張勇，李麗，常青，王曉明，趙陽(yáng)，朱勝，徐安陽(yáng)，高憲偉

（1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000； 2.陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072； 3.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072750）

電火花沉積技術(shù)（Electro-spark deposition，ESD）因其優(yōu)異的表面強(qiáng)化及工件修復(fù)效果，已成為表面工程及再制造工程領(lǐng)域中一種重要的技術(shù)手段。電火花沉積技術(shù)最早可追溯到1943 年，由前蘇聯(lián)拉扎連科夫婦提出“電火花加工”的概念。1950 年，前蘇聯(lián)中央電器研究院研發(fā)出一系列電火花沉積設(shè)備[1]。20 世紀(jì)90 年代，隨著電火花沉積原理的不斷豐富與發(fā)展，日本研究者將電極往復(fù)振動(dòng)改為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，近年來(lái)又出現(xiàn)了超聲振動(dòng)式電極，且伴隨著各種大功率與高頻率電火花沉積專用電源的相繼問(wèn)世，極大地提高了電火花沉積的質(zhì)量與效率，這使得電火花沉積技術(shù)在工程中得到廣泛應(yīng)用，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。電火花沉積技術(shù)可用于零部件表面耐磨、耐腐蝕、耐高溫涂層的制備，也可用于對(duì)異型損傷的修復(fù)，特別適用于對(duì)零部件的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，因此在刀具、模具、能源、航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注[2-4]。

本文將從電火花沉積技術(shù)原理，工藝參數(shù)對(duì)涂層制備與性能的影響，電火花沉積技術(shù)改進(jìn)與應(yīng)用等方面，概述電火花沉積技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并針對(duì)電火花沉積技術(shù)所存在的問(wèn)題及其未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望，以期對(duì)電火花沉積技術(shù)的改進(jìn)以及推廣應(yīng)用起到一定的借鑒意義。

1 電火花沉積技術(shù)原理

電火花沉積技術(shù)是在氣體空間中，利用電極（待沉積材料，與脈沖電源正極相連）與基體（待修復(fù)或強(qiáng)化工件，與脈沖電源負(fù)極相連）之間的電火花放電的高密度能量，在重力以及電極與基體的接觸作用下，將一種導(dǎo)電材料涂覆熔滲到基體表面，形成合金化的表面層，起到表面修復(fù)或強(qiáng)化的效果，其沉積原理如圖1 所示。

由于材料在熔化沉積過(guò)程中易發(fā)生氧化，使制備的涂層性能降低，因此須向材料放電沉積區(qū)域供給保護(hù)氣體。保護(hù)氣體（氮?dú)饣驓鍤猓┛赏ㄟ^(guò)焊槍內(nèi)部的集成氣體通道或單獨(dú)的供氣系統(tǒng)吹入。電極棒做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或超聲振動(dòng)，在脈沖電源的作用下，實(shí)現(xiàn)電極棒與工件之間的火花放電。

圖1 電火花沉積原理示意圖 Fig.1 Schematic diagram for principles of ESD

電火花沉積過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換是從電能最終轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。?duì)于電火花沉積過(guò)程中的放電機(jī)理，一般認(rèn)為存在兩種形式[5-6]：一種是非接觸放電，該放電模型為在電極向基體靠近的過(guò)程中，兩極間隙之間的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，直至電場(chǎng)強(qiáng)度將間隙電離擊穿。在電場(chǎng)的作用下，帶電粒子定向移動(dòng)，從而將脈沖電源電容儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮恿髋c正離子流的動(dòng)能，帶電粒子與電極或基體發(fā)生撞擊后，帶電粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。另一種是接觸放電，該模型認(rèn)為電極向基體靠近，在接觸的一剎那，兩極接觸的微小區(qū)域內(nèi)通過(guò)大密度的電流，在焦耳-楞次熱效應(yīng)下，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

電火花沉積技術(shù)作為一種重要的表面強(qiáng)化與修復(fù)手段，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）快熱急冷，易獲得細(xì)晶甚至非晶組織。電極與工件的接觸部位在10-6～10-5s 內(nèi)可以產(chǎn)生8000～ 25 000 ℃的高溫[7]，材料被快速加熱并冷卻，在高溫度梯度下，容易獲得細(xì)晶組織，甚至是非晶組織，從而提高材料表面的力學(xué)性能以及耐磨耐蝕性能。

2）熱輸入小，可減少基體的熱變形。放電區(qū)域溫度高、放電區(qū)域小、放電時(shí)間短，這保證了在電極與基體材料發(fā)生局部熔化的同時(shí)，對(duì)母材的熱輸入較小，從而在最大程度上避免了基體的熱變形以及對(duì)組織與性能的破壞。

3）沉積涂層與基體為冶金結(jié)合。電極與基體材料熔化后，相互之間發(fā)生滲透，特別是在電極棒與基體的接觸攪拌作用下發(fā)生混合，涂層與基體之間形成緊密的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。

4）適用范圍廣。設(shè)備便攜、工藝簡(jiǎn)單、適于現(xiàn)場(chǎng)操作，容易對(duì)工件局部特定區(qū)域進(jìn)行修復(fù)或強(qiáng)化，不受工件復(fù)雜程度的限制。

2 工藝參數(shù)對(duì)涂層制備及性能的影響

由上文中提到的電火花沉積過(guò)程中放電機(jī)理可知，電火花沉積電源中電容儲(chǔ)存的能量以脈沖的形式轉(zhuǎn)變?yōu)槭共牧先刍臒崮?，且電火花沉積為氣中放電，沉積電壓、沉積電容、強(qiáng)化時(shí)間等電氣參數(shù)以及保護(hù)氣將直接影響涂層的制備與性能。然而，因?yàn)椴牧系碾娮杪省⑷刍療?、?dǎo)熱率、延展性、潤(rùn)濕角等自身特性存在很大差異，再考慮到電火花沉積過(guò)程的不穩(wěn)定性，工藝參數(shù)對(duì)涂層制備與性能的影響存在一定的不確定性。

2.1 脈沖能量

電火花沉積涂層的成形過(guò)程為：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖能量使工具電極與工件熔化，在工件表面形成一個(gè)沉積斑點(diǎn)，隨后的連續(xù)性脈沖放電在工件表面形成許多沉積斑點(diǎn)，眾多斑點(diǎn)之間又存在交叉堆疊，最終形成涂層。因此，脈沖能量對(duì)涂層的制備與性能起著決定性的作用。單個(gè)脈沖能量可由公式(1)計(jì)算得到。

式中，C為脈沖電源充放電電容（μF）；U為電火花沉積電壓（V）。由公式(1)可知，單脈沖能量由電壓與電容決定，且電壓對(duì)單脈沖能量的影響更大。

單個(gè)脈沖能量的增加，將向電極與工件接觸區(qū)域提供更多的能量，從而使更多的材料發(fā)生熔化或氣化，進(jìn)而對(duì)涂層的制備、組織及性能產(chǎn)生影響。黃奇勝等人[8]在沉積制備Mo2FeB2基金屬陶瓷涂層中的研究表明，隨著脈沖能量的升高，單個(gè)沉積斑點(diǎn)面積增大，在相同比沉積時(shí)間下，涂層厚度提高，這意味著更高的沉積效率。但隨著脈沖能量的增加，將向涂層內(nèi)部引入更高的殘余應(yīng)力，從而使裂紋數(shù)量增加，涂層厚度的繼續(xù)提高受到限制。此外，隨著脈沖能量的增加，濺射現(xiàn)象增強(qiáng)，導(dǎo)致涂層表面粗糙度增加。趙運(yùn)才等人[9]在使用Ni201 修復(fù)Q235 鋼的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸出能量幅度由40%增加到45%之后，修復(fù)層中Fe 元素的含量升高了約10%，這說(shuō)明隨著輸出能量幅度的提高，單次沉積過(guò)程中，更多的基體材料被熔化，熔池溫度也隨之升高，從而促使電極與工件材料融合更為充分。另外，脈沖能量的改變，通過(guò)影響單次熔融材料的多少，也將改變?nèi)鄣蔚睦鋮s速度，進(jìn)而影響涂層的微觀組織。Hasanabadi 等人[10]在電火花沉積非晶涂層的試驗(yàn)中研究了能量輸入對(duì)非晶形成能力的影響，試驗(yàn)表明在低能量輸入條件下，涂層由完全的非晶相組成，隨著能量輸入的提高，涂層結(jié)構(gòu)逐漸向納米晶組織與微晶組織轉(zhuǎn)變。Enrique 等人[11]利用電火花沉積Inconel718 涂層，建立了脈沖能量與涂層枝晶尺寸之間的關(guān)系模型，該模型認(rèn)為在低脈沖能量條件下容易獲得較細(xì)的枝晶組織，且涂層無(wú)明顯的裂紋與孔洞，涂層質(zhì)量更加優(yōu)異。脈沖能量在改變涂層裂紋及孔洞缺陷、微觀組織的基礎(chǔ)上，將間接影響涂層的性能。此外，Enrique 等人[12]在Inconel718基體缺口修復(fù)試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，脈沖能量由低能量（100 mJ）升高為中能量（400 mJ）時(shí)，涂層的屈服強(qiáng)度降低了8%。Cao 等人[13]在M50 鋼表面電火花沉積了Cr 涂層，研究表明，初始階段，隨著脈沖能量的提高，涂層的厚度逐漸增加，從而起到更高的耐腐蝕效果，但隨著脈沖能量的繼續(xù)提高，涂層中出現(xiàn)貫穿涂層的裂紋，耐腐蝕性逐漸下降。

2.2 比沉積時(shí)間

比沉積時(shí)間指的是單位面積上的沉積時(shí)間。比沉積時(shí)間的增加意味著電極與基體之間更多次的火花放電，電極材料不斷熔融沉積，這使得涂層在初始階段逐漸增厚。但電火花沉積快熱急冷的特點(diǎn)使涂層不斷經(jīng)歷加熱-冷卻的循環(huán)過(guò)程，因此火花放電次數(shù)的增加也使得涂層內(nèi)部熱應(yīng)力與組織應(yīng)力升高，進(jìn)而引發(fā)裂紋與孔洞的產(chǎn)生。Hong 等人[14]在TC11 鈦合金表面制備TiN 涂層的研究表明，比沉積時(shí)間是引發(fā)涂層內(nèi)部裂紋與孔隙的主要因素，涂層截面形貌對(duì)比如圖 2 所示，隨著比沉積時(shí)間從 3 min/cm2提高到5 min/cm2，孔隙率由2.1%上升為4.8%，且涂層內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，甚至是微裂縫。當(dāng)涂層中裂紋等缺陷增多后，隨著比沉積時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，極強(qiáng)的熱應(yīng)力使得涂層出現(xiàn)開(kāi)裂脫落的現(xiàn)象，從而使得涂層不再增厚，甚至出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)現(xiàn)象。馮源等人[15]在45 鋼表面制備WC 涂層的研究中發(fā)現(xiàn)，在比沉積時(shí)間由1 min/cm2增加至3 min/cm2的過(guò)程中，涂層增厚速度逐漸下降，當(dāng)比沉積時(shí)間增加到 4 min/cm2時(shí)，涂層厚度較3 min/cm2時(shí)下降了約10 μm，此外涂層硬度也下降了約150HV。譚業(yè)發(fā)等人[16]在對(duì)45 鋼表面電火花沉積鎳基合金涂層摩擦學(xué)性能的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著比沉積時(shí)間的增加，涂層的平均摩擦系數(shù)值與磨損失重均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，當(dāng)比沉積時(shí)間為2.5 min/cm2時(shí)，兩者均達(dá)到最低值，而當(dāng)比沉積時(shí)間增加至3.5 min/cm2時(shí)，涂層內(nèi)部出現(xiàn)了大量裂紋與孔洞缺陷，涂層的磨損失重約提高為2.5 min/cm2時(shí)的4 倍。

2.3 保護(hù)氣及其流量

電火花沉積是一種在氣體中使材料熔融沉積制備涂層的工藝，且在整個(gè)過(guò)程中存在對(duì)氣體的電離擊穿，因此沉積氣氛對(duì)涂層的制備與性能起著重要的影響。電火花沉積過(guò)程中的沉積氣氛包括三種：空氣、氮?dú)?、氬氣。研究證明，在不同的沉積氣氛下，兩極間的材料轉(zhuǎn)移機(jī)理存在較大差異。空氣、氮?dú)鉃榭煞纸鈿夥?，在放電過(guò)程中會(huì)形成高導(dǎo)熱率的等離子體， 材料以球形液滴的形式向基體噴射，在基體表面形成飛濺形貌；氬氣形成的等離子體具有低導(dǎo)熱性，材料以噴霧的形式轉(zhuǎn)移到基體表面，制備的涂層具有較低的表面粗糙度[17]。此外，氬氣作為單原子氣體，具有低導(dǎo)熱系數(shù)，使其具有更好地維持電弧柱溫度的能力，這使得電弧柱的相對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度減小，整體溫度下降，從而降低涂層與基體界面處的熱應(yīng)力，進(jìn)而減少裂紋與分層缺陷[18]。

魏祥等人[19]對(duì)在空氣與氬氣中沉積制備的Mo2FeB2基金屬陶瓷的組織與性能進(jìn)行了比較，涂層形貌如圖3 所示，在空氣中制備的涂層表面以濺射狀為主，而氬氣中制備的涂層表面以堆疊狀為主，表面粗糙度低、均勻性好，符合在不同氣氛下材料的轉(zhuǎn)移機(jī)制。另外，因?yàn)闅鍤庵兄苽涞耐繉泳哂懈嗟姆蔷?相與更少的氧化，所以與空氣中制備的涂層相比，涂層硬度提高了273.3HV0.05，磨損失重降低為后者的1/7。

圖2 不同比沉積時(shí)間下的涂層截面形貌[14] Fig.2 Section morphologies of coatings for different specific deposition time[14]

圖3 不同保護(hù)氣氛中Mo2FeB2 基金屬陶瓷涂層表面形貌[19] Fig.3 Surface morphology of Mo2FeB2 ceramic coating in different protective atmospheres[19]: a) argon; b) air

氬氣是一種防止熔融金屬氧化的保護(hù)氣，且具有一定的冷卻作用，其流速對(duì)涂層的性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。譚業(yè)發(fā)等人[16]在針對(duì)鎳基合金強(qiáng)化層的研究中證明，氬氣流速過(guò)低時(shí)不能起到良好的保護(hù)作用，但流速過(guò)高時(shí)易發(fā)生紊流，將空氣卷入放電區(qū)域，導(dǎo)致涂層內(nèi)部出現(xiàn)裂紋與孔洞缺陷。此外，因?yàn)闅鍤獾睦鋮s與吹動(dòng)作用，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，氬氣流速過(guò)快會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)化層變薄[20]。

3 電火花沉積技術(shù)改進(jìn)

電火花沉積技術(shù)在展現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也暴露出其自身存在的問(wèn)題：

1）殘余熱拉應(yīng)力以及裂紋和分層缺陷。電火花沉積快熱急冷的特點(diǎn)會(huì)向涂層內(nèi)部引入極高的熱應(yīng)力與組織應(yīng)力，從而誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生。同時(shí)，涂層與基體材料之間熱膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)的不匹配，使得基體與涂層之間產(chǎn)生分層現(xiàn)象。

2）沉積效率較低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。單次放電形成了極小的放電微區(qū)，材料熔融量少，且沉積過(guò)程中也伴隨著工件材料的蝕除，從而導(dǎo)致沉積效率較低。此外，目前的電火花沉積設(shè)備多為手持式，低效率下的手動(dòng)操作使勞動(dòng)強(qiáng)度增加。

3）沉積厚度薄，一般為0.02～0.5 mm。隨著沉積過(guò)程的進(jìn)行，陰陽(yáng)極之間的反復(fù)沉積使電極與基體的表層化學(xué)成分發(fā)生改變，涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力增加，氣孔與裂紋缺陷增多，這改變了兩極之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移過(guò)程，使陰極的蝕除量逐漸大于沉積量，限制了涂層的繼續(xù)增厚。

4）涂層均勻性與連續(xù)性較差，表面粗糙度較大。火花放電沉積斑點(diǎn)的凹穴形貌使得每次放電的位置、沉積斑點(diǎn)的面積和深淺、材料的遷移量不穩(wěn)定、不可控，再加上人為因素（手動(dòng)操作）的影響，從而使得涂層不均勻、不連續(xù)，表面粗糙度差別較大。

針對(duì)這些問(wèn)題，同時(shí)為了進(jìn)一步提高電火花沉積制備涂層的性能以及推廣其應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研究人員在電火花沉積技術(shù)改進(jìn)方面做了大量的研究工作。

3.1 沉積過(guò)程的優(yōu)化

目前，電火花沉積涂層的制備大都采用手持電火花沉積設(shè)備進(jìn)行，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工藝可控性差、涂層再現(xiàn)性低的問(wèn)題，限制了其在大面積的修復(fù)或強(qiáng)化中的應(yīng)用。相關(guān)文獻(xiàn)[21-22]中已存在利用機(jī)械化的設(shè)備進(jìn)行電火花沉積，但僅用于簡(jiǎn)單平面的涂層制備，且停留在實(shí)驗(yàn)室分析階段。Frangini 等人[23]提出了一種電極與工件接觸力動(dòng)態(tài)控制的方法，該方法利用彈簧力與靜接觸力的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，接觸力的動(dòng)態(tài)控制可提高電火花沉積過(guò)程的穩(wěn)定性，降低粗糙度對(duì)火花再現(xiàn)性的影響，該方法為電火花沉積技術(shù)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)提供了一種可行方式。Wang 等人[24-26]設(shè)計(jì)了一套電火花數(shù)控沉積工具頭，工具頭機(jī)構(gòu)如圖4 所示，工具頭通過(guò)專用沉積刀柄（Special Deposition Holder，SDH）連接在銑床主軸上，實(shí)現(xiàn)了電火花沉積設(shè)備與CNC 銑床的集成，并通過(guò)平均電極材料損耗率來(lái)控制電火花沉積的連續(xù)進(jìn)行。此外，課題組利用該設(shè)備先后進(jìn)行了點(diǎn)焊式沉積與近恒間隙式NURBS（非均勻有理B 樣條曲線，Non-Uniform Rational B-Splines）曲面連續(xù)沉積，均制備了與基體緊密結(jié)合、無(wú)明顯裂紋與孔洞的涂層。特別是NURBS 曲面涂層的制備，為電火花沉積制備復(fù)雜大曲面涂層提供了有力的技術(shù)支撐。

圖4 電火花數(shù)控沉積工具頭結(jié)構(gòu)圖[26] Fig.4 Structure chart of electro-spark-computer integrated deposition tool[26]

3.2 沉積原理的優(yōu)化

3.2.1 粉末式電火花沉積

電火花沉積大都使用電極棒在基體表面沉積涂層，但如硬質(zhì)合金等難熔材料因受鑄造、軋制、拔絲等加工工藝的限制，大都需使用粉末燒結(jié)的方式制備電極棒，這使得電火花沉積技術(shù)趨于復(fù)雜化，不利于電火花沉積技術(shù)的廣泛推廣。Burkov 等人[27-28]提出一種使用細(xì)小顆粒進(jìn)行電火花沉積的方法，技術(shù)原理如圖5 所示。將工件與陰極相連，并放入裝有待沉積材料顆粒的空心瓶中，瓶壁與陽(yáng)極相連，脈沖能量使顆粒熔融沉積到工件表面。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法制得的涂層的結(jié)構(gòu)與性能與傳統(tǒng)電火花沉積相似。但該方法可更快捷地改變涂層材料成分配比，也更加有利于實(shí)現(xiàn)電火花沉積的自動(dòng)化。

圖5 電火花顆粒沉積技術(shù)原理圖[28] Fig.5 Schematic diagram of electro-spark granule deposition[28]

高玉新等人[29]在傳統(tǒng)電火花沉積技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)置粉末電火花沉積法，該方法在基體表面預(yù)置一層硬質(zhì)合金粉末之后，利用火花放電的熱量，使預(yù)置粉末熔融沉積。試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)電火花沉積技術(shù)相比，該方法所制備的涂層厚度高且均勻，裂紋與孔洞缺陷少，表面粗糙度低。此外，經(jīng)檢測(cè)，該方法制備涂層后，電極棒無(wú)質(zhì)量損失，有利于電火花沉積的連續(xù)進(jìn)行。電火花粉末沉積的方式對(duì)擴(kuò)展材料適用范圍，推廣電火花沉積技術(shù)的應(yīng)用提供了一種新的技術(shù)思路。

3.2.2 超聲輔助電火花沉積

傳統(tǒng)的電火花沉積技術(shù)受火花放電原理的限制，很難在工藝上進(jìn)一步提升涂層的效果與性能，為此，Liu 等人[30-32]提出了一種超聲沖擊復(fù)合電火花表面強(qiáng)化的工藝方法。該方法的技術(shù)原理如圖6 所示，沉積裝置由超聲沖擊系統(tǒng)與電火花沉積系統(tǒng)組成，電火花電源、沖擊球及工件之間組成電火花沉積回路，超聲沖擊系統(tǒng)中，沖擊球在超聲換能器與工件之間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，起到超聲沖擊的作用，同時(shí)沖擊球的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電火花沉積回路的高頻通斷電，達(dá)到電火花沉 積的效果。利用該方法制備Ti-6Al-4V 涂層的試驗(yàn)表明，該方法綜合了兩種表面強(qiáng)化方式的優(yōu)點(diǎn)，既向工件表面引入了新的強(qiáng)化元素，又向表面引入了壓縮應(yīng)力（表面殘余應(yīng)力為-585.89 MPa），且相較于傳統(tǒng)電火花沉積，涂層具有較低的表面粗糙度。

圖6 超聲沖擊復(fù)合電火花表面強(qiáng)化技術(shù)原理圖[32] Fig.6 Schematic diagram of combining ultrasonic impact treatment with ESD[32]

Guo 等人[33]在旋轉(zhuǎn)電極式電火花沉積的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了復(fù)合超聲振動(dòng)的焊槍，通過(guò)替換工具頭，該焊槍還可實(shí)現(xiàn)超聲拋光的作用，實(shí)現(xiàn)了裝置的集約化設(shè)計(jì)。通過(guò)與傳統(tǒng)電火花沉積的對(duì)比試驗(yàn)[34]發(fā)現(xiàn)，利用超聲振動(dòng)復(fù)合的方法所制備的涂層更加致密均勻，與基體的結(jié)合強(qiáng)度更高，這歸因于超聲振動(dòng)有效減少了短路與拉弧現(xiàn)象的發(fā)生，極間有充足的時(shí)間進(jìn)行消電離，沉積過(guò)程更加穩(wěn)定。但是超聲振動(dòng)對(duì)表面的破碎作用使沉積效率有所降低。

3.3 后處理的優(yōu)化

電火花沉積技術(shù)的原理使涂層中出現(xiàn)裂紋、孔洞及化學(xué)成分不均勻等現(xiàn)象，這極大地限制了電火花沉積優(yōu)異性能的體現(xiàn)，通過(guò)后處理對(duì)涂層進(jìn)行一定的改性，可進(jìn)一步提高涂層的性能。Radek 和Pliszka 等人[35-36]進(jìn)行了激光重熔改善電火花沉積涂層性能的研究，試驗(yàn)證明，激光重熔處理起到了使涂層化學(xué)成分均勻化、結(jié)構(gòu)細(xì)化、裂紋與孔洞愈合的效果，這使得對(duì)電火花沉積Cu-Mo 涂層激光重熔后，其顯微硬度提高了約20%，對(duì)45 鋼表面WC-Cu 涂層激光重熔后，在腐蝕試驗(yàn)中，涂層的腐蝕電位提高了50 mV，腐蝕電流降低為重熔前的1/3。電火花沉積制備的涂層在表現(xiàn)高硬度的同時(shí)，韌性較低，從而導(dǎo)致涂層的微動(dòng)疲勞抗力大幅下降。張曉化等人[37]通過(guò)噴丸處理的方式向涂層內(nèi)部引入殘余壓應(yīng)力，提高了微動(dòng)疲勞過(guò)程中裂紋萌生與擴(kuò)展的阻力，從而使涂層的微動(dòng)疲勞抗力恢復(fù)到未進(jìn)行電火花沉積的水平。

4 電火花沉積技術(shù)的應(yīng)用

4.1 陶瓷涂層的沉積

陶瓷涂層具有高耐磨耐蝕、耐高溫的特性，在機(jī)械加工、航空航天等領(lǐng)域中取得了廣泛應(yīng)用。近幾年報(bào)道的電火花沉積技術(shù)制備陶瓷涂層的研究如表1所示。

由電極、基體與涂層相組成對(duì)比分析可知，在電火花沉積過(guò)程中，電極材料與基體材料之間、電極材料各成分之間發(fā)生了反應(yīng)，生成了新的相。如使用WC-4Co 硬質(zhì)合金在0Cr13Ni5Mo 鑄鋼表面制備的涂層中形成了Fe3W3C、Co3W3C、Si2W 相[44]；再如通過(guò)原位反應(yīng)的方式，利用純鈦電極在氮?dú)夥諊滦纬闪薚iN[45]。另外，雖然在部分沉積涂層中未發(fā)生明顯冶金反應(yīng)形成的新相，但這些涂層中也發(fā)現(xiàn)了基體元素，如利用Al2O3-45TiB2-10Ni 陶瓷棒在鉻鋯銅表面制備的涂層中含有較多的Cu 元素[47]，這表明電極材料與基體材料之間發(fā)生了相互熔滲。冶金反應(yīng)與相互熔滲說(shuō)明陶瓷涂層與基體之間具有極高的結(jié)合強(qiáng)度。

表1 電火花沉積制備陶瓷涂層及其微觀組織與性能 Tab.1 Microstructure and properties of ceramic coatings prepared by ESD

涂層的硬度、耐磨性是近幾年來(lái)電火花沉積制備陶瓷涂層的主要關(guān)注點(diǎn)，但也有對(duì)涂層高溫抗氧化性能、點(diǎn)焊電極壽命的研究。由表1 可知，涂層的性能相較于基體有極大的提高，這除了因?yàn)樘沾刹牧媳旧淼奶匦酝猓惨獨(dú)w因于電火花沉積技術(shù)快熱急冷的加工特點(diǎn)，涂層內(nèi)晶粒得到明顯細(xì)化，存在納米級(jí)晶粒，甚至形成了非晶相。例如，利用Mo2FeB2基金屬陶瓷在高速鋼表面制備的涂層中含有82%的非晶相，其余12%的馬氏體相平均晶粒尺寸為31.7 nm[40]。

陶瓷材料在展現(xiàn)其高硬度的同時(shí)，不可避免地暴露出塑性與韌性較低的問(wèn)題，再加上與基體之間的熱膨脹系數(shù)往往高度不匹配，這使得涂層在電火花沉積冷熱循環(huán)引入的殘余拉應(yīng)力與組織應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的裂紋與分層等缺陷，從而降低性能。改善沉積過(guò)程中涂層與基體界面以及涂層內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)提高陶瓷涂層性能具有積極的作用。張怡等人[42]采用電火花預(yù)沉積Ni 層的方式在Cr12MoV 模具鋼表面沉積碳化鉻基金屬陶瓷涂層，Ni 元素的引入使涂層中裂紋明顯減少，摩擦系數(shù)顯著下降（摩擦系數(shù)對(duì)比如圖7 所示，1 h 磨損量為單陶瓷涂層的1/3）。這歸因于純Ni 具有較高的塑性與斷裂韌性，可通過(guò)塑性變形有效緩解涂層中的殘余拉應(yīng)力，有效消除涂層內(nèi)部裂紋，從而使疲勞裂紋源減少，同時(shí)含Ni 元素的韌性相對(duì)碳化鉻硬質(zhì)相起到一定的粘結(jié)支撐作用。

圖7 基體、碳化鉻基金屬陶瓷單涂層及預(yù)沉積Ni 復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)[42] Fig.7 Friction coefficient of substrate, chromium carbide based cermet single coating and pre-deposited Ni composite coating[42]

4.2 高熵合金的沉積

高熵合金為至少五主元的新型合金體系，各主元之間形成了簡(jiǎn)單的固溶體，這使得其具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨耐蝕性能。電火花沉積制備高熵合金涂層在發(fā)揮多主元的高混合熵效應(yīng)的同時(shí)，結(jié)合電火花沉積快速凝固的特點(diǎn)，更易形成簡(jiǎn)單的面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）或體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）固溶相，且形成細(xì)小的晶粒組織，起到固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化的作用，有利于獲取優(yōu)異性能的涂層。Wang 等人[48-49]在TC11表面沉積制備了無(wú)孔洞與裂紋缺陷的CuNiSiTiZr 合金涂層，涂層微觀結(jié)構(gòu)為微/納米級(jí)的BCC 結(jié)構(gòu)，距涂層表面40 μm 的顯微硬度均超過(guò)1000HV，為基體的2.5 倍以上，且高熵合金涂層磨痕較淺，表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐磨性。郭策安等人[50]在CrNi3MoVA 鋼表面制備了 AlCoCrFeNi 涂層，涂層的組成相為BCC+FCC，且晶粒尺寸小于100 nm，與常見(jiàn)的電鍍硬鉻涂層相比較，高熵合金涂層具有更高的硬度與更低的彈性模量，這使得其在穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)（0.25～0.33）不到硬鉻涂層的一半，磨損率減少約41%，兩種涂層摩擦系數(shù)如圖8 所示。

圖8 高熵合金涂層與電鍍硬鉻涂層的摩擦系數(shù)[50] Fig.8 Friction coefficient of AlCoCrFeNi coating and hard Cr coating[50]

Li 等人[51]在45 鋼表面電火花沉積制備了由BCC相結(jié)構(gòu)組成的AlCoCrFeNi 高熵合金涂層，與銅模鑄高熵合金相比較，合金涂層不含等軸晶，全部為柱狀晶結(jié)構(gòu)，且無(wú)明顯富鉻枝晶間偏析與沉淀物，圖9 為45 鋼基體、鑄態(tài)合金及不同沉積層數(shù)的高熵合金涂層的極化曲線。由圖可知，涂層的腐蝕電位均明顯高于基體，且出現(xiàn)較大幅度的鈍化區(qū)。此外，沉積50層所制備合金涂層的平均腐蝕電流密度低于鑄態(tài)合金的1/2，比基體低3 個(gè)量級(jí)，且腐蝕更加均勻。電火花沉積技術(shù)有助于制備高質(zhì)量高熵合金涂層。

圖9 45 鋼、鑄態(tài)高熵合金和不同沉積層數(shù)的高熵合金涂層的極化曲線[51] Fig.9 Polarization curves of 45 steel, cast HEA, and HEA coatings with different layers[51]

4.3 非晶涂層的沉積

非晶合金因其較高的強(qiáng)度、硬度、韌性以及優(yōu)異的耐磨耐蝕、抗疲勞性能，自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就獲得了廣泛的關(guān)注。前人研究發(fā)現(xiàn)非晶形成能力受冷卻速度的影響，冷卻速度越快或溫度梯度越高，材料的非晶形成能力越強(qiáng)[52]。電火花沉積技術(shù)因其快熱急冷的特點(diǎn)，在制備非晶涂層方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。Hasanabadi等人[10]使用鑄態(tài)的Fe48Cr18Mo7B16C4Nb7 晶體合金在316L 不銹鋼表面制備了非晶態(tài)的涂層，涂層的平均硬度接近非晶態(tài)塊的硬度，表明電火花沉積技術(shù)是一種有效的制備非晶涂層的方法。

電火花沉積制備非晶涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨耐蝕、抗氧化性能。Burkov 等人[53]使用FeWMoCrBC電極在35 鋼表面制備了鐵基非晶涂層，涂層的顯微硬度可達(dá)980HV，約為基體4.6 倍，平均摩擦系數(shù)為0.19，耐磨性提高了2 倍以上，1073 K 下12 h 的氧化實(shí)驗(yàn)表明，抗氧化性能提高了35 倍。Li 等人[54]在304L 不銹鋼表面沉積了TiZrNiCuBe 非晶涂層，由TiZrNiCuBe 塊狀非晶合金與涂層X(jué)RD 圖譜（圖10）對(duì)比分析可知，涂層完全由非晶相組成，腐蝕試驗(yàn)表明，非晶涂層在6 mol/L 的HNO3溶液中的腐蝕電流密度僅為0.451 μA/cm2。

圖10 TiZrNiCuBe 大塊金屬玻璃與TiZrNiCuBe 涂層的XRD 衍射圖譜[54] Fig.10 XRD patterns of TiZrNiCuBe bulk metallic glass and TiZrNiCuBe coating[54]

相關(guān)學(xué)者做了非晶涂層與常見(jiàn)陶瓷材料涂層的對(duì)比研究。王彥芳等人[55-56]使用Zr55Al10Ni5Cu30非晶態(tài)合金棒在ZL101 鋁合金表面制備了含非晶相的鋯基非晶涂層，涂層平均顯微硬度為1555HV0.01，約為基體的15 倍，為WC-10Co 硬質(zhì)合金涂層的1.5 倍，平均摩擦系數(shù)為0.096，40 min 磨損量為基體的1/12，為WC-10Co 硬質(zhì)合金涂層的1/2。Hong 等人[57]在沉積TiN 陶瓷涂層的基礎(chǔ)上制備了Zr 基非晶涂層，與TiN 涂層相比較，沉積非晶涂層后，涂層硬度下降了約420HV0.2，但因?yàn)槌练e非晶涂層后，涂層更加緊密且非晶涂層具備更好的斷裂韌性，涂層在12 N 載荷磨損試驗(yàn)中的耐磨性能為TiN 涂層的1.2～1.5 倍，約為基體的2.6 倍。目前對(duì)電火花沉積非晶涂層的研究相對(duì)較少，未來(lái)可成為一個(gè)主要的研究方向。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

電火花沉積技術(shù)因其涂層性能優(yōu)異、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性高、成本低的特點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)便獲得了廣泛的關(guān)注與研究，取得了較為深遠(yuǎn)的發(fā)展，已成為表面工程與再制造工程領(lǐng)域一項(xiàng)重要的技術(shù)。近年來(lái)的研究主要集中在結(jié)合各種高性能材料制備具有優(yōu)異性能的涂層，以及對(duì)電火花沉積技術(shù)的改進(jìn)。但電火花沉積技術(shù)涂層制備不均勻、沉積過(guò)程不穩(wěn)定、裂紋及孔洞缺陷多、存在涂層增厚極限等問(wèn)題一直沒(méi)有很好地解決，這限制了電火花沉積技術(shù)在大面積強(qiáng)化與修復(fù)、大規(guī)模工程應(yīng)用中的推廣。為了削減電火花沉積技術(shù)所存在的問(wèn)題，進(jìn)一步提高沉積涂層性能，推廣電火花沉積技術(shù)的應(yīng)用，其未來(lái)發(fā)展可能在以下幾方面展開(kāi)：

1）加強(qiáng)對(duì)電火花沉積機(jī)理的研究。對(duì)電火花沉積機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)是解決電火花沉積技術(shù)所存在的問(wèn)題，提高涂層性能的關(guān)鍵。需要進(jìn)一步探索工藝參數(shù)的改變，材料成分的變化，已形成涂層組織與結(jié)構(gòu)對(duì)極間火花放電狀態(tài)、材料的熔化凝固及質(zhì)量過(guò)渡機(jī)理、涂層性能的影響規(guī)律。

2）電火花沉積過(guò)程的自動(dòng)化。通過(guò)對(duì)電火花沉積過(guò)程的自動(dòng)化控制，可提高沉積的穩(wěn)定性與涂層的均勻性，并降低勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，關(guān)于電火花沉積自動(dòng)化的研究依舊處于起步階段，在電火花沉積工藝參數(shù)及沉積路徑的精確控制、大面積涂層的連續(xù)沉積方面需做進(jìn)一步的研究。其中，如何穩(wěn)定控制電極棒與基體之間的間隙，避免已沉積涂層表面粗糙度對(duì)火花再現(xiàn)性的影響，是實(shí)現(xiàn)電火花連續(xù)沉積的難點(diǎn)問(wèn)題。

3）結(jié)合其他技術(shù)手段。發(fā)揮不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，是進(jìn)一步提高涂層性能的重要手段。隨著熱冷循環(huán)的不斷進(jìn)行，涂層內(nèi)部熱應(yīng)力逐漸累積，這是造成涂層內(nèi)部裂紋缺陷，以及限制涂層厚度增加的主要原因之一?？商剿鹘Y(jié)合滾壓、熱處理、時(shí)效處理等技術(shù)手段，通過(guò)復(fù)合加工、預(yù)處理、后處理、輔助加工的方式，消除或均衡涂層內(nèi)部殘余熱應(yīng)力，嘗試解決涂層內(nèi)部裂紋多、增厚受限的問(wèn)題。此外，可以通過(guò)引入激光熔覆技術(shù)、感應(yīng)加熱技術(shù)等，提高涂層的沉積效率。

4）針對(duì)不同基體材料以及電火花沉積技術(shù)的涂層材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。材料成分與電火花沉積技術(shù)的不匹配是造成涂層內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、夾雜、過(guò)燒、裂紋、分層缺陷的重要原因之一，且涂層材料的性能將直接影響涂層的性能。在探索應(yīng)用各種高性能材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基體與涂層、沉積材料與工藝的最佳匹配，將是未來(lái)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。