中国农业机械化科学研究院表面工程技术研究所      汪瑞军    黄小鸥

   

摘 要  电火花沉积/堆焊技术是先进的节能、节材、环保的表面工程技术之一。本文综述其在金属材料的表面改性，工件表面缺陷的修复以及实现基体材料表面的异种材料堆焊三方面的应用事例，旨在更多地介绍这一实用技术的应用现状，并希望引起更多新领域用户的关注。

 

 

 

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

 

 

作为表面工程技术重要组成的电火花沉积/堆焊技术，以其独特的工艺特点，如强化过程中热输入量低，强化层与基体间冶金结合，容易实现异种材料间的沉积/堆焊，电极材料容易选择等，近年在航空航天、能源、军事、核工业、汽车、电力、医疗、冶金、矿山以及精密机械零部件制造/修复等领域得到快速的推广应用。其创造出的巨大经济效益和社会效益，充分验证电火花沉积/堆焊技术是先进的节能、节材、环保的表面工程技术之一。

电火花沉积/堆焊技术在众多领域的应用，可归类在三大方面：⑴金属材料的表面改性。指对基体材料表面的耐磨、耐热、耐腐蚀、抗疲劳等特性的改变或提高。⑵工件表面缺陷的修复。主要指在精密机械零部件表面的划痕、超差等方面的尺寸恢复。⑶实现基体材料表面的异种材料堆焊。

1．          金属材料的表面改性

金属材料表面改性工艺的应用是近年来表面工程技术的重要发展方向，在节能、节材等方面具有重要意义。电火花沉积/堆焊技术在这一方面已经取得了大量应用实例。

90年代后期，中国农机院表面工程技术研究所研制的大中系列电极旋转式的电火花沉积/堆焊设备在中国大陆得到了应用 ^[1]。利用这一系统将92WC-8Co作为电极材料对铝压铸模具型腔表面强化层改性，大大提高了型腔表面抗铝液热疲劳蠕变的性能^[2]。1999年Carole Reignier在TWI上发表文章，描述应用电火花强化工艺在金属表面制造强化层结果，并也认为这一技术在铝压铸模具制造方面具有广泛应用前景^[3]。

电火花沉积工艺还应用于冷冲模、客车大型模具、金属压印模、弯曲模、塑料模具、铸型模等各种模具的型腔表面改性强化。应用显示，改性强化后的工模具耐用度提高了2倍以上^[4]。

图1、图2是采用电火花沉积工艺表面改性后的工模具图片^[3、4]。

此外,电火花沉积/堆焊工艺在提高拉刀、车刀、钻头、铰刀、拉力试验夹持等工具使用寿命方面也有突出表现，强化后的刀具使用寿命均能提高3倍以上^[4]。

 

 

 

 

 

 

 

 

图1铝压铸模具型腔表面沉积          图2拉延模具型腔表面沉积强化

 

2003年，国内某航空发动机公司与中国农机院表面所合作，采用大中系列电火花堆焊系统在飞机发动机叶片榫槽处（Ti合金）成功制造高可靠性耐微动磨损的强化层，大大提高发动机叶片的使用寿命^[5]。

在核反应堆建设中，美国哈佛工程开发实验室的Johnson等人利用电火花沉积工艺对快中子增殖反应堆的关键部件表面改性强化，改善部件表面的耐磨性、耐腐蚀性，并有效减少放射性核物质扩散^[6]。

冶金行业中，轧辊的主要失效形式是磨损。文献[7]的研究表明，采用电火花工艺对其表面强化后，寿命显著提高，并可消除轧制金属打滑，降低轧辊－金属板材间的粘连磨损。

纺织工业中的梳棉机针，为使其针尖有高硬度与低摩擦系数，通常采用的火焰淬火工艺效果不好，成本还高，采用电火花强化硬质合金后，产品的使用寿命大大提高^[8]。

金属材料在高温、氧－硫环境中的腐蚀是许多行业工业生产中头痛的难点问题。采用电火花强化适当的材料，可大大减少材料剥蚀，延长使用寿命，被保护的材料包括低合金钢、不锈钢、钛合金等^[9]。

文献[10]还报导了电火花沉积/堆焊工艺在医疗器械表面改性和应用的成功实例。

2．          精密机械零部件表面的尺寸恢复（修复）

电火花沉积/堆焊工艺以其携带方便，可现场操作，不必拆卸大型机械；因热输入极低而消除变形、气孔、皱缩和内应力问题；基体不需事前和事后热处理；基体与堆焊层间产生扩散层，连接优异；可选用 Ar、He等惰性气体保护使沉积/堆焊层厚且质量好；沉积/堆焊层的终加工余量小，节约后加工成本；沉积/堆焊工艺可逆和不产生有毒气体、液体，或讨厌的气味与噪音等特点使其有别与其他工艺。

表1对电火花沉积/堆焊工艺与其他工艺的特点及运行成本作了比较^[11]。

表1 电火花沉积/堆焊工艺与其他工艺特点的比较^[11]

（最佳、适合或最便宜:5← →1:最差、不适合或最贵）

 

文献[12]通过对不同工艺在工模具修复中的应用比较，对几种工艺的其他特点作了对比，见表2。

表2  电火花沉积/堆焊工艺与其他工艺的特点比较^[12]

 

电火花沉积/堆焊修复工艺还应用于海军舰船的舰载系统零部件修复，如方向舵、潜水板等。一旦这些液压驱动装置损坏，则必须取下并在岸上修复后装回到船上。美国MTTC和 NSWC/CD利用电火花沉积/堆焊工艺在线修复，能节省至少75%修复时间，每年可为美国海军节省大量费用美元^[13]。

核反应堆中，304不锈钢阀门导轨与阀门座之间产生的磨屑，使阀门座磨损造成泄漏。采用Cr₃C₂-15%Ni作为电极材料堆焊修复阀门座后，该问题得到解决^[14]。

采用电火花堆焊工艺首次成功修复电厂30万kw发电机组轴径密封段磨损面^[15]，解决了此类部件损坏后不能焊接修复，刷镀层性能差，喷涂结合强度不达标等技术难题。先后有甘肃、广东、黑龙江、山东、山西、云南等地的大中型电厂成功修复同类产品120余件。图3是修复现场及修复后的30万kw发电机组轴径密封段^[15]。

 

 

（a）修复现场                         （b）修复后

图3  30万kw发电机组轴径密封段修复现场

电火花沉积/堆焊技术在电厂的应用面非常广，汽轮机壳体（铸铁材料）由于长时间受高温、高压气体的冲蚀，极易产生冲刷痕迹，造成高温、高压气体外泄事故。采用电火花堆焊工艺将 Ni基材料堆焊在冲刷痕的上方，能够有效解决这一问题^[1]。另外，电火花堆焊设备的便携以及热输入量小等特点在解决电厂大型设备表面缺陷修复中发挥了积极作用。图4是电火花强化设备在电厂关键设备的应用实例。

 

 

（a）汽轮机叶片表面强化            （b）热网循环泵主轴尺寸恢复

图4   电火花沉积/堆焊工艺在电厂中的应用

精密机械零部件表面的镀Cr层破损后，采用熔化焊接工艺很难达到满意的堆焊修复效果，利用电火花堆焊工艺在缺陷处堆焊Ni基材料，不仅可以恢复缺陷尺寸，极低的热输入量也不会使堆焊边缘的镀Cr层剥离^[4]。

针对有色金属材料精密机械零部件的修复，是电火花堆焊工艺应用的另一大优势，图5是有色金属零件的电火花堆焊修复实例^[11]。

      

   

（a）铜质五金铸件缺陷修复           （b）铝合金铸件的表面修复

图5  有色金属零件的电火花堆焊修复实例

利用电火花沉积/堆焊系统可实现不同熔点金属间冶金结合的特点，在发动机附件燃烧室与外环道气道表面沉积WC-Co材料，解决了其在高速运行中金属粘着磨损的问题^[16]。

表面镀Cr的液压支柱件表面层破损后，采用熔化焊接工艺堆焊修复很难达到满意效果，利用电火花堆焊工艺在缺陷处堆焊NiCr合金材料，不仅可以恢复缺陷尺寸，极低的热输入量也不会影响堆焊边缘的镀Cr层性能。

但是，如果电极材料与基体材料搭配不合适，沉积/堆焊层则不能与基体形成牢固的冶金结合，文献[17]研究了在Cu基体上沉积TiB₂的界面情况，结果显示，沉积层与Cu基体之间不能形成冶金结合，且沉积层相对于在钢基体上沉积层的厚度很不均匀。这是由于TiB₂在铜基体上的润湿性很差和沉积层与基体之间的热膨胀系数差别较大而造成的。图6为沉积层与基体之间的元素面分布图照片，可见交界线很清楚，连接很不紧密，并没有合金元素与基体元素之间的扩散。

     

 

图6  Ti、Cu元素的面分布结果

作为一项正在快速发展推广的实用技术，电火化沉积/堆焊工艺仍存在一些没能解决问题，如沉积层厚度能否更后一些，表面粗糙度能否更小一些；另外，生产效率及工艺的稳定性、可靠性还有待提高等。而这些问题的存在与设备、材料，特别与电火花沉积堆焊过程的机理研究是直接相连的。这些问题的存在也在很多方面限制了该技术的应用范围。因此建议在以下几方面作进一步的工作：

1）对电火花沉积/堆焊过程中的放电机理进一步深入研究。实验表明，在火花放电过程中，放电能量在阴、阳极的分配受到电极材料、放电环境等诸多因素的影响，而能量的分配又会影响电极材料的电蚀状况，从而影响电极材料的转移系数及单个火花中转移的电极材料量，进而对涂层厚度和表面质量产生重要影响。

2)   要研制具有较大功率的新型设备。此外，需进一步提高电火花沉积堆焊系统的自动化水平，以提高沉积效率及工作的稳定性和可靠性。

相信随着我国科学技术与工业生产的快速发展，电火花沉积堆焊工艺必将发挥越来越重要的作用。