(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

微弧火花沉積(Micro-arc spark deposition)也稱為電火花沉積(Electro-spark deposition)，是一種脈沖顯微焊接技術(shù)，它是利用短周期、高頻率的脈沖放電，使電極尖端的材料熔化并形成熔滴過(guò)渡到工件上，獲得冶金結(jié)合的表面涂層[1-4]。微弧火花沉積具有熱輸入量集中、熱影響區(qū)小、能夠直接沉積制備出任意形狀和尺寸涂層等優(yōu)點(diǎn)。另外，電火花沉積屬于超快速熔凝過(guò)程，在基體的金屬快速導(dǎo)熱作用下，能夠形成極大的冷卻速度和溫度梯度，許多傳統(tǒng)材料的沉積都表現(xiàn)出新的顯微結(jié)構(gòu)特征，相關(guān)性能得到顯著提高[5-7]。近年來(lái)，電火花沉積已經(jīng)由最初模具的表面強(qiáng)化和修復(fù)擴(kuò)展到航空、航天、能源、軍事和醫(yī)療等眾多領(lǐng)域，是表面改性及再制造修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域非常重要的新型技術(shù)手段之一[8-10]。Chen等[11]使用Mg-Nd作為電極材料，在不同電壓、頻率和功率的工藝參數(shù)下進(jìn)行單脈沖沉積實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沉積斑都呈現(xiàn)相似的飛濺形貌，并提出了“飛濺-氣化”物理模型。Assarzadeh等[12]使用有限元技術(shù)對(duì)單脈沖放電進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)脈沖放電中心處溫度在5 μs內(nèi)迅速達(dá)到9×104℃，足以將材料熔化和氣化，并且基體軸線溫度梯度高于徑向，單脈沖沉積實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沉積斑直徑為95.2 μm，深度為27.6 μm，與模擬結(jié)果一致。單脈沖沉積是微弧火花沉積的基礎(chǔ)，為了進(jìn)一步掌握微弧火花加工的基本規(guī)律及沉積機(jī)制，仍有必要進(jìn)一步了解微弧火花單脈沖沉積的機(jī)理。同時(shí)，微弧火花沉積過(guò)程受工藝參數(shù)影響較大，所形成沉積斑形態(tài)各異，而目前對(duì)各種形態(tài)的沉積斑研究還不充足。

筆者采用高能微弧火花沉積技術(shù)進(jìn)行了單脈沖沉積實(shí)驗(yàn)，從形態(tài)角度出發(fā)研究單脈沖放電沉積斑特點(diǎn)及形成機(jī)理，以期為相關(guān)的研究和應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 微弧火花沉積基本原理

微弧火花沉積原理如圖1所示。將電極材料與脈沖電源的陽(yáng)極相連，而金屬基體接脈沖電源的陰極。通常在惰性氣體或空氣中，高速旋轉(zhuǎn)的電極逐漸向基體靠近，使得兩者間的間隙不斷變小。當(dāng)間隙小到一定值時(shí)，氣體介質(zhì)將被電離擊穿，形成高溫、高壓的等離子放電通道。在極短時(shí)間內(nèi)釋放的脈沖能量將電極尖端和基體表面局部區(qū)域的金屬材料熔化、氣化。電極尖端材料熔化形成熔滴，并在重力、等離子流力和電磁力的綜合作用下過(guò)渡到基體表面，與基體發(fā)生冶金結(jié)合。單脈沖沉積斑是指進(jìn)行一次脈沖放電所形成的沉積斑點(diǎn)。

圖1 微弧火花沉積示意圖Fig.1 Sketch of micro-arc spark deposition

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

微弧火花沉積實(shí)驗(yàn)的基體(12 mm×8 mm×3 mm)和電極(φ2.0 mm)都選用相同成分的鐵基(Fe-Ni-Cr系)合金材料，其化學(xué)成分如表1所示。在實(shí)驗(yàn)前，電極表面用600# SiC砂紙打磨，基體表面用240#，600#和1 000# SiC砂紙逐次打磨，去除兩者表面的氧化皮。然后放入無(wú)水乙醇中超聲清洗5 min，去除油污，并用熱風(fēng)吹干備用。

表1 電極和基體材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of electrode and substrate material

單脈沖沉積實(shí)驗(yàn)使用3H-ES-6型微弧火花沉積裝置，在C2功率檔位下進(jìn)行。同時(shí)，在沉積過(guò)程中使用氬氣進(jìn)行保護(hù)。沉積實(shí)驗(yàn)完成后，使用TESCAN VEGA-3-SBH型掃描電鏡(SEM)對(duì)沉積斑的表面顯微形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果及分析

2.1 沉積斑表面形貌

從微弧火花沉積單脈沖表面形態(tài)來(lái)看，可以把沉積斑分為3類：飛濺沉積斑、熔滴粘連沉積斑和破碎沉積斑，分別如圖2～4所示。

圖2為典型的微弧火花飛濺沉積斑表面形貌。沉積斑近似呈圓形，直徑約為520 μm，邊緣具有不規(guī)則放射狀飛濺特征，如圖2(a)所示。單脈沖沉積斑中心略微凹陷成微坑且表面相對(duì)粗糙，內(nèi)部表面呈現(xiàn)“水波紋”特征。在單脈沖沉積過(guò)程中，由于熔池內(nèi)液態(tài)金屬的溫度場(chǎng)不均勻、濃度不均勻和表面張力的差異導(dǎo)致其具有一定的流動(dòng)性，使得在流動(dòng)過(guò)程中瞬間冷卻凝固產(chǎn)生波紋狀。同時(shí)，在飛濺物末端存在球形凸起，如圖2(b)所示。這與文獻(xiàn)[13]中的單脈沖沉積斑形貌一致。

圖3為典型熔滴過(guò)渡時(shí)，因產(chǎn)生粘連而形成的單脈沖沉積斑表面形貌圖。從圖3(a)可以看到：熔滴粘連沉積斑直徑約為500 μm，其邊緣形貌與飛濺沉積斑類似，都具有放射狀飛濺特征。此外在沉積斑的邊緣區(qū)域，存在一個(gè)直徑約為200 μm的斷裂面。進(jìn)一步對(duì)白色方框區(qū)域進(jìn)行放大觀察，發(fā)現(xiàn)斷裂面較為整齊，內(nèi)部呈現(xiàn)出直徑約1 μm的柱晶形態(tài)，如圖3(b)所示。微弧火花沉積過(guò)程中，柱晶的形成是由于熔滴凝固速度極快(高達(dá)108～109℃/s[14])造成的。

圖2 飛濺沉積斑表面形貌Fig.2 Surface morphology of splash spot

圖3 熔滴粘連沉積斑表面形貌Fig.3 Surface morphology of droplet adhesion spot

圖4為凌亂破碎的單脈沖沉積斑。從圖4(a)中可以發(fā)現(xiàn)：沉積斑無(wú)明顯邊界和飛濺，呈高溫金屬液體破碎的不規(guī)則凝固狀態(tài)。這與其他兩種類型沉積斑的表面形貌有明顯的區(qū)別。而對(duì)白色方框區(qū)域放大觀察發(fā)現(xiàn)：沉積斑表面存在大量微小的蝕坑。同時(shí)蝕坑周圍存在不規(guī)則凸邊，內(nèi)部有輕微凹陷，如圖4(b)所示。此類蝕坑大小不一，直徑基本小于10 μm，部分直徑能達(dá)到30 μm。

圖4 破碎沉積斑表面形貌Fig.4 Surface morphology of messy broken spot

分析認(rèn)為：在極短的脈沖放電過(guò)程中，電極與基體之間微小區(qū)域因氣體發(fā)生電離而產(chǎn)生高溫及高壓，放電點(diǎn)附近的金屬瞬間融化和氣化。由于這一過(guò)程十分短暫，金屬的熔化和氣化具有爆炸特性，爆炸力把熔化和氣化的材料拋離金屬表面，從而形成蝕坑。

2.2 熔滴受力分析

雖然微弧火花單脈沖沉積斑形貌存在差異，但是其形成本質(zhì)是一致的。當(dāng)脈沖電壓施加于兩極時(shí)，極間介質(zhì)迅速被極化，并隨電極逐漸靠近基體而形成很高的場(chǎng)強(qiáng)，如圖5(a)所示。極高的場(chǎng)強(qiáng)使電子發(fā)生場(chǎng)致發(fā)射。電子在電場(chǎng)的作用下進(jìn)一步加速，并在氣體介質(zhì)中發(fā)生雪崩式的碰撞電離，從而將介質(zhì)擊穿并建立放電通道，如圖5(b)所示。等離子體中帶電離子的相互激烈碰撞產(chǎn)生的高溫高壓，使得放電通道迅速向周邊擴(kuò)展，并且兩極局部區(qū)域材料融化氣化，形成熔滴，如圖5(c)所示。最終熔滴過(guò)渡到基體上凝固形成沉積斑，如圖5(d)所示。

圖5 微弧火花放電基本過(guò)程Fig.5 Process of micro-arc spark discharge

熔滴過(guò)渡過(guò)程中的受力大小及受力方式的不同將導(dǎo)致其單脈沖沉積斑最終形態(tài)的不同。熔滴上的作用力是影響熔滴過(guò)渡的主要因素。熔滴上的作用力有：自身重力、表面張力、等離子體流力、旋轉(zhuǎn)離心力和電磁力，如圖6所示。

圖6 熔滴過(guò)渡過(guò)程中的受力示意圖Fig.6 Schematic diagram of the force in the droplet transfer process

根據(jù)靜力學(xué)平衡理論[15]并結(jié)合高能微弧火花放電實(shí)際可得

(1)

Fs=2πrλ

(2)

Fa=mω2r

(3)

(4)

Fm=J×B

(5)

式中：Fg為重力；Fs為表面張力；Fb為等離子流力；Fa為離心力；Fm為電磁力；m為熔滴質(zhì)量；g為重力加速度；r為熔滴半徑；ρ為熔滴密度；λ為表面張力系數(shù)；ω為轉(zhuǎn)速；C為等離子流系數(shù)；A為等離子流力作用面積；ρf為等離子流密度；ν為等離子流的速度；J為電流強(qiáng)度；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

熔滴的等離子流力Fb是指等離子電弧對(duì)離子體所形成的推力，也可以指電弧對(duì)熔滴推力。Fm為電磁力，是指電流流過(guò)熔滴所產(chǎn)生的電磁作用力。等離子流力Fb、重力Fg和離心力Fa具有促使熔滴脫離電極的作用，稱之為分離力。表面張力Fs能夠保持熔滴不脫落，稱之為保持力。而電磁力對(duì)熔滴可以是分離力也可以是保持力。上述作用力的大小將導(dǎo)致熔滴以不同的方式進(jìn)行過(guò)渡，從而產(chǎn)生不同的沉積斑形貌。

2.3 沉積斑形成過(guò)程

分析認(rèn)為：在微弧火花放電過(guò)程中，瞬時(shí)的高能量脈沖放電使得電極尖端瞬間熔化并形成熔滴。當(dāng)分離力足以克服表面張力的作用時(shí)(即Fg+Fa+Fb±Fm>Fs)，熔滴便會(huì)脫離電極尖端，并向基體表面過(guò)渡，如圖7(a)所示。在等離子流力、重力等的作用下，熔滴高速?zèng)_擊到基體表面的熔池中，如圖7(b)所示。熔滴與基體碰撞后，液態(tài)金屬向四周運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生飛濺，如圖7(c)所示。同時(shí)，熔滴因具有極高的過(guò)冷度而快速凝固，最終形成具有飛濺形貌的沉積斑，如圖7(d)所示。

圖7 飛濺沉積斑形成過(guò)程示意圖Fig.7 Schematic diagram of formation process of splash spot

分析認(rèn)為：熔滴粘連沉積斑是由于電極與基體相互接觸并產(chǎn)生粘連而產(chǎn)生的。單脈沖放電過(guò)程中，當(dāng)熔滴受到的分離力不足以克服表面張力時(shí)(即Fg+Fa+Fb±Fm

圖8 熔滴粘連沉積斑形成過(guò)程示意圖Fig.8 Schematic diagram of formation process of droplet adhesion spot

分析認(rèn)為：對(duì)凌亂破碎沉積斑來(lái)說(shuō)，造成此類形貌的原因是電極快速旋轉(zhuǎn)所致。熔滴懸垂在電極尖端并不斷增大，在電極靠近基體的過(guò)程中與基體熔池內(nèi)液態(tài)金屬接觸并混合，如圖9(a，b)所示。此時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的電極并未遠(yuǎn)離基體，而是進(jìn)一步向基體輕微靠近。這使得高速旋轉(zhuǎn)的電極在熔融液態(tài)內(nèi)部進(jìn)行類似一個(gè)高速攪拌作用，如圖9(c)所示。這將產(chǎn)生一個(gè)因外力作用下的強(qiáng)迫對(duì)流，致使冷卻過(guò)程中的液態(tài)金屬破碎擴(kuò)散，形成破碎沉積斑，如圖9(d)所示。

圖9 凌亂破碎沉積斑形成過(guò)程示意圖Fig.9 Schematic diagram of formation process of messy broken spot

2.4 表面張力的影響

高能微弧火花單脈沖沉積斑形貌的多樣性，一方面是因?yàn)樵谌鄣芜^(guò)渡過(guò)程中熔滴受力大小及受力方式不同所導(dǎo)致的；另一方面，高溫下液態(tài)金屬表面張力也是引起沉積斑形貌改變的重要因素。

表面張力是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。液體因表面張力的作用而有自發(fā)收縮成球狀的趨勢(shì)?；瘜W(xué)組成和溫度是影響熔體表面張力的兩個(gè)重要參數(shù)。金屬熔體的表面張力通常隨溫度的上升而下降，即溫度系數(shù)(dσ/dT)為負(fù)值，其變化關(guān)系[16]為

(6)

式中：Tm為熔點(diǎn)溫度；σm為熔點(diǎn)處的表面張力。

高能微弧火花放電過(guò)程中，溫度最高可達(dá)20 000 ℃，遠(yuǎn)超鐵基合金的熔點(diǎn)2 732 ℃。在此高溫下，沒氣化的熔融金屬液體表面張力小，不易于收縮，而在外力作用下更傾向于沿半徑向外流動(dòng)，并產(chǎn)生大量飛濺?？梢灶A(yù)測(cè)，當(dāng)熔滴的溫度增大時(shí)，熔體表面張力將越小，從而導(dǎo)致熔滴飛濺越嚴(yán)重。

3 結(jié) 論

采用高能微弧火花沉積技術(shù)，獲得了“飛濺”“熔滴粘連”“破碎”3種類型的單脈沖沉積斑。從表面形態(tài)上看，飛濺沉積斑和熔滴粘連沉積斑都近似呈圓形，直徑分別約為520 μm和500 μm。兩者不同之處在于，熔滴粘連沉積斑表面存在直徑約為200 μm的斷裂面。熔滴粘連凝固的過(guò)程中，電極的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)是產(chǎn)生斷裂面的主要原因。破碎沉積斑邊緣分界不明顯，且無(wú)飛濺特征，表面存在大量直徑小于10 μm的蝕坑。此類沉積斑形成的主要原因是由于旋轉(zhuǎn)電極的“攪拌”作用，使得液態(tài)金屬破碎擴(kuò)散。沉積斑形貌雖有差別，但其放電機(jī)理本質(zhì)上是一致的。而表面形貌的改變，一方面是因熔滴過(guò)渡過(guò)程中的受力大小及受力方式不同而導(dǎo)致的；另一方面是由高溫下熔融液滴的表面張力所決定的。