電火花沉積電極材料過渡機(jī)制及規(guī)律

徐安陽 王曉明 朱 勝 韓國峰 趙 陽 郭迎春

1.陸軍裝甲兵學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，1000722.中國人民解放軍32180部隊(duì)，北京，100000

0 引言

電火花沉積技術(shù)(electro spark deposition, ESD)是電火花加工技術(shù)的一種，利用電火花放電熱熔化電極材料，過渡沉積到工件表面，并與熔融的工件表面材料發(fā)生冶金結(jié)合，形成了一層合金沉積層[1]。由于電火花沉積具有能量集中、輸入熱量小、熱影響區(qū)小、沉積材料與基體結(jié)合強(qiáng)度高和工件無變形等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于零件修復(fù)、再制造，表面強(qiáng)化等眾多方面，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但是由于電火花沉積過程的不確定性，沉積層內(nèi)部和表面存在較多的孔隙、微裂紋等缺陷。

為此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電火花沉積過程及沉積過渡規(guī)律進(jìn)行了較為深入的研究。高玉新等[2]研究表明,電極材料有氣化、液態(tài)濺射和氧化三種損失形式，隨著沉積層厚度的增加，基材對(duì)涂層的稀釋越來越小。汪瑞軍等[3-4]研究表明，兩極之間發(fā)生了“陽極粘連”，電極與工件發(fā)生接觸是產(chǎn)生粘連層的重要因素。何鵬等[5]研究發(fā)現(xiàn)粘連在陽極表面的合金化金屬層是多層結(jié)構(gòu)，且隨時(shí)間增加而加重，兩極間的質(zhì)量過渡是一種混合的冶金過程。王令雙等[6]采用電火花沉積技術(shù)在GH4169合金上制備不同鋁含量的NiCrAlY涂層，厚度約為45 μm。李福海等[7]以部分燒結(jié)的WC-Co硬質(zhì)合金為電極，采用電火花沉積的方法在H13鋼基體表面制備了WC-Co沉積層，厚度超過30 μm，硬度超1330HV。魏國[8]研究表明，用短脈沖小功率沉積和較小的潤濕角電極，相關(guān)聯(lián)時(shí)序控制開關(guān)電源能有效提高沉積層的質(zhì)量。亓利偉等[9]對(duì)放電通道的波動(dòng)特性研究表明，放電通道的波動(dòng)可以分解為縱波和橫波兩個(gè)分量，根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)，得出短、長脈沖加工時(shí)瞬時(shí)放電通道半徑、放電通道位形半徑以及最終放電痕半徑三者之間的關(guān)系。何春華等[10]研究表明，隨著工具電極電阻提高，放電電流峰值逐漸降低，脈沖放電時(shí)間增加，放電能量減小，放電凹坑直徑逐漸降低。楊飛等[11]提出了一種雙極性通用型電火花加工脈沖電源，保證加工過程中單次放電能量的一致性。

對(duì)于電火花沉積TiN強(qiáng)化涂層，國內(nèi)外做了大量研究[12-16]，以鈦材料電極等在工件表面利用電火花沉積(包括氬弧熔覆)合成TiN涂層，能夠獲得硬度高、耐磨性能和耐腐蝕性能較好的TiN強(qiáng)化涂層，改善工件表面性能。

雖然前人對(duì)電極材料的過渡規(guī)律進(jìn)行了比較深入的研究，但是其過渡規(guī)律、沉積形態(tài)等都較為模糊，特別是電極材料的過渡形態(tài)、質(zhì)量過渡規(guī)律有待進(jìn)一步研究。為此，本文采用紫銅電極在Q235鋼表面進(jìn)行多層逐次電火花沉積的方法，探索電火花沉積電極材料的過渡規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用上海生造機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的電火花沉積/堆焊機(jī)，沉積參數(shù)如下：電壓45 V，功率1000 W，頻率380 Hz，保護(hù)氬氣流量10 L/min，基體材料選用Q235鋼，尺寸為10 mm×20 mm×5 mm長方體，工件表面經(jīng)過打磨拋光、清洗，沉積電極采用多孔圓柱紫銅電極，外徑為3 mm，化學(xué)成分為純銅。沉積中，電極以80 mm/min的速度直線單向移動(dòng)，逐行沉積，搭接量為20%，獲得10 mm×10 mm的沉積層作為第1層，以與第1層沉積方向垂直的方向進(jìn)行逐行沉積，生成第2層沉積層，以同樣的方法依次沉積第3至第6層。

試驗(yàn)前采用精度為0.1 mg的HC電子分析天平測(cè)量基體和電極的初始質(zhì)量，然后每沉積一層后稱取兩者質(zhì)量，每次完成5個(gè)以上工件，取其平均值，且每層保留兩個(gè)典型件進(jìn)行表面和截面的分析測(cè)試。采用Quanta 200系列掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析沉積層表面、截面微觀形貌，利用其自帶能譜儀(EDS)分析測(cè)試表面、截面元素含量及分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電極材料過渡規(guī)律

根據(jù)每次沉積前后工件和電極質(zhì)量的變化量，計(jì)算電極質(zhì)量損失量和工件質(zhì)量增加量，求其平均值,如表1所示。由表1可得電極與工件的質(zhì)量變化量對(duì)比曲線,如圖1所示。計(jì)算得到電極材料沉積率，繪制其變化曲線,如圖2所示。

表1 電極質(zhì)量損失量、工件質(zhì)量增加量和電極材料沉積率Tab.1 Loss of electrode mass, increase of workpiecemass and deposition rate of electrode material

圖1 電極與工件的質(zhì)量變化曲線Fig.1 Mass variation curves of electrode and workpiece

圖2 電極材料沉積率Fig.2 Electrode material deposition rate

由圖1可知，電極和工件質(zhì)量變化量曲線趨勢(shì)相似，電極質(zhì)量損失量大于工件質(zhì)量增加量。在沉積第1層和第2層時(shí)，電極質(zhì)量損失量和工件質(zhì)量增加量都比較大，而且有增大趨勢(shì)，主要是由于電極端面與工件表面匹配性提高，放電概率和連續(xù)性、穩(wěn)定性增大，電極端部放電基礎(chǔ)溫度升高，熔化電極材料量和過渡沉積量增大，電極和工件的質(zhì)量變化量增大。由第3層開始，沉積表面質(zhì)量減小，電極和工件的質(zhì)量變化量都明顯減小，第4層以后變化較小。

采用電極材料沉積率Mr來表示電極材料過渡沉積到工件表面的比例和電極材料的利用率：

Mr=ΔC/ΔA

(1)

ΔC=|m2-m1| ΔA=|ma2-ma1|

式中,ΔC為工件質(zhì)量變化量;m1為工件初始質(zhì)量;m2為工件沉積后的質(zhì)量；ΔA為電極質(zhì)量變化量;ma1為電極初始質(zhì)量;ma2為電極在沉積后的質(zhì)量。

由圖2可知，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，電極材料沉積率呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。

根據(jù)以上現(xiàn)象分析可得：①電極質(zhì)量的變化量直接影響工件質(zhì)量的變化量，二者變化曲線相似；②部分電極材料受氣化、飛濺和摩擦損失影響，電極質(zhì)量變化量大于工件質(zhì)量變化量；③在初始沉積時(shí)，工件表面經(jīng)過打磨，表面質(zhì)量好，放電效率較高，材料熔化量大，電極和工件的質(zhì)量變化量都較大，隨著放電次數(shù)的增加，由于沉積過渡的隨機(jī)性，沉積表面質(zhì)量變差，電極優(yōu)先與表面突出部位放電，放電概率降低、放電穩(wěn)定性降低，使放電功率降低，熔化電極材料量隨之減小，兩極間碰撞摩擦的幾率增大，產(chǎn)生接觸短路，減小了放電能量的熔化作用，兩極的質(zhì)量變化量減小；④隨電極對(duì)表面磨削涂覆作用的增強(qiáng)，生成均勻摩擦涂覆表面的同時(shí)，使得電極材料沉積率下降。

2.2 電極端部微觀形貌

經(jīng)過6層沉積的電極端部形貌如圖3a所示，電極端部呈現(xiàn)圓錐狀，表面被大量熔融熔化物質(zhì)覆蓋，結(jié)構(gòu)孔基本被熔融熔化物質(zhì)彌合。如圖3b所示，電極表面局部物質(zhì)有被磨削涂覆的痕跡。對(duì)圖3b磨削過渡區(qū)(Spectrum 1區(qū)域)和沉積物覆蓋區(qū)(Spectrum 2區(qū)域)進(jìn)行EDS掃描，分析電極端面元素分布，結(jié)果如圖3c和表2所示。Spectrum 2區(qū)域表面的工件材料鐵元素原子分?jǐn)?shù)達(dá)11.22%。Spectrum 1區(qū)域的電極材料銅元素含量大于未磨削的Spectrum 2區(qū)域，而工件材料如鐵元素等含量較少。由以上現(xiàn)象分析可知：①工件材料在電火花沉積中反向過渡到了電極端面，與電極材料相互滲透生成合金金屬層；②兩極之間出現(xiàn)了相互磨削現(xiàn)象，對(duì)電極端面的合金層材料有磨削去除作用，暴露出電極基體材料。

(a)電極端面 (b)電極端面局部

(c)電極表面元素分布圖3 電極端面形貌及表面元素分布Fig.3 End topography and surface element distributionof the electrode

表2 電極表面不同區(qū)域元素含量

2.3 單次放電蝕坑分析

采用與電火花沉積相同的沉積參數(shù)，通過檢測(cè)線路中有無電流控制電源的通斷，實(shí)現(xiàn)兩極間單次放電，獲得放電蝕坑,如圖4所示，表面被重熔物質(zhì)覆蓋，呈現(xiàn)中部凹陷、邊緣凸起的橢圓形結(jié)構(gòu)，邊沿有飛濺狀重凝物。對(duì)圖4所示選擇區(qū)域進(jìn)行EDS面掃描分析，以Fe、Cr、Cu、O等核心元素為研究對(duì)象，分析沉積元素分布，結(jié)果如圖5所示。由圖5a、圖5b、圖5c可知，在放電區(qū)域的基體元素鐵和鉻含量明顯小于未放電區(qū)域；電極元素銅則集中分布于放電區(qū)域和重凝物影響區(qū)。以上現(xiàn)象表明：有大量的電極材料過渡沉積到放電區(qū)域，與鐵和鉻等基體元素化合生成合金組織，使得放電區(qū)域和放電蝕坑邊緣沉積物主要由重凝的電極材料構(gòu)成。如圖5d所示，在放電蝕坑內(nèi)部的氧元素含量少于未放電區(qū)域的原始表面的氧元素含量，該現(xiàn)象表明：較長時(shí)間暴露在空氣中會(huì)在工件表面生成氧化膜，氧元素含量較大，氬氣保護(hù)下電火花放電熔化電極和工件材料的同時(shí)生成合金覆蓋在放電蝕坑表面，降低了氧元素的含量。

圖4 電火花沉積放電蝕坑微觀形貌Fig.4 Microscopic topography of discharge pit by ESD

(a)Fe (b)Cr

(c)Cu (d)O圖5 放電蝕坑局部EDS面掃描圖像Fig.5 Partial EDS surface scan image of discharge pit

圖6 多層沉積疊壓涂覆表面Fig.6 Multilayer deposition laminated coated surface

2.4 電極材料過渡規(guī)律

第5次沉積表面局部微觀形貌如圖6所示，通過沉積層孔隙能夠觀察到兩次沉積生成的摩擦涂覆痕跡，表明電極材料在工件表面的沉積不均勻，沉積層由熔融物多層沉積疊壓構(gòu)成，沉積層沉積中受電極的磨削和涂覆作用。

沉積1層到6層的典型沉積表面如圖7所示。初始階段沉積表面被熔融顆粒、液化重凝物覆蓋，有一定的微裂紋。隨著沉積層數(shù)的增大，沉積層表面被大面積熔融物覆蓋，微裂紋減少，磨削涂覆現(xiàn)象增加。特別是第5和第6次沉積，表面出現(xiàn)了大面積磨削涂覆痕跡。這表明：旋轉(zhuǎn)電極與沉積表面發(fā)生碰撞摩擦，帶動(dòng)熔化的電極材料和沉積層凸出部位材料涂覆于表面凹陷處，在微觀尺度形成均勻的沉積層。隨著沉積層數(shù)的增加，磨削涂覆作用增強(qiáng)，生成趨于平整的電火花沉積表面。

(a)第1層 (b)第2層

(c)第3層 (d)第4層

(e)第5層 (f)第6層圖7 沉積層表面微觀形貌Fig.7 Surface microscopic topography of thedeposition layer

逐層對(duì)沉積表面進(jìn)行能譜分析，獲得沉積層表面主要元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3所示，沉積層表面主要元素比例與沉積層數(shù)關(guān)系如圖8所示。電極材料銅元素在第1層沉積表面質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.93%，其余為工件材料的鐵和鉻元素，說明在第1層沉積中，大量電極材料和工件表面材料發(fā)生了相互滲透過渡，生成合金化沉積層，在涂層與基體之間形成冶金結(jié)合的過渡層。第2層之后銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸上升，直到第6次沉積的96.05%，說明沉積層雖然受工件材料的稀釋作用，但對(duì)厚度的影響有限，沉積層主要由電極材料組成。

表3 不同沉積層數(shù)的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖8 沉積層主要元素分布與沉積層數(shù)Fig.8 Main element distribution and number ofdeposition layers

2.5 沉積層厚度變化規(guī)律及截面分析

測(cè)量沉積層截面厚度并求其平均值、計(jì)算每層沉積厚度變化，如表4所示，得到沉積層數(shù)與沉積層厚度和每層厚度變化的關(guān)系如圖9所示。由圖1可知，第1層沉積電極材料過渡量大，且厚度包含了沉積的電極物質(zhì)厚度和放電熔化基體材料生成的影響層厚度，因此沉積厚度較大。隨著沉積層數(shù)的增加，總厚度逐漸增大，但每層增加厚度呈逐漸減小的趨勢(shì)，表明單次沉積厚度呈減小趨勢(shì)，與圖1所示電極材料過渡規(guī)律一致。

表4 沉積層平均厚度Tab.4 Average thickness of deposition layers

圖9 沉積層厚度與沉積層數(shù)Fig.9 Thickness and number of deposition layers

具有代表性的沉積層截面微觀形貌如圖10所示。初始沉積層厚度起伏較大(圖10a)，呈現(xiàn)凸凹相間的分布形態(tài)。隨著沉積層數(shù)的增大(圖10b)，沉積層厚度逐漸增大，表面鋸齒狀突起變得平滑。沉積層由顆粒狀沉積物組成，部分沉積層接近表面處較為破碎。經(jīng)過多層沉積的沉積層(圖10c)厚度較大，表面較為光滑，表面凸起基本消失，熔融物質(zhì)團(tuán)過渡現(xiàn)象更加顯著，電極對(duì)沉積表面的磨削修整作用也更加明顯，電極端部對(duì)前一次沉積凝固表面有一定碾壓力，使沉積層出現(xiàn)局部破碎。

(a)第1層 (b)第3層

(c)第5層圖10 沉積層截面微觀形貌Fig.10 Section microscopic topography ofdeposition layer

對(duì)沉積層截面進(jìn)行EDS線掃描，主要元素分布如圖11所示，基體主要由鐵和鉻元素組成，沉積層主要由銅元素組成。由基體向沉積層掃描觀察，鐵、鉻等基體元素在沉積層與基體的結(jié)合面附近呈斷崖式下降，而作為沉積材料的銅元素則急劇上升，二者相互過渡滲透形成20～30 μm厚的冶金結(jié)合過渡層。

(a)沉積層結(jié)構(gòu)及元素分布

(b)沉積層截面線掃描元素分布圖11 沉積層截面結(jié)構(gòu)及元素分布Fig.11 Section structure and element distributionof deposition layer

由圖11可知，沉積層呈現(xiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu)，在層間結(jié)合處銅元素下降，而鐵、氧等元素上升。由鐵、鉻、氧與銅元素的變化可知，沉積層經(jīng)歷了5次沉積，與試驗(yàn)次數(shù)相符。每次沉積的沉積層厚度不同，每層沉積層不同位置的厚度及材料形態(tài)也有較大差別。這表明，沉積層由多層沉積生成，沉積物質(zhì)過渡不均勻，主要是由于電火花沉積的放電時(shí)機(jī)、放電能量、熔化材料量、過渡材料形態(tài)、過渡時(shí)機(jī)、過渡量等不確定，使沉積過程不均勻，在工件表面沉積生成由顆粒狀熔融體構(gòu)成的不均勻沉積層。

構(gòu)成沉積層的顆粒狀物質(zhì)團(tuán)內(nèi)部幾乎全部為銅元素。這表明沉積過渡主要是以金屬液滴或半固態(tài)金屬物質(zhì)團(tuán)過渡為主，物質(zhì)團(tuán)表面存在兩極材料的相互稀釋，對(duì)內(nèi)部材料的影響可以忽略不計(jì)，而氧元素也與沉積物質(zhì)團(tuán)外表面材料發(fā)生氧化反應(yīng)，致使沉積物質(zhì)團(tuán)結(jié)合區(qū)域的鐵、鉻、氧等元素含量上升，沉積材料銅元素下降。隨著沉積層數(shù)的增大，稀釋作用逐漸減少，反映到沉積層表面元素變化如圖8所示。

綜上所述，電火花沉積過程中，兩極之間的材料過渡過程可歸納為圖12所示的4個(gè)階段，即：①兩極之間產(chǎn)生擊穿放電熔化兩極材料；②放電時(shí)間延長，放電熱傳導(dǎo)入電極基體，在電極端面生成液體或半固態(tài)物質(zhì)團(tuán)；③物質(zhì)團(tuán)在重力、電場(chǎng)力及離心力的作用下過渡到工件表面，物質(zhì)團(tuán)外圍液態(tài)材料與熔化的工件表面材料混合滲透，生成冶金結(jié)合的合金層，在液體表面張力及電磁力作用下，熔融物質(zhì)團(tuán)內(nèi)部保持穩(wěn)定；④持續(xù)沉積，眾多物質(zhì)團(tuán)在工件表面形成電火花沉積層。

(a)階段① (b)階段②

(c)階段③ (d)階段④圖12 電火花沉積材料過渡過程Fig.12 ESD material transition process

3 結(jié)論

(1)電極和工件的質(zhì)量變化曲線相似，隨著沉積層數(shù)的增加，質(zhì)量變化量減小，最終趨于穩(wěn)定。

(2)沉積層由電極材料以熔融物質(zhì)團(tuán)(液態(tài)、半固態(tài))的形態(tài)過渡沉積生成，且過渡沉積不均勻。

(3)電極與工件材料互相滲透過渡，在沉積層與工件的界面處生成20～30 μm的冶金結(jié)合過渡層，工件材料對(duì)沉積層的稀釋作用主要發(fā)生在過渡物質(zhì)團(tuán)結(jié)合處，對(duì)其內(nèi)部材料影響極小，且隨著沉積層數(shù)的增多而降低。

(4)沉積層由多層電極材料覆蓋疊壓生成，隨著沉積層數(shù)的增大，放電功率和放電能量利用率降低，電極質(zhì)量損失量和工件質(zhì)量增加量降低，單次沉積厚度減小，電極對(duì)表面磨削涂覆作用增強(qiáng)，電極材料沉積率有所下降。