电火花覆层热喷涂层.docx

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电火花覆层热喷涂层

前言：

随着现代化工业的迅速发展,对设备零件表面的物理、学的性能要求越来越高。

尤其一些大型关键设备如汽轮机、燃气轮机及航空发动机等在高温、速、压、高温氧化、腐蚀等恶劣条件下,零件材料受到破坏大多数从表面发生,如磨损、高温氧化等。

表面局部破坏往往导致整个设备的瘫痪,影响生产运行。

由此,改善材料的表面性能,会有效地延长其使用寿命。

目前主要有几种表面处理的技术,如电火花表面强化、电镀、激光熔覆、等离子弧热喷焊及热喷涂等手段。

电火花强化技术具有强化层厚度深,与基体冶金结合性能好,耐磨性,抗腐蚀性、度、导热、导电性能都良好。

其它几种处理技术存在不足如电镀的涂层较薄,与基体的结合力差;激光熔覆的熔覆层虽然与基体的结合性能好,但设备成本高,熔覆层表面光洁度差;等离子弧热喷焊焊层与基体层冶金结合牢固,但热影响范围大;热喷涂的涂层对基体热影响小,但结合力小,抗磨粒磨损和冲蚀磨损性能差。

相比以上各种技术的优缺点,本文旨在研究其中的电火花表面强化技术。

电火花表面强化技术是利用瞬间的高能量脉冲电能,在电极与基体材料间形成高温、高压区域,并将电极材料熔涂到基体表面,形成满足物理学和机械性能要求的处理技术。

这一技术在近几年来得到广泛认可,迄今为止,已在机械、空航天、力等领域得到广泛应用,取得了可观的经济效益。

关键字：

电火花、涂镀

1.电火花强化工作原理

电火花表面强化技术的基本原理是储能电源通过电极以10～2000Hz的频率在电极与工件之间产生火花放电,在10～10s内电极与工件接触的部位即达到8000～25000℃的高温,使该区域的局部材料熔化、化或等离子体化,将电极材料高速过度并扩散到工作表面,形成冶金结合型牢固强化层。

电火花强化工艺设备主要由振动器电源和振动器等构成。

振动器电源包括振动电源和脉冲电源。

工作时,振动电源给振动器供电,振动器夹持电极作上下往复或旋转运动,而脉冲电源给电极和工件供电,使两者之间产生电火花放电。

原理示意图如图1所示:

图1　电火花表面强化工作原理图

Fig.1Schematicdiagramofelectro-spark

surfacestrengthening

2　电火花强化工艺

电火花强化过程可分为三个阶段:

低压击穿条件形成阶段;火花放电阶段;电极与工件分离阶段。

主要强调强化过程中电极运动状态阶段性变化。

如图2所示:

图2　电火花表面强化过程的电极运动状态

Fig.2Motionofelectrodeduringthesurface

strengtheninginelectro–spark

低压击穿条件形成阶段,如图a,电路断路;火花放电阶段,如图b和c。

当电极向下运动并且与工件之间的间隙接近到一定距离时,间隙中的空气在所加电压的作用下被击穿,产生火花电,如图b。

使电极和工件材料表面局部熔化,甚至气化。

当电极继续接近工件并与工件接触时,如图c。

在接触点处流过短路电流,使该处继续加热,并以适当压力压向工件,使电极和工件表面熔化了的材料相互粘结,扩散形成熔渗层。

电极与工件离开阶段,如图d。

当电极离开工件,由于工件的体积和吸收、导的热容量比电极大,使靠近工件的熔化层首先散热急剧冷凝从而使电极表而熔融材料粘结,并覆盖在工件上。

3　电火花表面强化特点

电火花表面强化不仅有效地改善工件表面的性能,包括耐磨性,抗腐蚀性、硬度、导热、导电性能。

与常规表面化学热处理,电镀,激光熔覆,等离子弧热喷焊,热喷涂等表面强化工艺相比较,具有以下优点:

（1）电火花强化是在空气中进行,不需要特殊、复杂的处理装置和设备,如真空系统或特制的容器等,因此加工设备简单。

（2）热输入量小,被强化工件基体不产生退火或热变形,减少了原有工件尺寸和物性改变而造成的诸多后果,更好地适应现代工业零件拆装配套的要求。

（3）既可以对零件表面进行局部强化,也可以对一般几何形状的平面或曲面进行强化,比如模具、刀具和机械零件、对刃口和易磨损部位进行强化处理,就能达到提高硬度和耐磨性的目的。

（4）强化层与基体的冶金结合非常牢固,不会发生剥落。

因为强化层是电极和工件材料在放电时的瞬间高温高压条件下重新合金化形成的新合金层。

（5）强化层厚度、面粗糙度与脉冲电源的电气参数以及强化时间等有关,控制简单。

电火花强化处理后可作为最终工序,即使要求加工,余量也很小。

（6）电极材料选择范围广,容易实现异种材料强化层。

选用YG,YW类硬质合金、碳素钢和黄铜等材料,能形成高硬度、耐磨性、腐蚀的强化层。

这些电极材料来源比较广,耗量小。

（7）不会使工件退火或热变形。

电火花强化时虽然在放电瞬时能使材料熔化,以至形成汽化的高温。

由于放电时间很短,放电端点的面积又很小,因此放电的热作用只发生在工件表面的微小区域内。

（8）不需要复杂特殊的配套装置,操作简单、灵活,设备投资和运行费用低等。

（9）环保,经济,操作人员技术要求低等优势。

4　电火花强化技术的发展概况

4.1　电火花强化设备发展历史

20世纪40年代,前苏联的学者拉扎连柯夫妇在研究电腐蚀现象的基础上首次将电腐蚀原理运用到了生产加工制造领域,并于1943年提出电火花表面强化工艺（ElectricalDischargeHardening简称EDH）,收到了显著的效果。

1950年,前苏联中央电气科学研究所研制了уир系列电火花表面强化机,中央机器与工艺学研究所也研制了иЕ系列电火花表面强化设备。

欧美和日本分别从五十年代和六十年代开始研究和应用电火花表面强化工艺,主要产品有美国制造的1269、TVNGCARB220和F-5,英国制造的SPARKCARD,法国制造的CARBUMATIG,日本制造的DEPOSITION等。

这些设备一般为功率在200W以内的手工操作设备,主要用于模具和刀具的表面强化。

1964年,摩尔达维亚科学院应用物理研究所及所属基希涅人实验工厂研制了手工操作和机械化的зиф中系列强化机C711,在前苏联的机器制造、具、器等工业部门得到广泛应用,该厂在七十年代生产了采用可控硅和晶体管脉冲发生器的新型зи系列强化机,改变了合金化控制方法,并使用了新型操作工具。

1978～1979年间在前苏联应用的37台зфиI系列强化设备节约了大量更换新设备费用。

进入九十年代后,日本的电火花强化技术得到很大发展,研制的电火花强化设备功率较大,涂层厚度有所增加,可获得较均匀的表面强化层。

我国应用电火花表面强化工艺始于20世纪50年代末,由于当时缺乏基础理论和应用技术等,未能得到推广。

1977年,机械工业部苏州电加工机床研究所开始对强化工艺和设备进行系统的分析和研究,研制出了D91系列。

该系列强化机是由泰州海陵电器厂批量生产,并且大量地应用于已磨损的模具、具和机器零件的强化和微量修补及在淬火工件上打孔、去除折段的工具,取得了良好的经济效益。

上世纪90年代,强化机在研制上取得了新的进展,航空第一集团下属的西安庆安集团有限公司研制出了一种ZS-116型号的电火花表面强化机。

强化特点是电流调节范围大,可用于多种电火花强化工艺。

目前,中国科学院金属研究所研制出了一系列3H-ES型脉冲发电电火花表面强化修复机高能电微弧脉冲冷焊加工设备,是基于对电焊冶金过程的时间与空间微分化处理的结果。

特点是热影响小、件不变形,沉积层与基材之间冶金结合牢固,亦可以很方便地到现场进行在线表面强化与修复。

4.2　电火花强化理论研究现状

电火花强化技术这个概念最早是由前苏联学者提出,并命名为电火花合金化,而在日本称为电火花表面沉积/堆焊。

国外研究者在电火花强化理论方面,进行了比较广泛和深入的研究。

前苏联学者研究了强化层的形式和得到最佳强化效果的相关结论。

E.Levashow等人使用高分辨率电子显微镜、X射线光电子光谱对铝合金强化层的微观结构和化学成分进行了分析。

这些研究奠定了电火花强化技术的基础。

国内一些高等院校和机械设计院在电火花强化机理和应用方面做了大量工作。

为了在实用中能获得最佳强化过程,并提前预测强化层的特性,就必须知道影响强化层相结构、理化学性能、力状态和它的硬度、粗糙度、耐磨性、高温稳定的各种因素。

这些因素包括电极材料、介质成分、电气参数、电极振动方式等,很多研究者都作了相关理论的研究。

进入20世纪90年代,随着现代化科技的发展,人们对强化机理有了更深一步的了解,电火花表面强化技术得到进一步的发展。

近年来,国内对电火花表面强化层厚度影响的因素做出了大量的实验研究和归纳。

电火花强化工艺中,强化层厚度最能体现强化的效果,以下几点是说明工艺参数与强化层厚度的关系:

（1）强化层的厚度与电气参数有关系。

相应提高电压值、容值,对提高涂层厚度有效。

新型设备较传统设备强化功率有较大的提高,提高单个脉冲能量,有利于涂层增厚。

（2）强化层的厚度与电极的物理性能有很大关系。

熔点高、热和导电性能好的材料,涂层对涂层厚度没有明显增加。

（3）强化层的厚度与强化时间有关系。

采用新型设备,较传统机强化时间极大地缩短,涂层的厚度提高1～2mm,涂层的表面质量较好。

（4）强化层的厚度与使用保护气体有关。

使用氩气保护,可以防止电极材料的氧化,有利于电极材料的均匀过度,有效改善涂层的质量。

（5）强化层的厚度与电极的运动方式有关。

电极采用旋转式,相对于传统设备的振动式由点堆积的不连续和不均匀性变为线接触,保证涂层的均匀连续性。

同时旋转电极还提高了强化速率。

5　电火花强化技术应用研究

5.1　在模具修复中的应用

电火花强化广泛应用于模具强化及零件微量磨损的修复。

张健等人利用俄式SE-5.01振动式电火花表面强化机在CrNi3MoVA钢表面沉积研究。

参数选用输出电压70V,工作电容280F,氩气保护分压0.12～0.16MPa,强化速度2min/cm。

某机械修造厂的一台内燃机齿轮端盖成型用铝-Ti为电极和较高的电参数,再经油石研磨处理,强化层的硬度为1500HV,使模具寿命由压铸1～2万件提高到8万件,大大增加了经济效率。

52　在航空工业中的应用

航空航天中的零部件的材料表面出现破损要求修复和强化的电极材料综合性能很高,钛合金正广泛应用于这一领域。

汪瑞军、健等人用DZ2000电极旋转式高能电火花表面强化机对TC1合金表面强化研究。

参数选用最大功率2000W,输出电压50～250V,放电频率2000HZ,氩气保护;何鹏等人DZ1400电火花沉积机对TC1合金表面强化。

参数选用输出电压70V,工作电容180F,氩气保护。

沈阳黎明航空公司飞机发动机某件接触区受到磨损,由于钛合金对碳和氧的亲和力大,对磨损部位进行表面渗碳,取得了良好的效果,渗碳层的厚度100μm,显微硬度为70HRC以上。

湖南耒阳电厂2007年的4#机组大修,该机组的汽轮机常期运行,高低压转子轴端表面受到不同程度的磨损,采用了电火花技术修复,保证了汽轮机的正常运行,取得了良好的经济效益。

王建升等人采用DZS-1400电火花沉积设备用YG8电极材料在1Cr15Ni9Ti不锈钢表面沉积。

参数选用功率300W,电压100V,频率700Hz,氩气保护。

通常在汽轮机末级叶片叶端侧面易发生水蚀。

为了提高叶片抗热疲劳性和抗水蚀性,本实验室采用由中科院金属研究所研制的3H-ES-6型电火花表面强化修复机,对25000kW汽轮机末级已水蚀叶片进气边强化,叶片材料为2Cr13,电极材料采用YT15和较高的电参数,强化和后处理得到强化层深度为0.5mm,表面硬度850HV。

修复机的功率1600W,电压150V,频率800Hz,氩气保护。

经电火花强化处理后,沉积层硬度高,无残余应力,满足了设备的正常运行。

在3～5年内能保持进汽边型线不受水蚀损坏,并可在电厂进行现场修复。

6.电火花强化技术的发展趋势

随着现代化工业的迅速发展,对大型关键设备的性能和剩余寿命要求越来越高,为了满足新工艺、技术的要求,电火花强化技术应在下几个方面

（1）开发更为新型的电火花强化设备,因为电花强化设备性能对沉积层的厚度和质量影响非常大。

（2）从深入沉积的机理,提高沉积层的质量和沉积效率着手研究,深入研究不同电极材料的沉积层形成规律、性、组织状态、相结构和应力分布以及沉积层的均匀性和连续性与功率能量的关系。

（3）研究不同材料强化工艺参数;通过选择和控制电火花沉积参数获得最佳沉积层质量。

同一沉积表面,应用多种电极材料沉积的工艺,复合沉积工艺。

（4）扩大应用领域。

除了在机械制造、力、空、机、器、通、工等行业的各类工具、模具，零部件上广泛应用外，还应在能源,医疗器械中推广应用。

7.结语

电火花表面强化技术是具有特殊强化效果和独特技术价值的一种工艺，未来发展强力巨大。

随着科学技术的不断发展和人们对强化技术的认识，电火花表面强化技术将会得到更进一步的发展，在材料表面强化和零部件修复中发挥重要作用，具有广阔的发展前景和应用价值。