電火花沉積/堆焊技術(shù)的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀
中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院表面工程技術(shù)研究所 汪瑞軍 黃小鷗
摘 要 電火花沉積/堆焊技術(shù)是先進的節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的表面工程技術(shù)之一。本文綜述其在金屬材料的表面改性，工件表面缺陷的修復(fù)以及實現(xiàn)基體材料表面的異種材料堆焊三方面的應(yīng)用事例，旨在更多地介紹這一實用技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并希望引起更多新領(lǐng)域用戶的關(guān)注。
關(guān)鍵詞 電火花沉積 電火花堆焊 實用技術(shù) 應(yīng)用
Application status of electrospark deposition/welding technology
Surface Engineering Technology Institute of CAAMS Wang Ruijun, Huang Xiaoou
Abstract Electrospark deposition/welding technology is one of the Surface engineering technologies which are saving energy sources, saving material and protective environment. This paper made a summary of application examples of surface amendatory performance in metal material, the rehab of substrate surface and realization of disparate material welding on substrate material surface at three aspects. It aimed at introducing the application actuality of this applied technology, and expecting to arise attention of most users in new fields.
Key word: electrospark deposition electrospark welding application
0 前言
作為表面工程技術(shù)重要組成的電火花沉積/堆焊技術(shù)，以其獨特的工藝特點，如強化過程中熱輸入量低，強化層與基體間冶金結(jié)合，容易實現(xiàn)異種材料間的沉積/堆焊，電極材料容易選擇等，近年在航空航天、能源、軍事、核工業(yè)、汽車、電力、醫(yī)療、冶金、礦山以及精密機械零部件制造/修復(fù)等領(lǐng)域得到快速的推廣應(yīng)用。其創(chuàng)造出的巨大經(jīng)濟效益和社會效益，充分驗證電火花沉積/堆焊技術(shù)是先進的節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的表面工程技術(shù)之一。
電火花沉積/堆焊技術(shù)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用，可歸類在三大方面：⑴金屬材料的表面改性。指對基體材料表面的耐磨、耐熱、耐腐蝕、抗疲勞等特性的改變或提高。⑵工件表面缺陷的修復(fù)。主要指在精密機械零部件表面的劃痕、超差等方面的尺寸恢復(fù)。⑶實現(xiàn)基體材料表面的異種材料堆焊。
1． 金屬材料的表面改性
金屬材料表面改性工藝的應(yīng)用是近年來表面工程技術(shù)的重要發(fā)展方向，在節(jié)能、節(jié)材等方面具有重要意義。電火花沉積/堆焊技術(shù)在這一方面已經(jīng)取得了大量應(yīng)用實例。
90年代后期，中國農(nóng)機院表面工程技術(shù)研究所研制的大中系列電極旋轉(zhuǎn)式的電火花沉積/堆焊設(shè)備在中國大陸得到了應(yīng)用 [1]。利用這一系統(tǒng)將92WC-8Co作為電極材料對鋁壓鑄模具型腔表面強化層改性，大大提高了型腔表面抗鋁液熱疲勞蠕變的性能[2]。1999年Carole Reignier在TWI上發(fā)表文章，描述應(yīng)用電火花強化工藝在金屬表面制造強化層結(jié)果，并也認為這一技術(shù)在鋁壓鑄模具制造方面具有廣泛應(yīng)用前景[3]。
電火花沉積工藝還應(yīng)用于冷沖模、客車大型模具、金屬壓印模、彎曲模、塑料模具、鑄型模等各種模具的型腔表面改性強化。應(yīng)用顯示，改性強化后的工模具耐用度提高了2倍以上[4]。
圖1、圖2是采用電火花沉積工藝表面改性后的工模具圖片[3、4]。
此外,電火花沉積/堆焊工藝在提高拉刀、車刀、鉆頭、鉸刀、拉力試驗夾持等工具使用壽命方面也有突出表現(xiàn)，強化后的刀具使用壽命均能提高3倍以上[4]。
圖1鋁壓鑄模具型腔表面沉積 圖2拉延模具型腔表面沉積強化
2003年，國內(nèi)某航空發(fā)動機公司與中國農(nóng)機院表面所合作，采用大中系列電火花堆焊系統(tǒng)在飛機發(fā)動機葉片榫槽處（Ti合金）成功制造高可靠性耐微動磨損的強化層，大大提高發(fā)動機葉片的使用壽命[5]。
在核反應(yīng)堆建設(shè)中，美國哈佛工程開發(fā)實驗室的Johnson等人利用電火花沉積工藝對快中子增殖反應(yīng)堆的關(guān)鍵部件表面改性強化，改善部件表面的耐磨性、耐腐蝕性，并有效減少放射性核物質(zhì)擴散[6]。
冶金行業(yè)中，軋輥的主要失效形式是磨損。文獻[7]的研究表明，采用電火花工藝對其表面強化后，壽命顯著提高，并可消除軋制金屬打滑，降低軋輥－金屬板材間的粘連磨損。
紡織工業(yè)中的梳棉機針，為使其針尖有高硬度與低摩擦系數(shù)，通常采用的火焰淬火工藝效果不好，成本還高，采用電火花強化硬質(zhì)合金后，產(chǎn)品的使用壽命大大提高[8]。
金屬材料在高溫、氧－硫環(huán)境中的腐蝕是許多行業(yè)工業(yè)生產(chǎn)中頭痛的難點問題。采用電火花強化適當?shù)牟牧希纱蟠鬁p少材料剝蝕，延長使用壽命，被保護的材料包括低合金鋼、不銹鋼、鈦合金等[9]。
文獻[10]還報導(dǎo)了電火花沉積/堆焊工藝在醫(yī)療器械表面改性和應(yīng)用的成功實例。
2． 精密機械零部件表面的尺寸恢復(fù)（修復(fù)）
電火花沉積/堆焊工藝以其攜帶方便，可現(xiàn)場操作，不必拆卸大型機械；因熱輸入極低而消除變形、氣孔、皺縮和內(nèi)應(yīng)力問題；基體不需事前和事后熱處理；基體與堆焊層間產(chǎn)生擴散層，連接優(yōu)異；可選用 Ar、He等惰性氣體保護使沉積/堆焊層厚且質(zhì)量好；沉積/堆焊層的終加工余量小，節(jié)約后加工成本；沉積/堆焊工藝可逆和不產(chǎn)生有毒氣體、液體，或討厭的氣味與噪音等特點使其有別與其他工藝。
表1對電火花沉積/堆焊工藝與其他工藝的特點及運行成本作了比較[11]。
表1 電火花沉積/堆焊工藝與其他工藝特點的比較[11]
|
方法條目 |
電火花沉積/堆焊 |
鍍鉻 |
熱噴涂 |
CVD和
PVD |
TD工藝
（鹽浴） |
氮化 |
焊接 |
|
操作 |
5 |
1 |
3 |
1 |
1 |
1 |
3 |
|
熱輸入 |
5 |
5 |
3 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
結(jié)合 |
5 |
1 |
2 |
3 |
5 |
5 |
5 |
|
現(xiàn)場工作 |
5 |
1 |
3 |
1 |
1 |
1 |
5 |
|
地區(qū)限制 |
5 |
6 |
4 |
2 |
1 |
1 |
5 |
|
堆焊 |
4 |
2 |
5 |
1 |
1 |
1 |
5 |
|
投資 |
5 |
1 |
3 |
1 |
1 |
1 |
5 |
|
處理費用 |
5 |
5 |
3 |
1 |
1 |
4 |
5 |
（最佳、適合或最便宜:5← →1:最差、不適合或最貴）
文獻[12]通過對不同工藝在工模具修復(fù)中的應(yīng)用比較，對幾種工藝的其他特點作了對比，見表2。
表2 電火花沉積/堆焊工藝與其他工藝的特點比較[12]
|
工藝 |
預(yù)熱 |
變形 |
強化
厚度
（mm） |
厚度控制 |
氣孔 |
后續(xù)加工 |
強化速度 |
結(jié)合強度 |
|
電火花 |
不 |
小 |
＜1 |
易 |
少 |
易 |
中 |
高 |
|
電刷鍍 |
不 |
小 |
＜0.5 |
易 |
中 |
中 |
慢 |
低 |
|
氬弧焊 |
要 |
大 |
﹥1 |
難 |
強 |
難 |
快 |
高 |
電火花沉積/堆焊修復(fù)工藝還應(yīng)用于海軍艦船的艦載系統(tǒng)零部件修復(fù)，如方向舵、潛水板等。一旦這些液壓驅(qū)動裝置損壞，則必須取下并在岸上修復(fù)后裝回到船上。美國MTTC和 NSWC/CD利用電火花沉積/堆焊工藝在線修復(fù)，能節(jié)省至少75%修復(fù)時間，每年可為美國海軍節(jié)省大量費用美元[13]。
核反應(yīng)堆中，304不銹鋼閥門導(dǎo)軌與閥門座之間產(chǎn)生的磨屑，使閥門座磨損造成泄漏。采用Cr3C2-15%Ni作為電極材料堆焊修復(fù)閥門座后，該問題得到解決[14]。
采用電火花堆焊工藝首次成功修復(fù)電廠30萬kw發(fā)電機組軸徑密封段磨損面[15]，解決了此類部件損壞后不能焊接修復(fù)，刷鍍層性能差，噴涂結(jié)合強度不達標等技術(shù)難題。先后有甘肅、廣東、黑龍江、山東、山西、云南等地的大中型電廠成功修復(fù)同類產(chǎn)品120余件。圖3是修復(fù)現(xiàn)場及修復(fù)后的30萬kw發(fā)電機組軸徑密封段[15]。
（a）修復(fù)現(xiàn)場 （b）修復(fù)后
圖3 30萬kw發(fā)電機組軸徑密封段修復(fù)現(xiàn)場
電火花沉積/堆焊技術(shù)在電廠的應(yīng)用面非常廣，汽輪機殼體（鑄鐵材料）由于長時間受高溫、高壓氣體的沖蝕，極易產(chǎn)生沖刷痕跡，造成高溫、高壓氣體外泄事故。采用電火花堆焊工藝將 Ni基材料堆焊在沖刷痕的上方，能夠有效解決這一問題[1]。另外，電火花堆焊設(shè)備的便攜以及熱輸入量小等特點在解決電廠大型設(shè)備表面缺陷修復(fù)中發(fā)揮了積極作用。圖4是電火花強化設(shè)備在電廠關(guān)鍵設(shè)備的應(yīng)用實例。
（a）汽輪機葉片表面強化 （b）熱網(wǎng)循環(huán)泵主軸尺寸恢復(fù)
圖4 電火花沉積/堆焊工藝在電廠中的應(yīng)用
精密機械零部件表面的鍍Cr層破損后，采用熔化焊接工藝很難達到滿意的堆焊修復(fù)效果，利用電火花堆焊工藝在缺陷處堆焊Ni基材料，不僅可以恢復(fù)缺陷尺寸，極低的熱輸入量也不會使堆焊邊緣的鍍Cr層剝離[4]。
針對有色金屬材料精密機械零部件的修復(fù)，是電火花堆焊工藝應(yīng)用的另一大優(yōu)勢，圖5是有色金屬零件的電火花堆焊修復(fù)實例[11]。
（a）銅質(zhì)五金鑄件缺陷修復(fù) （b）鋁合金鑄件的表面修復(fù)
圖5 有色金屬零件的電火花堆焊修復(fù)實例
3． 材料表面的異種材料堆焊
利用電火花沉積/堆焊系統(tǒng)可實現(xiàn)不同熔點金屬間冶金結(jié)合的特點，在發(fā)動機附件燃燒室與外環(huán)道氣道表面沉積WC-Co材料，解決了其在高速運行中金屬粘著磨損的問題[16]。
表面鍍Cr的液壓支柱件表面層破損后，采用熔化焊接工藝堆焊修復(fù)很難達到滿意效果，利用電火花堆焊工藝在缺陷處堆焊NiCr合金材料，不僅可以恢復(fù)缺陷尺寸，極低的熱輸入量也不會影響堆焊邊緣的鍍Cr層性能。
但是，如果電極材料與基體材料搭配不合適，沉積/堆焊層則不能與基體形成牢固的冶金結(jié)合，文獻[17]研究了在Cu基體上沉積TiB2的界面情況，結(jié)果顯示，沉積層與Cu基體之間不能形成冶金結(jié)合，且沉積層相對于在鋼基體上沉積層的厚度很不均勻。這是由于TiB2在銅基體上的潤濕性很差和沉積層與基體之間的熱膨脹系數(shù)差別較大而造成的。圖6為沉積層與基體之間的元素面分布圖照片，可見交界線很清楚，連接很不緊密，并沒有合金元素與基體元素之間的擴散。
圖6 Ti、Cu元素的面分布結(jié)果
4． 問題與前景
作為一項正在快速發(fā)展推廣的實用技術(shù)，電火化沉積/堆焊工藝仍存在一些沒能解決問題，如沉積層厚度能否更后一些，表面粗糙度能否更小一些；另外，生產(chǎn)效率及工藝的穩(wěn)定性、可靠性還有待提高等。而這些問題的存在與設(shè)備、材料，特別與電火花沉積堆焊過程的機理研究是直接相連的。這些問題的存在也在很多方面限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。因此建議在以下幾方面作進一步的工作：
1）對電火花沉積/堆焊過程中的放電機理進一步深入研究。實驗表明，在火花放電過程中，放電能量在陰、陽極的分配受到電極材料、放電環(huán)境等諸多因素的影響，而能量的分配又會影響電極材料的電蝕狀況，從而影響電極材料的轉(zhuǎn)移系數(shù)及單個火花中轉(zhuǎn)移的電極材料量，進而對涂層厚度和表面質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。
2) 要研制具有較大功率的新型設(shè)備。此外，需進一步提高電火花沉積堆焊系統(tǒng)的自動化水平，以提高沉積效率及工作的穩(wěn)定性和可靠性。
相信隨著我國科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，電火花沉積堆焊工藝必將發(fā)揮越來越重要的作用。
參考文獻 (略)
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