超聲波沖擊法對微弧火花沉積涂層性能的影響

高繼文，李永彬，黃曉望

(國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007)

0 前言

微弧火花沉積(Micro-arc spark deposition, MASD)又叫電火花沉積(Electro-spark deposition, ESD)，是利用脈沖、電能的高能量密度使旋轉(zhuǎn)的陽極焊材與陰極(被修復(fù)工件)形成瞬間動(dòng)態(tài)短路，產(chǎn)生微弧火花放電，把作為電極的導(dǎo)電材料熔滲進(jìn)金屬零件的表層，從而形成高強(qiáng)度冶金結(jié)合的合金化表面涂層，使零件工作表面缺陷和機(jī)械損傷得以修復(fù)、部分力學(xué)性能得以恢復(fù)及表面防腐性能得到改善的一種新興修理技術(shù)。近年來，微弧火花沉積技術(shù)、工藝方法在刀具、模具、精密零件的微量修復(fù)、生物相容性涂層制備及沉積冶金結(jié)合涂層修復(fù)尺寸等方面已有較多應(yīng)用[1-7]，其微弧火花沉積溫度場分布也通過有限元找出了仿真模型，從而得到實(shí)際加工過程中無法探知的規(guī)律[8]，在耐摩擦磨損性能、耐腐蝕性能、抗高溫氧化性能等方面也有較多的沉積機(jī)制研究和性能提升研究[9-12]。超聲波沖擊處理(Ultrasonic impact treatment, UIT)是通過換能器將電能轉(zhuǎn)化為一種高頻機(jī)械振動(dòng)(2萬次/秒以上)，直接或者間接地施加在金屬表面使其產(chǎn)生劇烈塑性變形，調(diào)整殘余應(yīng)力場，引進(jìn)有益壓應(yīng)力，消除有害殘余拉應(yīng)力，使焊趾部位的材料得以強(qiáng)化，可細(xì)化金屬表面晶粒組織，消除表層的微小裂紋和熔渣缺陷，大幅度提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。近年來，許多工程應(yīng)用研究者對UIT技術(shù)開展了大量微觀機(jī)制與改性研究[13-17]，利用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量對比驗(yàn)證，結(jié)果表明了UIT技術(shù)能夠消除殘余應(yīng)力、使組織晶粒細(xì)化改善表面質(zhì)量、使材料強(qiáng)化致密、提高抗疲勞性能，并在工程上得到廣泛應(yīng)用。

該文根據(jù)飛機(jī)修理實(shí)際使用材料情況，以高強(qiáng)鋼30CrMnSiNi2A為基體，采用H800鎳基合金(陽極棒)，在相同條件、機(jī)制下微弧火花沉積制作試樣，試驗(yàn)研究超聲波沖擊處理對微弧火花沉積涂層性能的影響。探索MASD+UIT技術(shù)對飛機(jī)零件表面損傷缺陷進(jìn)行修復(fù)的可行性。

1 原理分析

1.1 微弧火花沉積(MASD)

微弧火花沉積熱影響區(qū)較小，工件修復(fù)過程中可保持常溫狀態(tài)或略有溫升，工件基本不變形、不存在咬邊和局部退火現(xiàn)象，屬于無變形修復(fù)，其機(jī)理是一次脈沖放電產(chǎn)生一個(gè)小坑即放電痕，如圖1所示。高溫?zé)嵩磳崃坑呻姌O向內(nèi)部傳遞，表面的溫度最高，若超過材料的沸點(diǎn)，便形成汽化區(qū)。低于其沸點(diǎn)而超過其熔點(diǎn)時(shí)，形成熔化區(qū)。當(dāng)汽化和熔化的部分材料被拋出后，殘留在小坑底部的熔化材料冷凝成凝固層，小坑邊緣形成凸起。凝固層的下方是熱影響區(qū)，熱影響區(qū)的下方是無變化區(qū)。放電痕在微弧火花沉積過程中又會(huì)重熔。事實(shí)上，微弧火花沉積區(qū)是由無數(shù)放電痕相互重疊堆積組成。

圖1 微弧火花沉積放電痕示意圖

1.2 超聲波沖擊處理(UIT)

超聲波沖擊處理(UIT)則是利用高束能推動(dòng)沖擊工具以2 萬次/秒以上的頻率沿微弧火花沉積區(qū)沖擊焊趾部位，由于高束能的高頻、高效和聚焦下的大能量，使金屬表層產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形，在焊趾處產(chǎn)生圓滑的幾何過渡，從而大大降低了焊趾處余高和凹坑造成的應(yīng)力集中，消除了焊趾處表層的微小裂紋和熔渣缺陷，抑制了裂紋的提前萌生。同時(shí)高束能沖擊波改變了原有的應(yīng)力場，產(chǎn)生一定數(shù)值的壓應(yīng)力，并使被沖擊部位得以強(qiáng)化。因此，超聲波沖擊處理(UIT) 能同時(shí)改善影響微弧火花沉積區(qū)幾個(gè)方面的因素，如：焊趾幾何形狀、殘余應(yīng)力、微觀裂紋和熔渣等缺陷、表面強(qiáng)化等。示意圖如圖2所示。

2 試樣制備與試驗(yàn)方法

試樣選定具有代表性的30CrMnSiNi2A高強(qiáng)鋼材料制造，熱處理淬火回火狀態(tài)，抗拉強(qiáng)度1 570～1 810 MPa，微弧火花沉積材料為H800鎳基合金。設(shè)備采用HEMAS-CIDS高能微弧火花—計(jì)算機(jī)集成沉積系統(tǒng)和高束能EPU30超聲波強(qiáng)化設(shè)備。在相同條件、機(jī)制下微弧火花沉積制作試樣，在超聲波沖擊處理前后，對試樣采用拉伸試驗(yàn)、顯微硬度檢測、殘余應(yīng)力檢測、X光檢測、耐蝕性試驗(yàn)和顯微組織觀察等試驗(yàn)方法開展對比分析，研究超聲波沖擊法對微弧火花沉積涂層性能的影響。

2.1 拉伸試樣及硬度試樣制備

抗拉強(qiáng)度試樣制備采用機(jī)械方法加工出帶溝槽的板片如圖3a和圖3b所示，采用微弧火花沉積方法填平溝槽如圖4所示，任意抽取3件作為第1組，不進(jìn)行超聲波沖擊處理；余下3件作為第2組，進(jìn)行超聲波沖擊處理。然后6件試樣按照相同機(jī)械加工方法將厚度方向的母材整體切除，加工成長200 mm，寬12 mm試樣，其中：沉積區(qū)截面為上寬(5.6±0.1) mm，下寬(3.6±0.1) mm，厚度(2.2±0.1) mm。加工后第1組試樣如圖5a所示；加工后第2組試樣如圖5b所示。試樣符合GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)》及GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》的相關(guān)要求。用相同方法處理制作第3組和第4組顯微硬度檢測試樣，試樣符合GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn)》的相關(guān)規(guī)定和要求。

圖3 抗拉強(qiáng)度試樣

圖4 微弧火花沉積填平溝槽的試樣

圖5 加工后第1組和第2組試樣

2.2 殘余應(yīng)力試樣制備

在50 mm×50 mm的30CrMnSiNi2A板片上，采用微弧火花沉積20 mm×20 mm面積、厚0.5 mm試樣6件，任意抽取3件作為第5組，如圖6a所示；余下3件作為第6組，并對第6組3個(gè)試件沉積區(qū)進(jìn)行超聲波沖擊處理，如圖6b所示。利用放大鏡觀察微弧火花沉積表面宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，其表面由無數(shù)密集的涂敷點(diǎn)和放電凹坑所構(gòu)成，表面呈銀灰色，偶爾局部區(qū)域呈淡黃色、外觀呈桔皮狀(圖6a)。當(dāng)采用超聲波沖擊后表面呈銀白色，桔皮狀消除，表面粗糙度大幅降低(圖6b)。

圖6 殘余應(yīng)力檢測試驗(yàn)樣件

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 拉伸試驗(yàn)

采用Instron 5882力學(xué)拉伸機(jī)對第1組和第2組試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1。結(jié)果表明：對沉積區(qū)進(jìn)行超聲波沖擊后，微弧火花沉積強(qiáng)度明顯提高。

表1 試樣抗拉強(qiáng)度 MPa

3.2 硬度試驗(yàn)

采用HMV-2T型顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度檢測。壓頭：金剛石正四棱錐體壓頭，對角136°。試驗(yàn)載荷選擇9.8 N，物鏡到壓頭的轉(zhuǎn)換、試驗(yàn)過程全部自動(dòng)進(jìn)行，壓痕尺寸的測量通過物鏡與光電傳感器組成的測量頭測量后自動(dòng)計(jì)算得到硬度值。以沉積區(qū)寬(5.6±0.1) mm表面為外表面，在距外表面深度每磨去0.1 mm檢測一次硬度，每組3件取平均值，結(jié)果見表2。由表2可知，0～0.4 mm為堆焊區(qū)顯微硬度，0.4～0.5 mm為熱影響區(qū)(高溫回火區(qū))顯微硬度。從顯微硬度實(shí)測值看，對沉積區(qū)進(jìn)行超聲波沖擊后，硬度有所提高。

表2 試樣硬度梯度測試結(jié)果 HV1

3.3 殘余應(yīng)力檢測

對第5組和第6組樣樣按照GB/T 7704—2017 《無損檢測 X射線應(yīng)力測定方法》標(biāo)準(zhǔn)要求制作殘余應(yīng)力檢測試樣。采用XSTRESS—3000型(X射線衍射法)殘余應(yīng)力測定儀對2組試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力的檢測，測試相互垂直的2個(gè)方向(h為磨削加工方向，對應(yīng)XSTRESS—3000中0°方向的測試結(jié)果；z方向?qū)?yīng)XSTRESS—3000中90°方向的測試結(jié)果)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。試驗(yàn)結(jié)果表明：超聲波沖擊前，沉積區(qū)呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力；超聲波沖擊后，沉積區(qū)呈現(xiàn)壓應(yīng)力。

表3 殘余應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù) MPa

3.4 X光檢測

對第5組及第6組完成殘余應(yīng)力檢測的試驗(yàn)樣件進(jìn)行X光檢測。檢測結(jié)果表明：超聲波沖擊后孔隙數(shù)量和孔隙大小均大幅度下降。沉積區(qū)檢測結(jié)果出現(xiàn)孔隙，表明沉積區(qū)有層間夾雜、未熔合等缺陷。疑是在桔皮狀沉積表面上進(jìn)行微弧火花沉積時(shí)，手工操作導(dǎo)致微弧火花沉積放電的不均勻性與不穩(wěn)定性及較高的表面粗糙度造成堆焊層的致密度不均勻所致。采用超聲波沖擊后，孔隙數(shù)量大幅度下降，表明超聲波沖擊能有效擠壓沉積區(qū)的層間孔隙等缺陷空間，提升堆焊層的致密度。

3.5 耐蝕性試驗(yàn)

按GJB 150.11A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第11部分：鹽霧試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)對微弧火花沉積層試樣和沉積層超聲波沖擊試樣開展鹽霧試驗(yàn)。結(jié)果如圖7所示。從圖中可看出，基材30CrMnSiNi2A出現(xiàn)了明顯點(diǎn)蝕，沉積區(qū)(材料H800)鹽霧試驗(yàn)24 h未見腐蝕而呈白亮狀態(tài)(圖7a)；鹽霧試驗(yàn)48 h，基材30CrMnSiNi2A出現(xiàn)了大面積銹蝕，而沉積區(qū)邊緣區(qū)域零星出現(xiàn)點(diǎn)蝕，中間仍然呈白亮狀態(tài)(圖7b)；沉積區(qū)經(jīng)超聲波沖擊處理試樣，鹽霧試驗(yàn)24 h，48 h，均未見腐蝕而呈白亮狀態(tài)(圖7c、圖7d)。說明沉積材料H800的耐蝕性能明顯優(yōu)于30CrMnSiNi2A材料，經(jīng)超聲波沖擊處理后的沉積區(qū)在腐蝕環(huán)境下的抗腐蝕能力有較大提高。

圖7 鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

3.6 顯微組織分析

選取圖6a的微弧火花沉積試樣和圖6b的沉積區(qū)超聲波沖擊后試樣，按照GB/T 3488.1—2014《硬質(zhì)合金 顯微組織的金相測定》的相關(guān)規(guī)定和要求，分別在沉積區(qū)位置取樣制成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，采用Axio. Imger. Alm型蔡司光學(xué)顯微鏡對試樣進(jìn)行顯微組織觀察。顯微組織如圖8所示。經(jīng)對比顯示：孔隙、疏松和局部未熔合等沉積缺陷，未經(jīng)超聲波沖擊處理試樣明顯多于經(jīng)超聲波沖擊處理試樣，且經(jīng)超聲波沖擊處理后的孔隙、疏松和局部未熔合顆粒直徑大幅減小。說明經(jīng)超聲波沖擊處理后，沉積區(qū)域表面發(fā)生了劇烈的塑性變形，表層晶粒得到大幅細(xì)化，并產(chǎn)生了隨機(jī)的晶體學(xué)取向，大幅消除了孔隙、疏松、未熔合等沉積缺陷。

圖8 沉積區(qū)域顯微組織

3.7 應(yīng)用探討

微弧火花沉積為脈沖、不連續(xù)焊接，熱影響區(qū)較小，工件基本不產(chǎn)生變形、不存在咬邊和局部退火現(xiàn)象。試驗(yàn)表明：沉積區(qū)過渡圓弧大小、沉積棒直徑大小及待沉積表面粗糙度，均能夠影響沉積區(qū)抗拉強(qiáng)度。采用超聲波沖擊方法可以有效的改善微弧火花沉積表面強(qiáng)化層的應(yīng)力分布，減少層間孔隙、疏松、未熔合等缺陷，致密沉積涂層，提高沉積區(qū)抗拉強(qiáng)度，但深度有限。最為突出的特點(diǎn)是可以選擇耐腐蝕性能較強(qiáng)的沉積材料修復(fù)飛機(jī)零件局部腐蝕缺陷，同時(shí)通過超聲波沖擊將能大大提高零件抗腐蝕能力。而飛機(jī)零件環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常處在冷熱、潮濕、氣流酸雨環(huán)境中，其零件腐蝕嚴(yán)重，特別是全天候戰(zhàn)斗機(jī)零件腐蝕缺陷的產(chǎn)生尤為突出。因此，在飛機(jī)維修過程中，采用MASD+UIT技術(shù)修復(fù)零件局部腐蝕缺陷，有較大應(yīng)用空間，效果明顯。在處理過程中，要使需要被強(qiáng)化的零件表面都要被沖擊到，且沖擊的密度越大，沖擊的電流越強(qiáng)，表面被強(qiáng)化的效果越好。

4 結(jié)論

(1)對沉積區(qū)進(jìn)行超聲波沖擊后，微弧火花沉積焊接強(qiáng)度將明顯提高。能提高沉積區(qū)抗拉強(qiáng)度，應(yīng)是減少層間孔隙、未熔合等缺陷，消除微弧火花沉積產(chǎn)生的拉應(yīng)力所致。

(2)采用超聲波沖擊方法可以有效的改善微弧火花沉積表面強(qiáng)化層的應(yīng)力分布，消除微弧火花沉積產(chǎn)生的拉應(yīng)力，將表面變成壓應(yīng)力狀態(tài)。但超聲波沖擊方法消除拉應(yīng)力并產(chǎn)生壓應(yīng)力深度有限。

(3)MASD+UIT技術(shù)對飛機(jī)零件表面腐蝕、損傷缺陷進(jìn)行修復(fù)是可行的，由于超聲波沖擊深度有限，對快速運(yùn)轉(zhuǎn)、受沖擊載荷較大且微弧火花沉積修復(fù)深度、體積較大的零件慎用。