張 桐，李 敏，丁 磊，史康橋，蔡蘭蓉，謝 雷，王 濤

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，具有各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)與特殊工藝要求的工件逐漸增多，對(duì)金屬材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蝕性等性能要求越來越高，因此金屬材料表面改性越來越重要。金屬材料表面改性不僅可以保持材料自身優(yōu)異的性能，還能大幅提高材料表面質(zhì)量。目前金屬材料表面改性可以通過激光表面熔覆、熱噴涂及電火花表面強(qiáng)化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，電火花表面強(qiáng)化技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在金屬材料表面改性方面應(yīng)用廣泛。自20世紀(jì)40年代以來，傳統(tǒng)的電火花表面強(qiáng)化技術(shù)研究主要集中在單一工作介質(zhì)（氣或液）方面，1970年后電火花表面強(qiáng)化技術(shù)有了新進(jìn)展，出現(xiàn)了以混合粉末或氣液混合物（也稱準(zhǔn)干式）為工作介質(zhì)的電火花表面強(qiáng)化技術(shù)[1]。此外，在準(zhǔn)干式工作介質(zhì)中混入多種粉末時(shí)，基體、電極及介質(zhì)組元在基體表面發(fā)生原位自生反應(yīng)，生成多相增強(qiáng)體，實(shí)現(xiàn)對(duì)基體的混雜強(qiáng)化，即混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化?；旆蹨?zhǔn)干式工作介質(zhì)是固液氣三相介質(zhì)，結(jié)合了準(zhǔn)干式工作介質(zhì)和混粉工作介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，所生成的強(qiáng)化層更加致密，與基體結(jié)合力強(qiáng)，材料表面質(zhì)量顯著提高，因此混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化技術(shù)在材料表面強(qiáng)化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究以不同工作介質(zhì)為研究對(duì)象，重點(diǎn)探討了液體、氣體、準(zhǔn)干式和混粉準(zhǔn)干式4種不同工作介質(zhì)對(duì)材料強(qiáng)化層組織與性能的影響，并展望混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化技術(shù)的未來發(fā)展方向。

1 以液體為工作介質(zhì)的電火花表面強(qiáng)化技術(shù)

最早的電火花表面強(qiáng)化技術(shù)（圖1）是在油基和水基等液體工作介質(zhì)中進(jìn)行的，液體工作介質(zhì)具有良好的流動(dòng)性，在穩(wěn)定火花放電的同時(shí)，起到了冷卻電極和工件的作用，降低了強(qiáng)化過程中基體材料發(fā)生熱膨脹對(duì)強(qiáng)化層產(chǎn)生的不良影響。煤油工作介質(zhì)黏度低，介電性高，碎屑易于沖洗，加工過程中幾乎不發(fā)生電解。因此，在液體電火花表面強(qiáng)化中得到了廣泛的應(yīng)用。湯精明[2]等以煤油為工作介質(zhì)對(duì)U70MnSi和40Cr鋼進(jìn)行電火花表面強(qiáng)化，制備出了厚度約70 μm的強(qiáng)化層，并在強(qiáng)化層中發(fā)現(xiàn)了Fe7C3、BN、Cr2N等高硬耐磨相，使其強(qiáng)化層的耐磨性提升了4倍左右。朱翠雯等[3]以煤油為工作介質(zhì)，對(duì)釹鐵硼材料進(jìn)行表面強(qiáng)化，獲得了硬度高、耐腐蝕性好的強(qiáng)化層，且強(qiáng)化層硬度約是基體的1.5倍。強(qiáng)化過程中原子不斷擴(kuò)散，產(chǎn)生了非晶態(tài)合金相，從而使釹鐵硼材料的表面性能得以改善。以煤油作為工作介質(zhì)時(shí)，可以制備出性能良好的強(qiáng)化層，但煤油工作介質(zhì)易揮發(fā)，有異味，會(huì)釋放出苯、多環(huán)芳烴和礦物氣溶膠等有毒氣體，因此需要建立生態(tài)友好的電火花表面強(qiáng)化過程，水作為一種理想的工作介質(zhì)流體，具有電導(dǎo)率低、冷卻性好等優(yōu)點(diǎn)，成為目前最常用的電火花表面強(qiáng)化工作介質(zhì)。Kruth等[4]對(duì)比了煤油和去離子水兩種工作介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)使用煤油介質(zhì)時(shí)，強(qiáng)化層中的含碳量增加，是基體的4倍左右，而使用去離子水時(shí)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)化層脫碳，減少了約50%。Chen等[5]研究了煤油和蒸餾水兩種工作介質(zhì)對(duì)TC4鈦合金強(qiáng)化層組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)以煤油為工作介質(zhì)時(shí)，強(qiáng)化層會(huì)形成碳化物，而使用蒸餾水時(shí)，強(qiáng)化層會(huì)形成氧化物，與煤油工作介質(zhì)相比，蒸餾水所制備出的強(qiáng)化層表面出現(xiàn)了較多的裂紋。因?yàn)檎麴s水的流速比煤油高，從而導(dǎo)致強(qiáng)化過程中冷卻速度變快，由于熱應(yīng)力強(qiáng)化層表面產(chǎn)生了大量的微裂紋。

圖1 液中電火花表面強(qiáng)化示意圖

水基工作介質(zhì)與煤油工作介質(zhì)相比更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保，但水基工作介質(zhì)流速快，冷卻過程中由于熱應(yīng)力分布不均勻而導(dǎo)致大量裂紋產(chǎn)生，從而影響強(qiáng)化層表面質(zhì)量，因此一些學(xué)者通過在液體工作介質(zhì)中混入不同的導(dǎo)電粉末來降低介質(zhì)流體的絕緣強(qiáng)度和增加兩極之間的火花間隙，來改善材料表面質(zhì)量。常用的強(qiáng)化粉末有SiC粉、Al2O3粉、Al粉、Si粉、Cr粉、Fe粉、Ti粉等。Yih-Fong等[6]研究了Al粉、Cr粉、Cu粉和SiC粉作為強(qiáng)化粉末對(duì)鋼進(jìn)行電火花表面強(qiáng)化，發(fā)現(xiàn)Al粉作為強(qiáng)化粉末所制備出的強(qiáng)化層表面粗糙度較低，而Cu粉對(duì)材料表面強(qiáng)化的效果不理想，主要因?yàn)镃u粉的質(zhì)量大，在強(qiáng)化過程易沉積所致。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，影響強(qiáng)化層表面粗糙度的關(guān)鍵因素是工作介質(zhì)的濃度和強(qiáng)化粉末的大小、電阻率和導(dǎo)熱系數(shù)。

以液體為工作介質(zhì)的電火花表面強(qiáng)化技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但以為煤油為工作介質(zhì)時(shí)，存在安全和環(huán)境污染問題。在未來發(fā)展中，環(huán)境可持續(xù)性和能源效率逐漸成為液體電火花表面強(qiáng)化技術(shù)的主要影響因素。

2 以氣體為工作介質(zhì)的電火花表面強(qiáng)化技術(shù)

氣體作為電火花表面強(qiáng)化的工作介質(zhì)在1997年由Kunieda[7]首次提出，它的出現(xiàn)打破了絕緣性液體作為電火花表面強(qiáng)化工作介質(zhì)這一傳統(tǒng)觀點(diǎn)。氣體電火花表面強(qiáng)化技術(shù)（圖2）是以氧氣、氮?dú)夂涂諝獾葰怏w作為工作介質(zhì)，采用中空管狀電極使高壓氣體從中噴出，高速氣體的噴入可以起到冷卻電極和工件、消除電離、恢復(fù)絕緣等作用。以氣體作為工作介質(zhì)，可以有效地解決傳統(tǒng)電火花表面強(qiáng)化過程中存在的環(huán)境和安全問題，降低了廢物管理成本，是一種綠色環(huán)保的工作介質(zhì)。氣體作為一種更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)的工作介質(zhì)，備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。高上品[8]提出在鋼類材料在電火花加工過程中，施加氧氣工作介質(zhì)有助于提高材料的加工速度；而使用氮?dú)夤ぷ鹘橘|(zhì)和鈦電極時(shí)，強(qiáng)化層中會(huì)出現(xiàn)氮化鈦相，使得材料表面硬度和耐磨性提高。因此針對(duì)不同的基體材料，合適的氣體尤為重要。李立青等[9]研究了氬氣、氮?dú)?、氧氣以及空氣四種氣體介質(zhì)對(duì)45#鋼加工速度的影響，發(fā)現(xiàn)氧氣的加工速度較快，而氬氣較慢，主要是氣體的物理性質(zhì)不同所導(dǎo)致的。由于高速氣體的噴入，碎屑更易排除，容易造成集中放電，產(chǎn)生“拉弧”現(xiàn)象，影響電火花加工過程的穩(wěn)定性和加工速度，從而影響強(qiáng)化層質(zhì)量，甚至燒傷工件。徐明剛等提出超聲振動(dòng)輔助氣體介質(zhì)電火花復(fù)合加工技術(shù)，認(rèn)為超聲振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械攪拌作用、破碎作用和空化作用，可以控制放電通道的形成，增強(qiáng)電場(chǎng)的畸變和波動(dòng)性，從而解決了“拉弧”現(xiàn)象，通過數(shù)值模擬分析[10]與實(shí)驗(yàn)[11]相結(jié)合的方式對(duì)超聲振動(dòng)-氣體介質(zhì)電火花復(fù)合加工YT15硬質(zhì)合金進(jìn)行了詳細(xì)的分析，發(fā)現(xiàn)引入超聲振動(dòng)后，放電間隙得以改善，有效地提高了材料去除率，并減少了短路現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 氣體電火花表面加工原理圖

氣體電火花表面強(qiáng)化技術(shù)具有綠色無污染、電極磨損率低、生產(chǎn)制造成本低、殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)。但氣體工作介質(zhì)黏度和熱導(dǎo)率低，容易出現(xiàn)開路和頻繁短路現(xiàn)象，導(dǎo)致電弧穩(wěn)定性差，強(qiáng)化效率低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的成型加工，限制了氣體電火花表面強(qiáng)化技術(shù)在生產(chǎn)制造中的應(yīng)用。為此，一些學(xué)者提出了壓電制動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、低溫冷卻工件和超聲振動(dòng)等多種輔助方法，有望解決氣體電火花表面強(qiáng)化技術(shù)存在的碎屑沉積、強(qiáng)化精度差等不足，但存在工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴等問題。

3 準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化技術(shù)

準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化技術(shù)是傳統(tǒng)電火花表面強(qiáng)化技術(shù)的一種環(huán)保型變體，它結(jié)合了氣體工作介質(zhì)和液體工作介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，是以氣液混合物為工作介質(zhì)，與氣體和液體工作介質(zhì)相比，具有更快的加工速度和更高的材料去除率，且加工過程中放電更穩(wěn)定，碎屑沖洗性更好[12]。李利等[13]發(fā)現(xiàn)使用準(zhǔn)干式工作介質(zhì)所制備出的45#鋼強(qiáng)化層電蝕坑大而淺，且較均勻，而使用煤油介質(zhì)所得的45#鋼強(qiáng)化層電蝕坑小而深，且較粗糙。這是由于準(zhǔn)干式工作介質(zhì)在電火花放電過程中形成的等離子通道受到慣性動(dòng)力壓縮作用較弱，因此放電開始階段通道截面擴(kuò)展比煤油介質(zhì)快，致使等離子通道內(nèi)電流密度下降，熱量在基體上的分散面積增大，基體單位時(shí)間內(nèi)在準(zhǔn)干式工作介質(zhì)中吸收的能量相比于煤油介質(zhì)中較小所致。由于兩相對(duì)流方式產(chǎn)生的準(zhǔn)干式工作介質(zhì)霧滴過大，使得短路發(fā)生率提高。針對(duì)霧化方式產(chǎn)生的水霧不均勻現(xiàn)象，萬東揚(yáng)等[14]采用超聲霧化的方式來提高強(qiáng)化過程中放電的穩(wěn)定性，強(qiáng)化過程中霧滴更加均勻，粒徑可縮小至5 μm，大大降低了短路率，且產(chǎn)生的強(qiáng)化層厚度是煤油介質(zhì)條件下的3倍左右，因?yàn)閭?cè)向噴霧大范圍的對(duì)工件進(jìn)行冷卻，使碎屑排除充分，從而提高了強(qiáng)化層表面質(zhì)量。李敏等[15]對(duì)TC4鈦進(jìn)行電火花表面強(qiáng)化，研究了煤油和去離子水-空氣（準(zhǔn)干式）兩種工作介質(zhì)對(duì)TC4鈦強(qiáng)化層組織與性能的影響。發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)干式工作介質(zhì)條件下所生成的強(qiáng)化層較煤油介質(zhì)下所生成的強(qiáng)化層更加致密，因?yàn)闇?zhǔn)干式介質(zhì)的冷卻性和沖洗性好所致，且兩種介質(zhì)條件下的強(qiáng)化層硬度基本相同，可達(dá)800 HV左右。楊慧等[16]發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)干式工作介質(zhì)條件下所制備出的H13鋼強(qiáng)化層更加平整，且強(qiáng)化層的平均厚度是煤油介質(zhì)條件下的2倍左右，平均硬度約為1286 HV，而煤油介質(zhì)條件下強(qiáng)化層的平均硬度為855 HV，因?yàn)闇?zhǔn)干式工作介質(zhì)所制備出的強(qiáng)化層中出現(xiàn)了Fe3C相所致。除此之外，Dhakar等[17]提出了準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化的材料去除機(jī)理，通過自制的介質(zhì)混合裝置將高黏度甘油與空氣混合制成準(zhǔn)干式工作介質(zhì)，對(duì)高速鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化，與水-空氣和煤油-空氣兩種工作介質(zhì)相比，甘油-空氣工作介質(zhì)的材料去除率約是其他兩種工作介質(zhì)的3倍，由于甘油黏度高，強(qiáng)化過程中產(chǎn)生了更多的熱量和氣體壓力，導(dǎo)致基體熔池中熔融材料增多，從而增加了材料去除率；并且煤油-空氣工作介質(zhì)與煤油工作介質(zhì)相比[24]，氣體排放量減少了約97%，從而減輕了環(huán)境污染和對(duì)人體的傷害。

準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化技術(shù)在加工過程中無需工作介質(zhì)循環(huán)，減少了有害氣體的排放，減輕了生態(tài)危害，是一種綠色環(huán)保的加工工藝。但仍存在很多不足，如工作介質(zhì)不均勻、容易發(fā)生串聯(lián)放電和強(qiáng)化層裂紋較多等問題，從而影響強(qiáng)化層表面質(zhì)量，因此開發(fā)新型工作介質(zhì)仍是該領(lǐng)域前沿研究熱點(diǎn)。

4 混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化技術(shù)

混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化技術(shù)（圖3）是一種新型的電火花表面強(qiáng)化工藝，在準(zhǔn)干式工作介質(zhì)的基礎(chǔ)上加入不同的導(dǎo)電粉末，形成了固液氣三相介質(zhì)。在加工過程中，由于強(qiáng)化粉末的加入，能夠有效降低工作介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度，以使兩極間間隙發(fā)生串聯(lián)放電，從而增加兩極之間的火花間隙，使加工過程中火花放電更加穩(wěn)定，從而提高蝕除速度，且在加工過程中電極材料、粉末材料與基體發(fā)生冶金反應(yīng)，可以形成多種強(qiáng)化相，實(shí)現(xiàn)對(duì)基體表面的混雜強(qiáng)化。Bai等闡述了混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化機(jī)理和材料去除機(jī)理[18]，提出了去離子原理，并根據(jù)峰值電流、脈寬、流速三個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)，建立了材料去除率回歸方程[19]。李敏等[20]發(fā)現(xiàn)B4C-去離子水-空氣（混粉準(zhǔn)干式）工作介質(zhì)條件下所制備出的TC4鈦強(qiáng)化層較煤油和去離子水-空氣（準(zhǔn)干式）條件下所制備出的強(qiáng)化層更加致密平整，且裂紋較少（圖4）[20]，在相同條件下，準(zhǔn)干式工作介質(zhì)閾值場(chǎng)強(qiáng)度較小，分形維數(shù)（D）較大（圖5）[20]，放電區(qū)域的熱量更加均勻，而混粉準(zhǔn)干式工作介質(zhì)的放電機(jī)理與準(zhǔn)干式工作介質(zhì)相似，B4C強(qiáng)化粉末的加入致使強(qiáng)化層表面質(zhì)量較好，并在強(qiáng)化層中發(fā)現(xiàn)了相對(duì)較高自由能的Al3.3Ti亞穩(wěn)相[21]，大大提高了強(qiáng)化層硬度。Sundriyal等[22]以Al粉、Si粉、Cr粉作為強(qiáng)化粉末，空氣和介質(zhì)油作為準(zhǔn)干式工作介質(zhì)，研究了不同工作介質(zhì)對(duì)EN-31鋼強(qiáng)化層組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)Al粉作為強(qiáng)化粉末時(shí)，材料去除率提高了45.04%；Si粉作為強(qiáng)化粉末時(shí)，強(qiáng)化層表面粗糙度降低了45.33%；Cr粉作為強(qiáng)化粉末時(shí)，電極磨損率減少了60.60%。在混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化中強(qiáng)化粉末材料是影響放電間隙的主要因素，因此針對(duì)不同的基體材料，選擇合適的強(qiáng)化粉末至關(guān)重要。值得注意的是，混粉準(zhǔn)干式工作介質(zhì)的擊穿電壓是氣體工作介質(zhì)的9倍，是準(zhǔn)干式工作介質(zhì)的3倍[23]，意味著混粉準(zhǔn)干式工作介質(zhì)的放電過程更加穩(wěn)定，火花分布更均勻，從而能夠有效降低強(qiáng)化層表面的殘余應(yīng)力，減少強(qiáng)化層的微裂紋的產(chǎn)生，使強(qiáng)化層表面質(zhì)量得到改善。但在粉末濃度和粒徑的選擇上還有待進(jìn)一步的研究，強(qiáng)化粉末濃度過高會(huì)導(dǎo)致短路，影響強(qiáng)化層表面質(zhì)量；強(qiáng)化粉末粒徑過大會(huì)導(dǎo)致流體污染和去離子程度降低。

圖3 混粉準(zhǔn)干式電火花表面加工原理圖

圖4 不同介質(zhì)表面強(qiáng)化后TC4鈦合金微觀組織形貌

圖5 針板電極中不同工作介質(zhì)的仿真圖形及分形維數(shù)

5 結(jié)論與未來發(fā)展趨勢(shì)

電火花表面強(qiáng)化技術(shù)自出現(xiàn)以來得到了廣泛關(guān)注，已成為表面改性領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷開發(fā)新型工作介質(zhì)以提高材料表面質(zhì)量，改善材料力學(xué)性能，促進(jìn)了電火花表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。其中混粉準(zhǔn)干式工作介質(zhì)是固液氣三相工作介質(zhì)，并已制備出性能優(yōu)異的強(qiáng)化層。但混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化技術(shù)仍存在放電不穩(wěn)定、強(qiáng)化層不均勻、微裂紋和孔洞等缺陷較多、強(qiáng)化層較薄等問題，限制了混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化技術(shù)在大規(guī)模工程應(yīng)用中的推廣，針對(duì)現(xiàn)階段存在的問題，在未來發(fā)展中混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化技術(shù)可以從以下方面作進(jìn)一步探索：

（1）提高介質(zhì)生成機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性?；旆蹨?zhǔn)干式工作介質(zhì)生成機(jī)構(gòu)是固液氣三相介質(zhì)的發(fā)生裝置，在混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化過程中具有非常重要的作用?？梢哉{(diào)控三相介質(zhì)的流速、液滴粒徑等，可以對(duì)三相工作介質(zhì)的輸出加以控制，以改善混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化過程中因工作介質(zhì)不均勻而導(dǎo)致的放電不穩(wěn)定問題。

（2）深入研究強(qiáng)化粉末材料對(duì)工作介質(zhì)放電特性的影響。霧狀介質(zhì)中電火花放電的擊穿電壓為空氣擊穿電壓的1/3左右，而混粉準(zhǔn)干式工作介質(zhì)的擊穿電壓為空氣擊穿電壓的1/9左右。強(qiáng)化粉末材料的混入使其采用較大的加工間隙便可獲得穩(wěn)定的放電，降低短路發(fā)生率。但不同強(qiáng)化粉末的放電特征仍不明晰。

（3）需進(jìn)一步研究混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化機(jī)理。研究混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化機(jī)理是提高材料強(qiáng)化層質(zhì)量的關(guān)鍵，深入研究工藝參數(shù)、電極材料、強(qiáng)化粉末材料等因素對(duì)強(qiáng)化層組織、質(zhì)量及性能的影響，以及材料的過渡機(jī)理和粒子遷移機(jī)理。

（4）與其他技術(shù)手段相結(jié)合。充分借鑒超聲振動(dòng)輔助電火花加工技術(shù)，將超聲振動(dòng)與混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化技術(shù)相結(jié)合，以期獲得彌散、均勻的三相介質(zhì)，進(jìn)而改善強(qiáng)化層表面質(zhì)量。