李靜瑞，羅 斌，肖 明，張瑞珠

（1．華北水利水電學院機械學院，河南鄭州 450045;2．河南濟源小浪底水力發(fā)電廠，河南濟源 459017）

隨著現(xiàn)代工業(yè)對各種裝備零部件的工作性能和質(zhì)量的要求越來越高，尤其一些大型關(guān)鍵設備如水輪機、汽輪機、燃氣機及航空發(fā)動機等經(jīng)常在高速、高壓、重載等各種惡劣條件下工作，若要保證其正常運行，零部件必須滿足壽命長、可靠性好、表面性能高的要求．零部件表面的摩擦磨損、腐蝕和疲勞裂紋等破壞將影響整個裝備的安全運行．為了提高零部件的耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性，學者們從物理、化學和機械等各個方面進行了研究，包括研制新型的合金材料、改善工件運行條件、規(guī)定合理的工藝規(guī)程等．

電火花表面熔覆技術(shù)是介入焊接、噴鍍或元素滲入等工藝特點為一體的新型實用電火花沉積技術(shù)，利用電火花沉積（Electro-spark Deposition，簡稱ESD）設備把電極材料沉積到某種基體材料上來獲得力學性能和化學性能遠超過基體材料表面質(zhì)量的熔覆層，提高設備的穩(wěn)定性和可靠性，進而延長設備的使用壽命．電火花表面熔覆技術(shù)不僅能顯著改善零部件的表面性能，如硬度、耐磨性和抗腐蝕性，與其他表面技術(shù)（如熱噴涂、熱噴焊、表面滲氮、激光表面熔覆等）［1－2］相比較，還具有如下優(yōu)點［3－7］：設備簡單，攜帶方便;用途廣，沉積對象不受零部件形狀限制，一般幾何形狀的平面或曲面都可以進行處理，也可對零部件表面實施局部熔覆;熱輸入量小，不會使工件退火或變形;熔覆層與基體冶金結(jié)合，結(jié)合強度高，不易脫落．

1 電火花表面熔覆技術(shù)的原理

電火花表面熔覆技術(shù)是將電源存儲的高能量電能以10～2 000 Hz的頻率在電極與基體材料之間瞬間釋放，通過電極材料與基體材料間的空氣電離，形成通道，電極材料與基體接觸瞬間形成中心溫度高達10 000℃的局部高溫，使基體表面產(chǎn)生瞬時高溫、高壓微區(qū)，同時該區(qū)域內(nèi)離子態(tài)的電極材料和基體材料的各種組成元素的原子相互融滲、擴散和重新合金化，形成冶金結(jié)合型牢固熔覆層．研究表明，經(jīng)過電火花熔覆處理的基體表層形成的熔覆層主要由白亮層、過渡層和熱影響區(qū)構(gòu)成，熔覆層組織細密，具有較高的硬度、耐磨性和較好的抗腐蝕性［1－4］．

2 電火花表面熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀

早在19世紀初，人們就發(fā)現(xiàn)了電腐蝕放電現(xiàn)象，但由于對其認識不足，直到20世紀40年代，前蘇聯(lián)學者首次將電腐蝕原理運用到生產(chǎn)加工制造領域，人們才開始研究利用電腐蝕對金屬材料進行加工和利用．

國內(nèi)外許多學者針對電火花表面熔覆理論進行了研究，但隨著研究的深入，各國研究人員對這一新技術(shù)持不同看法．國內(nèi)學者多數(shù)認為，電火花表面熔覆是直接利用電源存儲的高能量，通過火花放電，使電極材料熔滲到基體表面，形成特殊性質(zhì)的合金層［7－8］．顯然，他們認為電火花表面熔覆的本質(zhì)是火花放電．還有部分學者認為電火花表面熔覆是利用電容放電產(chǎn)生的短時、低電壓、大電流脈沖，促成高溫等離子弧，將電極材料通過原子重新合金化擴散到基體表面的一種脈沖電弧微焊接技術(shù)［7，9－10］．他們認為電火花表面熔覆實質(zhì)是微弧焊接．持這種觀點的國外研究人員居多．經(jīng)調(diào)查，第二種觀點正在被越來越多的人認可．但就目前為止，有關(guān)電火花表面熔覆的實質(zhì)性爭議仍在延續(xù)，所以，著重研究電火花表面熔覆放電機理確定電火花表面熔覆的實質(zhì)仍然是電火花研究的熱點．

針對電火花表面熔覆放電機理，各國研究人員持兩種不同的看法：一是非接觸放電原理;二是接觸放電原理．不得不指明的是，這兩種觀點皆是在電火花放電機理的基礎上進行的詮釋，而從其他方向來論述電火花表面熔覆放電機理，目前還是一片空白［10］．

非接觸放電認為：在電極與基體尚未接觸時刻發(fā)生了火花放電．當電極靠近工件時，脈沖電壓加到兩極之間，當滿足某一放電間隙時，電場強度擊穿間隙產(chǎn)生火花放電．但也有學者認為，電容器是通過接觸點釋放電能產(chǎn)生火花放電的，即電極只有在接觸的情況下才產(chǎn)生火花放電，故提出接觸放電的說法．接觸放電理論認為：當電極接近工件直至接觸的瞬間，在接觸點產(chǎn)生巨大的放電電流，當電流密度很高時，焦耳熱使接觸部分的材料急劇升溫，瞬時熔化或氣化，引發(fā)爆炸性的火花放電．從接觸放電的熔覆過程中可以看出：電極與工件接觸是產(chǎn)生火花放電的前提條件［2，8－10］．

就目前為止，對電火花的理論研究還不充分，還沒有形成一套系統(tǒng)完整的理論體系，還有待進一步的研究．

3 電火花表面熔覆技術(shù)的應用

電火花表面熔覆技術(shù)以它獨特的工藝特點和性能優(yōu)勢在航空航天、軍事、核能、冶金、機械、汽車等眾多領域中得到廣泛的應用，近幾年來在水利水電行業(yè)也得到了快速發(fā)展．電火花表面熔覆技術(shù)最重要的性能優(yōu)勢就是涂層與基體冶金結(jié)合，結(jié)合強度高，涂層不易脫落．選用WC系列硬質(zhì)合金作為電極材料，得到的涂層表面硬度最高可達1 700 HV以上，大大提高了機件的耐磨蝕性能;又因其設備簡單，沒有苛刻的熔覆環(huán)境要求，可以到現(xiàn)場進行在線操作，所以決定了電火花表面熔覆技術(shù)在不易拆卸、搬運的大型工件上的應用前景較好．

3．1 在水利水電行業(yè)中的應用

由于我國的特殊地域條件，如河流落差大、泥沙含量高等這些惡劣的工況條件使水利過流部件的磨損和空蝕破壞十分嚴重．電火花表面熔覆涂層以其優(yōu)異性能可有效解決水利過流部件金屬表面的耐磨蝕問題．

2000年10月，利用電火花表面熔覆技術(shù)在一個直徑500 mm的水輪發(fā)電機不銹鋼轉(zhuǎn)輪上表面熔覆一層WC硬質(zhì)合金涂層，涂層的硬度、耐磨性和耐蝕性都較基體有很大提高，原本使用壽命為一個雨季的轉(zhuǎn)輪，經(jīng)電火花表面熔覆技術(shù)修復后使用了近4 a還沒有報廢，其壽命顯著提高［1］．

云南大盈江水電站因其水源大盈江地理位置特殊，大盈江支流和盈江盆地邊緣地帶滑坡、泥石流密集，水土流失嚴重，河流含沙量大，所以水電廠的水輪機長期遭受泥沙磨蝕的危害，水輪機的磨蝕嚴重．采用電火花表面熔覆技術(shù)對其磨損部位進行修復后，水輪機的使用壽命提高了4～5倍［11］．

三門峽水電站是我國泥沙含量最高的黃河上興建的第一個水電站，也是世界上水輪機過流部件含沙量最高的水電站之一．黃河三門峽河段的多年平均含沙量高達37．6 kg/m3，汛期平均過機泥沙為17．3 kg/m3，近幾年實測過機泥沙為25 kg/m3左右，實測最大過機泥沙達1 200 kg/m3．因此，水輪機過流部件的磨蝕非常嚴重．經(jīng)電火花表面熔覆技術(shù)修復后，水輪機可重新投入使用，其耐磨性、耐蝕性得到顯著提高，延長了其壽命，并且獲得了很大的經(jīng)濟效益．

新疆阿克蘇塔尕克水電站的水輪機過流部件長期受冰川和泥沙的沖蝕，水輪機轉(zhuǎn)輪（包括葉片、上冠、下環(huán)）以及轉(zhuǎn)輪上下止環(huán)，汛期運行2個月就出現(xiàn)了嚴重的磨損，危及機組運行安全．在磨損部位表面熔覆一層WC－8Co陶瓷硬質(zhì)合金涂層，修復后的過流部件具有較高的硬度和強度及良好的耐磨性和沖擊韌性．

3．2 在模具中的應用

在大規(guī)模生產(chǎn)中，模具是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必不可少的關(guān)鍵零部件，在頻繁使用過程中模具經(jīng)常遭到不同程度的破壞．模具一旦遭到破壞，其幾何尺寸難免會有偏差，進而影響生產(chǎn)質(zhì)量．采用電火花表面熔覆技術(shù)在模具易磨損部位涂覆一層WC系硬質(zhì)合金涂層，可顯著改善模具的表面性能，延長其使用壽命，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本．

某多缸發(fā)動機曲軸的熱鍛模采用5CrMnMo制造，使用一段時間后，鍛模的毛邊槽橋部磨損嚴重，生產(chǎn)出的鍛件質(zhì)量不達標．經(jīng)過電火花表面熔覆技術(shù)修復后，該鍛?？芍匦峦度胧褂?，且生產(chǎn)出的鍛件達到了技術(shù)要求［12］．

某廠使用的一副扼流圈山字形鐵芯沖裁模，長期使用導致凸、凹模配合間隙增大，沖裁出的零部件毛刺嚴重超標，個別地方還出現(xiàn)了拉斷現(xiàn)象，此模已處于報廢階段．采用YG8作為電極材料，經(jīng)電火花表面熔覆技術(shù)修復后，刃口處平均硬度值為70 HRC，可重新投入使用，且修復后沖裁7萬多件，模具表面仍完好無損［12］．

某廠使用的第一道沖裁模在沖裁10 000次左右時損壞嚴重，以YG8硬質(zhì)合金為電極材料采用電火花表面熔覆技術(shù)對其進行修復．修復后的模具表面硬度值高達72 HRC，可沖裁25 000次以上，其壽命提高了1．5 倍［13］．

3．3 在冶金行業(yè)中的應用

冶金行業(yè)中使用的軋輥等鋼結(jié)構(gòu)件極易受到磨粒磨損而發(fā)生剝落，最終導致軋輥失效報廢，資源消耗嚴重．王建升［14］利用電火花表面熔覆技術(shù)對軋輥表面涂覆一層納米結(jié)構(gòu)涂層，涂層的相對耐磨性比軋輥基體提高了2．7倍，進而延長了其使用壽命．

安鋼第二軋鋼廠77 t大型支承輥因潤滑不充分，造成輥頸多處嚴重燒損，無法正常使用，而大型支承輥制造周期長，新購一支支承輥又將花費600萬元，耗資巨大．采用電火花表面熔覆技術(shù)對輥頸進行表面熔覆涂層修復，歷時45 d，僅花費11萬元就對支承輥損傷部位全部修復成功．經(jīng)試驗，修復后的支承輥和正常輥一樣，可以重新投入生產(chǎn)［15］．這一技術(shù)不僅解決了二軋廠的燃眉之急，而且大大降低了其生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟效益，為大型鍛鋼支承輥輥頸修復提供了一種經(jīng)濟實用的新方案．

4 電火花表面熔覆技術(shù)發(fā)展中面臨的問題及其研究方向

自20世紀50年代起，電火花表面熔覆技術(shù)已逐漸成為表面處理工藝的重要技術(shù)手段之一，在生產(chǎn)加工制造領域中也占據(jù)著越來越重要的位置．但由于對電火花的理論研究尚不充分，還沒有一套系統(tǒng)完整的理論作為指導，因此還需要進一步完善．目前電火花表面熔覆技術(shù)面臨的問題主要有：驟冷驟熱的過程使熔覆層內(nèi)部存在熱應力，長時間熔覆會使熔覆層產(chǎn)生熱疲勞，當應力和疲勞累積到一定程度致使熔覆層碎裂和部分脫落，并且長時間熔覆使熔覆層與電極間的元素趨于平衡，擴散現(xiàn)象將在同種元素中進行，熔覆速率降低，因此熔覆層厚度具有一定的限度，一般較?。?6］;熔覆過程中產(chǎn)生的高能量使局部高溫高壓微區(qū)的基體材料熔化形成熔滴，冷卻后成圓盤狀凹坑，無數(shù)熔坑和熔覆點的重熔疊加構(gòu)成無方向的桔皮表面，故其表面粗糙度較大［9］;電火花熔覆操作為手工操作，雖上手很快，但熔覆層的質(zhì)量跟操作人員的技術(shù)有很大關(guān)系，熔覆工藝的穩(wěn)定性、可靠性不易把握，生產(chǎn)效率也較低．這些都極大地限制了電火花表面熔覆技術(shù)的推廣和應用，因此提出以后的重點研究方向．

1）多角度、多方位研究熔覆機理，建立模型模擬熔覆過程，進而發(fā)現(xiàn)改善熔覆層質(zhì)量、提高熔覆效率的有效方法．

2）同一工件表面，采用多種電極材料進行實驗，通過實驗研究不同電極材料的熔覆規(guī)律，尋找工件的最優(yōu)熔覆工藝參數(shù);合理選擇、適當控制各熔覆參數(shù)來獲得最佳熔覆效果．

3）電火花表面熔覆工藝與其他技術(shù)相結(jié)合，比如電火花加工與離子體電解結(jié)合能夠使其在較低的放電電壓下進行，可以提高沉積效率，加大熔覆層厚度，其表面硬度和耐磨性也較好;與離子束結(jié)合可以在提高表面硬度的同時提高其耐磨性能［17］等，為電火花表面熔覆技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展空間．

4）開發(fā)研制出先進的電火花表面熔覆設備，提高涂覆效率，改善熔覆質(zhì)量，使電火花表面熔覆技術(shù)走向高效化、機械化和自動化．

5）擴大應用領域．

5 結(jié)語

電火花表面熔覆技術(shù)憑借其特殊的強化效果和獨特的實用價值，在未來的發(fā)展空間很廣，尤其是在機械制造業(yè)和材料表面改性領域中具有廣闊的應用前景．但由于對其理論研究不足以及其技術(shù)上的局限性，又阻礙了其在實際生產(chǎn)中的推廣應用．為了有效解決這一問題，各國學者都做出了大量研究工作，隨著研究的深入以及表面技術(shù)的快速發(fā)展，將電火花表面熔覆技術(shù)與其他表面改性技術(shù)以及數(shù)字化信息技術(shù)相結(jié)合成為了電火花研究方向的新動態(tài)，為電火花表面熔覆技術(shù)提供了更加廣闊的發(fā)展空間．

［1］王建升．電火花沉積及其合金化［D］．昆明：昆明理工大學，2004．

［2］馮新．基于電火花加工方法的H13鋼表面強化研究［D］．大連：大連理工大學，2007．

［3］王釗，陳薦，何建軍，等．電火花表面強化技術(shù)研究與發(fā)展概況［J］．熱處理技術(shù)與裝備，2008，29（6）：46 －50．

［4］王建升．電火花沉積工藝及沉積層性能的研究［J］．表面技術(shù)，2005，34（1）：27 －30．

［5］王建升，王華昆，鐘毅，等．電火花沉積技術(shù)及其應用［J］．機械工人，2004（1）：34 －36．

［6］周永權(quán)，譚業(yè)發(fā)，趙洋，等．電火花表面強化技術(shù)及其應用［J］．機械研究與應用，2010，23（4）：159 －162．

［7］羅成，董仕節(jié)，熊翔．電火花沉積表面技術(shù)研究的最新進展［J］．材料導報，2008，22（11）：66 －68．

［8］劉建超．電火花表面局域強化及合金化［D］．西安：西北工業(yè)大學，2001．

［9］葉國萍．基于電火花加工方法的45鋼表面強化研究［D］．大連：大連理工大學，2006．

［10］牛金輝．氮氣氛下電火花沉積含TiN表面層的研究［D］．長春：吉林大學，2007．

［11］嚴大考，王建升，張瑞珠，等．金屬表面涂層技術(shù)在大盈江發(fā)電廠水輪機上的應用［J］．華北水利水電學院學報，2012，33（1）：79 －80．

［12］張蓉，楊湘紅．用電火花強化工藝修復模具磨損表面［J］．模具制造，2003，20（3）：49 －50，60．

［13］蔡濱，洪津，譚業(yè)發(fā)，等．電火花沉積技術(shù)在機電設備中的應用［J］．電氣與自動化，2009，38（4）：125 －127．

［14］王建升，孟惠民，俞宏英，等．鑄鋼軋輥表面電火花沉積WC－15Co涂層特性研究［J］．材料工程，2011（2）：87 －91，96．

［15］董浩，程永固，雷曉民，等．電火花沉積－堆焊技術(shù)在支承輥輥頸修復中的應用［J］．寬厚板，2010，16（5）：38－41．

［16］張旭．1Cr13不銹鋼材料電火花表面強化技術(shù)的研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010．

［17］謝煒，林有希，相澤鋒．電火花表面強化技術(shù)研究與發(fā)展［J］．材料開發(fā)與應用，2011，26（2）：63－67．