涂層可以有效降低設(shè)計(jì)成本，同時(shí)不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，降低基體材料表面的可燃性，阻滯火災(zāi)的迅速蔓延。樊敏強(qiáng)等[47]以Ti40Zr25Ni3Cu12Be20非晶合金為電極，利用電火花沉積技術(shù)在Ti40合金表面制備了厚度約為200μm的致密的非晶涂層，有效阻止了基體與氧接觸，在液滴法鈦火試驗(yàn)條件下證明了該涂層阻燃效果明顯。

2 工件修復(fù)再制造

目前常用的再制造修復(fù)技術(shù)有噴涂修復(fù)、激光修復(fù)、電刷鍍修復(fù)等，這些技術(shù)在不同的領(lǐng)域均獲得了較好的應(yīng)用，但都存在一些局限，如工藝操作復(fù)雜、修復(fù)質(zhì)量不高、修復(fù)成本高等。電火花沉積技術(shù)作為一項(xiàng)表面處理技術(shù)，具有設(shè)備造價(jià)低、涂層結(jié)合力強(qiáng)等特點(diǎn)，在航空制造領(lǐng)域得到快速推廣應(yīng)用。因?yàn)殡娀鸹ǔ练e設(shè)備便攜，操作方便，不需要特殊的復(fù)雜的處理裝置和設(shè)施，所以可以在設(shè)備使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修復(fù)，對(duì)于大型設(shè)備的零部件修復(fù)而言，現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)可以大大節(jié)約成本。同時(shí)，待修復(fù)的金屬表面，只需要進(jìn)行打磨、清洗等簡(jiǎn)單地前處理，就可以進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)完成后的工件只需要少量的加工，進(jìn)行簡(jiǎn)單的鉗工修理即可。通常局部修復(fù)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋，降低被修復(fù)零部件的使用壽命。由于電火花放電對(duì)基體的熱輸入低，不會(huì)使待修復(fù)零部件表面產(chǎn)生較大應(yīng)力，同時(shí)電極材料在電火花放電瞬間產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境下與基體表面冶金結(jié)合，形成的強(qiáng)化層結(jié)合強(qiáng)度較高，修復(fù)處理后不會(huì)導(dǎo)致工件的疲勞性能的較大變化。美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的一項(xiàng)研究表明，在4340鋼表面進(jìn)行電火花沉積處理后材料的疲勞強(qiáng)度達(dá)到噴丸強(qiáng)化處理表面的82%[33]。

2.1 葉片零件的修復(fù)

汽輪機(jī)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪在高速、高溫、高壓工況下工作。由于工作介質(zhì)中存在工業(yè)粉塵、氧化物顆粒和沙塵，葉片的固體顆粒侵蝕導(dǎo)致其表面粗糙度增大，隨著侵蝕的發(fā)展出現(xiàn)凹坑和犁溝。嚴(yán)重的侵蝕導(dǎo)致葉片變薄，邊緣呈鋸齒狀，脫落堵塞[48]。國(guó)外已經(jīng)成功利用電火花沉積技術(shù)修復(fù)了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、直升機(jī)襟翼零部件，并取得了良好效果，如圖6所示[49]。吳志星[50]對(duì)VK50-3型空壓機(jī)磨損葉片進(jìn)行了修復(fù)，并成功投入生產(chǎn)運(yùn)行，修復(fù)的葉片各項(xiàng)機(jī)械性能和工藝參數(shù)均符合設(shè)備的使用要求。

2.2 軸類零件的修復(fù)

軸類摩擦構(gòu)件長(zhǎng)期在摩擦狀態(tài)下工作，極易發(fā)生磨損缺陷，使其工作性能下降，甚至喪失。利用電火花沉積技術(shù)可以將零件快速修復(fù)，起到延長(zhǎng)零件使用壽命的作用。某廠設(shè)備主軸在運(yùn)行中磨損出現(xiàn)溝槽，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的前處理工藝后，利用電火花沉積技術(shù)成功對(duì)凹坑進(jìn)行了缺陷修補(bǔ)，提高了主軸的使用壽命[51]。郝建軍等[52]對(duì)齒輪軸進(jìn)行了電火花沉積修復(fù)，為了獲得良好的表面質(zhì)量，在沉積修補(bǔ)過(guò)程中使用銼刀對(duì)其進(jìn)行打磨，經(jīng)過(guò)不斷沉積，直至溝槽修復(fù)填滿，修復(fù)后的齒輪軸裝機(jī)運(yùn)行效果良好。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片失效特征Fig.5 Damaged features of engine blade

2.3 鈦合金零件表面修復(fù)

鈦合金因其性能優(yōu)異被廣泛用于航空零部件的制造，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身。針對(duì)鈦合金零件的修復(fù)，謝劍舟[53]采用電火花沉積技術(shù)，制備了一定厚度的TA2 本體修復(fù)性涂層，并成功的對(duì)TA2表面預(yù)制損傷進(jìn)行了修復(fù)。由于電火花沉積過(guò)程中熔化電極急速冷卻的原因，細(xì)化了涂層的晶粒，使得修復(fù)的涂層硬度與耐磨性均得到提升。

2.4 利用復(fù)合技術(shù)修復(fù)

運(yùn)用電火花沉積與激光掃描修復(fù)技術(shù)相結(jié)合，彌補(bǔ)了各自的技術(shù)缺陷，該技術(shù)已成功修復(fù)活塞桿、關(guān)鍵殼體，如圖7所示[54]，支撐機(jī)構(gòu)的腐蝕表面，同時(shí)該技術(shù)還運(yùn)用于修復(fù)飛機(jī)磨損零部件的表面缺陷，如飛機(jī)掛梁導(dǎo)軌面上的點(diǎn)蝕缺陷，是由于微動(dòng)磨損導(dǎo)致，經(jīng)復(fù)合技術(shù)修復(fù)后的導(dǎo)軌基本無(wú)變形，且具有良好的耐磨抗腐蝕性能[54]。復(fù)合技術(shù)的成功應(yīng)用為電火花沉積技術(shù)在航空制造領(lǐng)域拓寬了渠道，提高了被修復(fù)工件的質(zhì)量，增加了電火花沉積修復(fù)的可靠性。

圖6 電火花沉積修復(fù)實(shí)例Fig.6 Repairing cases of electrospark deposition

圖7 復(fù)合技術(shù)對(duì)殼體修復(fù)過(guò)程Fig.7 Composite technology for shell repair process

結(jié)論

電火花沉積技術(shù)作為一種表面工程與再制造工程技術(shù)，在工具、模具、機(jī)械、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。隨著電火花設(shè)備和工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，電火花沉積技術(shù)將會(huì)在表面強(qiáng)化和損傷修復(fù)中發(fā)揮更重要的作用，因此具有十分重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。但目前仍存在一些問(wèn)題，例如沉積層厚度有限、生產(chǎn)效率較低等問(wèn)題，為了進(jìn)一步促進(jìn)這一技術(shù)的研究與應(yīng)用，需要加強(qiáng)以下5個(gè)方面：

（1）加強(qiáng)對(duì)電火花沉積技術(shù)機(jī)理的研究。其中包括電火花放電機(jī)理與電極材料轉(zhuǎn)移機(jī)理等，電火花沉積放電受電極、介質(zhì)、基體等多因素影響，導(dǎo)致目前沒(méi)有統(tǒng)一定論，對(duì)電火花沉積技術(shù)機(jī)理研究的深度不夠，沒(méi)有完整的理論體系。

（2）提高電火花沉積技術(shù)的沉積效率。雖然已經(jīng)有研究人員對(duì)電火花沉積技術(shù)的自動(dòng)化、半自動(dòng)化加工進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究，但目前大多數(shù)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用還是需要人工手持沉積槍進(jìn)行操作，自動(dòng)化技術(shù)并未發(fā)展成熟。

（3）開(kāi)發(fā)新型電極材料。電極材質(zhì)是影響電火花沉積涂層質(zhì)量性能的重要因素，為了獲得更加優(yōu)良的涂層性能，需要制備新型的電極材料，其中包括復(fù)合材料、優(yōu)異性能的高熵合金以及金屬間化合物等。

（4）研究新型的電火花沉積介質(zhì)。工作介質(zhì)也是影響電火花沉積涂層質(zhì)量性能的因素，目前廣泛采用的介質(zhì)為惰性氣體，不同工作介質(zhì)的介電性不同，良好的介電性可以改善電火花沉積。

（5）加強(qiáng)對(duì)電火花復(fù)合加工技術(shù)的研究。復(fù)合加工技術(shù)即在電火花沉積技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入一些特殊的輔助措施，從而彌補(bǔ)電火花沉積技術(shù)的固有缺陷。研究新型的復(fù)合加工技術(shù)有利于使得涂層得到進(jìn)一步的改善，從而滿足工件以及設(shè)備的生產(chǎn)工作需要。