張勇，李麗，常青，王曉明，趙陽，朱勝，徐安陽，高憲偉

（1.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000； 2.陸軍裝甲兵學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072； 3.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司，河北 涿州 072750）

電火花沉積技術（Electro-spark deposition，ESD）因其優(yōu)異的表面強化及工件修復效果，已成為表面工程及再制造工程領域中一種重要的技術手段。電火花沉積技術最早可追溯到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備[1]。20 世紀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振動改為旋轉(zhuǎn)運動，近年來又出現(xiàn)了超聲振動式電極，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在工程中得到廣泛應用，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。電火花沉積技術可用于零部件表面耐磨、耐腐蝕、耐高溫涂層的制備，也可用于對異型損傷的修復，特別適用于對零部件的現(xiàn)場修復，因此在刀具、模具、能源、航空航天等領域獲得了廣泛關注[2-4]。

本文將從電火花沉積技術原理，工藝參數(shù)對涂層制備與性能的影響，電火花沉積技術改進與應用等方面，概述電火花沉積技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并針對電火花沉積技術所存在的問題及其未來的發(fā)展進行了展望，以期對電火花沉積技術的改進以及推廣應用起到一定的借鑒意義。

1 電火花沉積技術原理

電火花沉積技術是在氣體空間中，利用電極（待沉積材料，與脈沖電源正極相連）與基體（待修復或強化工件，與脈沖電源負極相連）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，起到表面修復或強化的效果，其沉積原理如圖1 所示。

由于材料在熔化沉積過程中易發(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)域供給保護氣體。保護氣體（氮氣或氬氣）可通過焊槍內(nèi)部的集成氣體通道或單獨的供氣系統(tǒng)吹入。電極棒做旋轉(zhuǎn)運動或超聲振動，在脈沖電源的作用下，實現(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

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

電火花沉積技術作為一種重要的表面強化與修復手段，具有以下優(yōu)點：

1）快熱急冷，易獲得細晶甚至非晶組織。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，容易獲得細晶組織，甚至是非晶組織，從而提高材料表面的力學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、放電時間短，這保證了在電極與基體材料發(fā)生局部熔化的同時，對母材的熱輸入較小，從而在最大程度上避免了基體的熱變形以及對組織與性能的破壞。

3）沉積涂層與基體為冶金結合。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合，結合強度高。

4）適用范圍廣。設備便攜、工藝簡單、適于現(xiàn)場操作，容易對工件局部特定區(qū)域進行修復或強化，不受工件復雜程度的限制。

2 工藝參數(shù)對涂層制備及性能的影響

由上文中提到的電火花沉積過程中放電機理可知，電火花沉積電源中電容儲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、強化時間等電氣參數(shù)以及保護氣將直接影響涂層的制備與性能。然而，因為材料的電阻率、熔化熱、導熱率、延展性、潤濕角等自身特性存在很大差異，再考慮到電火花沉積過程的不穩(wěn)定性，工藝參數(shù)對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程為：單個脈沖能量使工具電極與工件熔化，在工件表面形成一個沉積斑點，隨后的連續(xù)性脈沖放電在工件表面形成許多沉積斑點，眾多斑點之間又存在交叉堆疊，最終形成涂層。因此，脈沖能量對涂層的制備與性能起著決定性的作用。單個脈沖能量可由公式(1)計算得到。

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，且電壓對單脈沖能量的影響更大。

單個脈沖能量的增加，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，進而對涂層的制備、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，單個沉積斑點面積增大，在相同比沉積時間下，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，導致涂層表面粗糙度增加。趙運才等人[9]在使用Ni201 修復Q235 鋼的試驗中發(fā)現(xiàn)，當輸出能量幅度由40%增加到45%之后，修復層中Fe 元素的含量升高了約10%，這說明隨著輸出能量幅度的提高，單次沉積過程中，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，通過影響單次熔融材料的多少，也將改變?nèi)鄣蔚睦鋮s速度，進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中研究了能量輸入對非晶形成能力的影響，試驗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，涂層結構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系模型，該模型認為在低脈沖能量條件下容易獲得較細的枝晶組織，且涂層無明顯的裂紋與孔洞，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基體缺口修復試驗中還發(fā)現(xiàn)，脈沖能量由低能量（100 mJ）升高為中能量（400 mJ）時，涂層的屈服強度降低了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 比沉積時間

比沉積時間指的是單位面積上的沉積時間。比沉積時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使涂層不斷經(jīng)歷加熱-冷卻的循環(huán)過程，因此火花放電次數(shù)的增加也使得涂層內(nèi)部熱應力與組織應力升高，進而引發(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，涂層截面形貌對比如圖 2 所示，隨著比沉積時間從 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。當涂層中裂紋等缺陷增多后，隨著比沉積時間的繼續(xù)延長，極強的熱應力使得涂層出現(xiàn)開裂脫落的現(xiàn)象，從而使得涂層不再增厚，甚至出現(xiàn)負增長現(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)，在比沉積時間由1 min/cm2增加至3 min/cm2的過程中，涂層增厚速度逐漸下降，當比沉積時間增加到 4 min/cm2時，涂層厚度較3 min/cm2時下降了約10 μm，此外涂層硬度也下降了約150HV。譚業(yè)發(fā)等人[16]在對45 鋼表面電火花沉積鎳基合金涂層摩擦學性能的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著比沉積時間的增加，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，當比沉積時間為2.5 min/cm2時，兩者均達到最低值，而當比沉積時間增加至3.5 min/cm2時，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時的4 倍。

2.3 保護氣及其流量

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，且在整個過程中存在對氣體的電離擊穿，因此沉積氣氛對涂層的制備與性能起著重要的影響。電火花沉積過程中的沉積氣氛包括三種：空氣、氮氣、氬氣。研究證明，在不同的沉積氣氛下，兩極間的材料轉(zhuǎn)移機理存在較大差異。空氣、氮氣為可分解氣氛，在放電過程中會形成高導熱率的等離子體， 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電場強度減小，整體溫度下降，從而降低涂層與基體界面處的熱應力，進而減少裂紋與分層缺陷[18]。

魏祥等人[19]對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)移機制。另外，因為氬氣中制備的涂層具有更多的非晶 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氣，且具有一定的冷卻作用，其流速對涂層的性能會產(chǎn)生一定的影響。譚業(yè)發(fā)等人[16]在針對鎳基合金強化層的研究中證明，氬氣流速過低時不能起到良好的保護作用，但流速過高時易發(fā)生紊流，將空氣卷入放電區(qū)域，導致涂層內(nèi)部出現(xiàn)裂紋與孔洞缺陷。此外，因為氬氣的冷卻與吹動作用，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，氬氣流速過快會導致強化層變薄[20]。

3 電火花沉積技術改進

電火花沉積技術在展現(xiàn)其優(yōu)點的同時，也暴露出其自身存在的問題：

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

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

3）沉積厚度薄，一般為0.02～0.5 mm。隨著沉積過程的進行，陰陽極之間的反復沉積使電極與基體的表層化學成分發(fā)生改變，涂層內(nèi)部殘余應力增加，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?；鸹ǚ烹姵练e斑點的凹穴形貌使得每次放電的位置、沉積斑點的面積和深淺、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。

針對這些問題，同時為了進一步提高電火花沉積制備涂層的性能以及推廣其應用，國內(nèi)外研究人員在電火花沉積技術改進方面做了大量的研究工作。

3.1 沉積過程的優(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備進行，存在勞動強度大、工藝可控性差、涂層再現(xiàn)性低的問題，限制了其在大面積的修復或強化中的應用。相關文獻[21-22]中已存在利用機械化的設備進行電火花沉積，但僅用于簡單平面的涂層制備，且停留在實驗室分析階段。Frangini 等人[23]提出了一種電極與工件接觸力動態(tài)控制的方法，該方法利用彈簧力與靜接觸力的結合來實現(xiàn)，接觸力的動態(tài)控制可提高電火花沉積過程的穩(wěn)定性，降低粗糙度對火花再現(xiàn)性的影響，該方法為電火花沉積技術自動化的實現(xiàn)提供了一種可行方式。Wang 等人[24-26]設計了一套電火花數(shù)控沉積工具頭，工具頭機構如圖4 所示，工具頭通過專用沉積刀柄（Special Deposition Holder，SDH）連接在銑床主軸上，實現(xiàn)了電火花沉積設備與CNC 銑床的集成，并通過平均電極材料損耗率來控制電火花沉積的連續(xù)進行。此外，課題組利用該設備先后進行了點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合、無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雜大曲面涂層提供了有力的技術支撐。

圖4 電火花數(shù)控沉積工具頭結構圖[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的方式制備電極棒，這使得電火花沉積技術趨于復雜化，不利于電火花沉積技術的廣泛推廣。Burkov 等人[27-28]提出一種使用細小顆粒進行電火花沉積的方法，技術原理如圖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，瓶壁與陽極相連，脈沖能量使顆粒熔融沉積到工件表面。試驗結果表明，該方法制得的涂層的結構與性能與傳統(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，也更加有利于實現(xiàn)電火花沉積的自動化。

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

高玉新等人[29]在傳統(tǒng)電火花沉積技術的基礎上，提出了預置粉末電火花沉積法，該方法在基體表面預置一層硬質(zhì)合金粉末之后，利用火花放電的熱量，使預置粉末熔融沉積。試驗結果表明，與傳統(tǒng)電火花沉積技術相比，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，該方法制備涂層后，電極棒無質(zhì)量損失，有利于電火花沉積的連續(xù)進行。電火花粉末沉積的方式對擴展材料適用范圍，推廣電火花沉積技術的應用提供了一種新的技術思路。

3.2.2 超聲輔助電火花沉積

傳統(tǒng)的電火花沉積技術受火花放電原理的限制，很難在工藝上進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合電火花表面強化的工藝方法。該方法的技術原理如圖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運動，起到超聲沖擊的作用，同時沖擊球的往復運動實現(xiàn)了電火花沉積回路的高頻通斷電，達到電火花沉 積的效果。利用該方法制備Ti-6Al-4V 涂層的試驗表明，該方法綜合了兩種表面強化方式的優(yōu)點，既向工件表面引入了新的強化元素，又向表面引入了壓縮應力（表面殘余應力為-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 超聲沖擊復合電火花表面強化技術原理圖[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上，設計開發(fā)了復合超聲振動的焊槍，通過替換工具頭，該焊槍還可實現(xiàn)超聲拋光的作用，實現(xiàn)了裝置的集約化設計。通過與傳統(tǒng)電火花沉積的對比試驗[34]發(fā)現(xiàn)，利用超聲振動復合的方法所制備的涂層更加致密均勻，與基體的結合強度更高，這歸因于超聲振動有效減少了短路與拉弧現(xiàn)象的發(fā)生，極間有充足的時間進行消電離，沉積過程更加穩(wěn)定。但是超聲振動對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

電火花沉積技術的原理使涂層中出現(xiàn)裂紋、孔洞及化學成分不均勻等現(xiàn)象，這極大地限制了電火花沉積優(yōu)異性能的體現(xiàn)，通過后處理對涂層進行一定的改性，可進一步提高涂層的性能。Radek 和Pliszka 等人[35-36]進行了激光重熔改善電火花沉積涂層性能的研究，試驗證明，激光重熔處理起到了使涂層化學成分均勻化、結構細化、裂紋與孔洞愈合的效果，這使得對電火花沉積Cu-Mo 涂層激光重熔后，其顯微硬度提高了約20%，對45 鋼表面WC-Cu 涂層激光重熔后，在腐蝕試驗中，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，韌性較低，從而導致涂層的微動疲勞抗力大幅下降。張曉化等人[37]通過噴丸處理的方式向涂層內(nèi)部引入殘余壓應力，提高了微動疲勞過程中裂紋萌生與擴展的阻力，從而使涂層的微動疲勞抗力恢復到未進行電火花沉積的水平。

4 電火花沉積技術的應用

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，在機械加工、航空航天等領域中取得了廣泛應用。近幾年報道的電火花沉積技術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比分析可知，在電火花沉積過程中，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，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]；再如通過原位反應的方式，利用純鈦電極在氮氣氛圍下形成了TiN[45]。另外，雖然在部分沉積涂層中未發(fā)生明顯冶金反應形成的新相，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。冶金反應與相互熔滲說明陶瓷涂層與基體之間具有極高的結合強度。

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、耐磨性是近幾年來電火花沉積制備陶瓷涂層的主要關注點，但也有對涂層高溫抗氧化性能、點焊電極壽命的研究。由表1 可知，涂層的性能相較于基體有極大的提高，這除了因為陶瓷材料本身的特性外，也要歸因于電火花沉積技術快熱急冷的加工特點，涂層內(nèi)晶粒得到明顯細化，存在納米級晶粒，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，不可避免地暴露出塑性與韌性較低的問題，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)引入的殘余拉應力與組織應力的作用下，出現(xiàn)較為嚴重的裂紋與分層等缺陷，從而降低性能。改善沉積過程中涂層與基體界面以及涂層內(nèi)部的應力狀態(tài)，對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，可通過塑性變形有效緩解涂層中的殘余拉應力，有效消除涂層內(nèi)部裂紋，從而使疲勞裂紋源減少，同時含Ni 元素的韌性相對碳化鉻硬質(zhì)相起到一定的粘結支撐作用。

圖7 基體、碳化鉻基金屬陶瓷單涂層及預沉積Ni 復合涂層的摩擦系數(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單的固溶體，這使得其具有高強度、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的同時，結合電火花沉積快速凝固的特點，更易形成簡單的面心立方結構（FCC）或體心立方結構（BCC）固溶相，且形成細小的晶粒組織，起到固溶強化、細晶強化的作用，有利于獲取優(yōu)異性能的涂層。Wang 等人[48-49]在TC11表面沉積制備了無孔洞與裂紋缺陷的CuNiSiTiZr 合金涂層，涂層微觀結構為微/納米級的BCC 結構，距涂層表面40 μm 的顯微硬度均超過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相結構組成的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，全部為柱狀晶結構，且無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 個量級，且腐蝕更加均勻。電火花沉積技術有助于制備高質(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)以來就獲得了廣泛的關注。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[52]。電火花沉積技術因其快熱急冷的特點，在制備非晶涂層方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。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 的氧化實驗表明，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XRD 圖譜（圖10）對比分析可知，涂層完全由非晶相組成，腐蝕試驗表明，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]

相關學者做了非晶涂層與常見陶瓷材料涂層的對比研究。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，但因為沉積非晶涂層后，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。目前對電火花沉積非晶涂層的研究相對較少，未來可成為一個主要的研究方向。

5 結語與展望

電火花沉積技術因其涂層性能優(yōu)異、現(xiàn)場適應性高、成本低的特點，自問世以來便獲得了廣泛的關注與研究，取得了較為深遠的發(fā)展，已成為表面工程與再制造工程領域一項重要的技術。近年來的研究主要集中在結合各種高性能材料制備具有優(yōu)異性能的涂層，以及對電火花沉積技術的改進。但電火花沉積技術涂層制備不均勻、沉積過程不穩(wěn)定、裂紋及孔洞缺陷多、存在涂層增厚極限等問題一直沒有很好地解決，這限制了電火花沉積技術在大面積強化與修復、大規(guī)模工程應用中的推廣。為了削減電火花沉積技術所存在的問題，進一步提高沉積涂層性能，推廣電火花沉積技術的應用，其未來發(fā)展可能在以下幾方面展開：

1）加強對電火花沉積機理的研究。對電火花沉積機理的深入認識是解決電火花沉積技術所存在的問題，提高涂層性能的關鍵。需要進一步探索工藝參數(shù)的改變，材料成分的變化，已形成涂層組織與結構對極間火花放電狀態(tài)、材料的熔化凝固及質(zhì)量過渡機理、涂層性能的影響規(guī)律。

2）電火花沉積過程的自動化。通過對電火花沉積過程的自動化控制，可提高沉積的穩(wěn)定性與涂層的均勻性，并降低勞動強度。目前，關于電火花沉積自動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火花再現(xiàn)性的影響，是實現(xiàn)電火花連續(xù)沉積的難點問題。

3）結合其他技術手段。發(fā)揮不同技術的優(yōu)勢，是進一步提高涂層性能的重要手段。隨著熱冷循環(huán)的不斷進行，涂層內(nèi)部熱應力逐漸累積，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合滾壓、熱處理、時效處理等技術手段，通過復合加工、預處理、后處理、輔助加工的方式，消除或均衡涂層內(nèi)部殘余熱應力，嘗試解決涂層內(nèi)部裂紋多、增厚受限的問題。此外，可以通過引入激光熔覆技術、感應加熱技術等，提高涂層的沉積效率。

4）針對不同基體材料以及電火花沉積技術的涂層材料進行優(yōu)化設計。材料成分與電火花沉積技術的不匹配是造成涂層內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、夾雜、過燒、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。在探索應用各種高性能材料的基礎上，通過材料優(yōu)化設計，實現(xiàn)基體與涂層、沉積材料與工藝的最佳匹配，將是未來研究的重點內(nèi)容之一。