电火花表面熔覆技术的研究及应用

2013-08-15李静瑞张瑞珠

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2013年2期

李静瑞，罗斌，肖明，张瑞珠

（1．华北水利水电学院机械学院，河南郑州 450045;2．河南济源小浪底水力发电厂，河南济源 459017）

随着现代工业对各种装备零部件的工作性能和质量的要求越来越高，尤其一些大型关键设备如水轮机、汽轮机、燃气机及航空发动机等经常在高速、高压、重载等各种恶劣条件下工作，若要保证其正常运行，零部件必须满足寿命长、可靠性好、表面性能高的要求．零部件表面的摩擦磨损、腐蚀和疲劳裂纹等破坏将影响整个装备的安全运行．为了提高零部件的耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，学者们从物理、化学和机械等各个方面进行了研究，包括研制新型的合金材料、改善工件运行条件、规定合理的工艺规程等．

电火花表面熔覆技术是介入焊接、喷镀或元素渗入等工艺特点为一体的新型实用电火花沉积技术，利用电火花沉积（Electro-spark Deposition，简称ESD）设备把电极材料沉积到某种基体材料上来获得力学性能和化学性能远超过基体材料表面质量的熔覆层，提高设备的稳定性和可靠性，进而延长设备的使用寿命．电火花表面熔覆技术不仅能显著改善零部件的表面性能，如硬度、耐磨性和抗腐蚀性，与其他表面技术（如热喷涂、热喷焊、表面渗氮、激光表面熔覆等）［1－2］相比较，还具有如下优点［3－7］：设备简单，携带方便;用途广，沉积对象不受零部件形状限制，一般几何形状的平面或曲面都可以进行处理，也可对零部件表面实施局部熔覆;热输入量小，不会使工件退火或变形;熔覆层与基体冶金结合，结合强度高，不易脱落．

1 电火花表面熔覆技术的原理

电火花表面熔覆技术是将电源存储的高能量电能以10～2 000 Hz的频率在电极与基体材料之间瞬间释放，通过电极材料与基体材料间的空气电离，形成通道，电极材料与基体接触瞬间形成中心温度高达10 000℃的局部高温，使基体表面产生瞬时高温、高压微区，同时该区域内离子态的电极材料和基体材料的各种组成元素的原子相互融渗、扩散和重新合金化，形成冶金结合型牢固熔覆层．研究表明，经过电火花熔覆处理的基体表层形成的熔覆层主要由白亮层、过渡层和热影响区构成，熔覆层组织细密，具有较高的硬度、耐磨性和较好的抗腐蚀性［1－4］．

2 电火花表面熔覆技术研究现状

早在19世纪初，人们就发现了电腐蚀放电现象，但由于对其认识不足，直到20世纪40年代，前苏联学者首次将电腐蚀原理运用到生产加工制造领域，人们才开始研究利用电腐蚀对金属材料进行加工和利用．

国内外许多学者针对电火花表面熔覆理论进行了研究，但随着研究的深入，各国研究人员对这一新技术持不同看法．国内学者多数认为，电火花表面熔覆是直接利用电源存储的高能量，通过火花放电，使电极材料熔渗到基体表面，形成特殊性质的合金层［7－8］．显然，他们认为电火花表面熔覆的本质是火花放电．还有部分学者认为电火花表面熔覆是利用电容放电产生的短时、低电压、大电流脉冲，促成高温等离子弧，将电极材料通过原子重新合金化扩散到基体表面的一种脉冲电弧微焊接技术［7，9－10］．他们认为电火花表面熔覆实质是微弧焊接．持这种观点的国外研究人员居多．经调查，第二种观点正在被越来越多的人认可．但就目前为止，有关电火花表面熔覆的实质性争议仍在延续，所以，着重研究电火花表面熔覆放电机理确定电火花表面熔覆的实质仍然是电火花研究的热点．

针对电火花表面熔覆放电机理，各国研究人员持两种不同的看法：一是非接触放电原理;二是接触放电原理．不得不指明的是，这两种观点皆是在电火花放电机理的基础上进行的诠释，而从其他方向来论述电火花表面熔覆放电机理，目前还是一片空白［10］．

非接触放电认为：在电极与基体尚未接触时刻发生了火花放电．当电极靠近工件时，脉冲电压加到两极之间，当满足某一放电间隙时，电场强度击穿间隙产生火花放电．但也有学者认为，电容器是通过接触点释放电能产生火花放电的，即电极只有在接触的情况下才产生火花放电，故提出接触放电的说法．接触放电理论认为：当电极接近工件直至接触的瞬间，在接触点产生巨大的放电电流，当电流密度很高时，焦耳热使接触部分的材料急剧升温，瞬时熔化或气化，引发爆炸性的火花放电．从接触放电的熔覆过程中可以看出：电极与工件接触是产生火花放电的前提条件［2，8－10］．

就目前为止，对电火花的理论研究还不充分，还没有形成一套系统完整的理论体系，还有待进一步的研究．

3 电火花表面熔覆技术的应用

电火花表面熔覆技术以它独特的工艺特点和性能优势在航空航天、军事、核能、冶金、机械、汽车等众多领域中得到广泛的应用，近几年来在水利水电行业也得到了快速发展．电火花表面熔覆技术最重要的性能优势就是涂层与基体冶金结合，结合强度高，涂层不易脱落．选用WC系列硬质合金作为电极材料，得到的涂层表面硬度最高可达1 700 HV以上，大大提高了机件的耐磨蚀性能;又因其设备简单，没有苛刻的熔覆环境要求，可以到现场进行在线操作，所以决定了电火花表面熔覆技术在不易拆卸、搬运的大型工件上的应用前景较好．

3．1 在水利水电行业中的应用

由于我国的特殊地域条件，如河流落差大、泥沙含量高等这些恶劣的工况条件使水利过流部件的磨损和空蚀破坏十分严重．电火花表面熔覆涂层以其优异性能可有效解决水利过流部件金属表面的耐磨蚀问题．

2000年10月，利用电火花表面熔覆技术在一个直径500 mm的水轮发电机不锈钢转轮上表面熔覆一层WC硬质合金涂层，涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性都较基体有很大提高，原本使用寿命为一个雨季的转轮，经电火花表面熔覆技术修复后使用了近4 a还没有报废，其寿命显著提高［1］．

云南大盈江水电站因其水源大盈江地理位置特殊，大盈江支流和盈江盆地边缘地带滑坡、泥石流密集，水土流失严重，河流含沙量大，所以水电厂的水轮机长期遭受泥沙磨蚀的危害，水轮机的磨蚀严重．采用电火花表面熔覆技术对其磨损部位进行修复后，水轮机的使用寿命提高了4～5倍［11］．

三门峡水电站是我国泥沙含量最高的黄河上兴建的第一个水电站，也是世界上水轮机过流部件含沙量最高的水电站之一．黄河三门峡河段的多年平均含沙量高达37．6 kg/m3，汛期平均过机泥沙为17．3 kg/m3，近几年实测过机泥沙为25 kg/m3左右，实测最大过机泥沙达1 200 kg/m3．因此，水轮机过流部件的磨蚀非常严重．经电火花表面熔覆技术修复后，水轮机可重新投入使用，其耐磨性、耐蚀性得到显著提高，延长了其寿命，并且获得了很大的经济效益．

新疆阿克苏塔尕克水电站的水轮机过流部件长期受冰川和泥沙的冲蚀，水轮机转轮（包括叶片、上冠、下环）以及转轮上下止环，汛期运行2个月就出现了严重的磨损，危及机组运行安全．在磨损部位表面熔覆一层WC－8Co陶瓷硬质合金涂层，修复后的过流部件具有较高的硬度和强度及良好的耐磨性和冲击韧性．

3．2 在模具中的应用

在大规模生产中，模具是生产环节中必不可少的关键零部件，在频繁使用过程中模具经常遭到不同程度的破坏．模具一旦遭到破坏，其几何尺寸难免会有偏差，进而影响生产质量．采用电火花表面熔覆技术在模具易磨损部位涂覆一层WC系硬质合金涂层，可显著改善模具的表面性能，延长其使用寿命，提高生产效率，节约成本．

某多缸发动机曲轴的热锻模采用5CrMnMo制造，使用一段时间后，锻模的毛边槽桥部磨损严重，生产出的锻件质量不达标．经过电火花表面熔覆技术修复后，该锻模可重新投入使用，且生产出的锻件达到了技术要求［12］．

某厂使用的一副扼流圈山字形铁芯冲裁模，长期使用导致凸、凹模配合间隙增大，冲裁出的零部件毛刺严重超标，个别地方还出现了拉断现象，此模已处于报废阶段．采用YG8作为电极材料，经电火花表面熔覆技术修复后，刃口处平均硬度值为70 HRC，可重新投入使用，且修复后冲裁7万多件，模具表面仍完好无损［12］．

某厂使用的第一道冲裁模在冲裁10 000次左右时损坏严重，以YG8硬质合金为电极材料采用电火花表面熔覆技术对其进行修复．修复后的模具表面硬度值高达72 HRC，可冲裁25 000次以上，其寿命提高了1．5 倍［13］．

3．3 在冶金行业中的应用

冶金行业中使用的轧辊等钢结构件极易受到磨粒磨损而发生剥落，最终导致轧辊失效报废，资源消耗严重．王建升［14］利用电火花表面熔覆技术对轧辊表面涂覆一层纳米结构涂层，涂层的相对耐磨性比轧辊基体提高了2．7倍，进而延长了其使用寿命．

安钢第二轧钢厂77 t大型支承辊因润滑不充分，造成辊颈多处严重烧损，无法正常使用，而大型支承辊制造周期长，新购一支支承辊又将花费600万元，耗资巨大．采用电火花表面熔覆技术对辊颈进行表面熔覆涂层修复，历时45 d，仅花费11万元就对支承辊损伤部位全部修复成功．经试验，修复后的支承辊和正常辊一样，可以重新投入生产［15］．这一技术不仅解决了二轧厂的燃眉之急，而且大大降低了其生产成本，提高了经济效益，为大型锻钢支承辊辊颈修复提供了一种经济实用的新方案．

4 电火花表面熔覆技术发展中面临的问题及其研究方向

自20世纪50年代起，电火花表面熔覆技术已逐渐成为表面处理工艺的重要技术手段之一，在生产加工制造领域中也占据着越来越重要的位置．但由于对电火花的理论研究尚不充分，还没有一套系统完整的理论作为指导，因此还需要进一步完善．目前电火花表面熔覆技术面临的问题主要有：骤冷骤热的过程使熔覆层内部存在热应力，长时间熔覆会使熔覆层产生热疲劳，当应力和疲劳累积到一定程度致使熔覆层碎裂和部分脱落，并且长时间熔覆使熔覆层与电极间的元素趋于平衡，扩散现象将在同种元素中进行，熔覆速率降低，因此熔覆层厚度具有一定的限度，一般较薄［16］;熔覆过程中产生的高能量使局部高温高压微区的基体材料熔化形成熔滴，冷却后成圆盘状凹坑，无数熔坑和熔覆点的重熔叠加构成无方向的桔皮表面，故其表面粗糙度较大［9］;电火花熔覆操作为手工操作，虽上手很快，但熔覆层的质量跟操作人员的技术有很大关系，熔覆工艺的稳定性、可靠性不易把握，生产效率也较低．这些都极大地限制了电火花表面熔覆技术的推广和应用，因此提出以后的重点研究方向．

1）多角度、多方位研究熔覆机理，建立模型模拟熔覆过程，进而发现改善熔覆层质量、提高熔覆效率的有效方法．

2）同一工件表面，采用多种电极材料进行实验，通过实验研究不同电极材料的熔覆规律，寻找工件的最优熔覆工艺参数;合理选择、适当控制各熔覆参数来获得最佳熔覆效果．

3）电火花表面熔覆工艺与其他技术相结合，比如电火花加工与离子体电解结合能够使其在较低的放电电压下进行，可以提高沉积效率，加大熔覆层厚度，其表面硬度和耐磨性也较好;与离子束结合可以在提高表面硬度的同时提高其耐磨性能［17］等，为电火花表面熔覆技术提供了广阔的发展空间．

4）开发研制出先进的电火花表面熔覆设备，提高涂覆效率，改善熔覆质量，使电火花表面熔覆技术走向高效化、机械化和自动化．

5）扩大应用领域．

5 结语

电火花表面熔覆技术凭借其特殊的强化效果和独特的实用价值，在未来的发展空间很广，尤其是在机械制造业和材料表面改性领域中具有广阔的应用前景．但由于对其理论研究不足以及其技术上的局限性，又阻碍了其在实际生产中的推广应用．为了有效解决这一问题，各国学者都做出了大量研究工作，随着研究的深入以及表面技术的快速发展，将电火花表面熔覆技术与其他表面改性技术以及数字化信息技术相结合成为了电火花研究方向的新动态，为电火花表面熔覆技术提供了更加广阔的发展空间．

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