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                全方位解決機械設備的磨損、拉(劃)傷、腐蝕、密封、鑄造缺陷、尺寸超差等表面修復難題。如:汽輪機發電機轉子軸頸修復(拉傷、磨損、溝槽、損傷、劃傷現場修復),汽輪機汽缸結合面密封,勵磁機整流子抗磨,調相器滑環抗磨,各種…
            技術交流 首頁 


            電火花沉積/堆焊技術的國內外應用現狀
             
            中國農業機械化科學研究院表面工程技術研究所      汪瑞軍    黃小鷗
               
            要  電火花沉積/堆焊技術是先進的節能、節材、環保的表面工程技術之一。本文綜述其在金屬材料的表面改性,工件表面缺陷的修復以及實現基體材料表面的異種材料堆焊三方面的應用事例,旨在更多地介紹這一實用技術的應用現狀,并希望引起更多新領域用戶的關注。
             
             
            關鍵詞  電火花沉積    電火花堆焊    實用技術    應用 
             

             Application status of electrospark deposition/welding technology

            Surface Engineering Technology Institute of CAAMS   Wang Ruijun, Huang Xiaoou
             
             
            Abstract   Electrospark deposition/welding technology is one of the Surface engineering technologies which are saving energy sources, saving material and protective environment. This paper made a summary of application examples of surface amendatory performance in metal material, the rehab of substrate surface and realization of disparate material welding on substrate material surface at three aspects. It aimed at introducing the application actuality of this applied technology, and expecting to arise attention of most users in new fields.
             
            Key word:   electrospark deposition  electrospark welding     application
             
             
            前言
            作為表面工程技術重要組成的電火花沉積/堆焊技術,以其獨特的工藝特點,如強化過程中熱輸入量低,強化層與基體間冶金結合,容易實現異種材料間的沉積/堆焊,電極材料容易選擇等,近年在航空航天、能源、軍事、核工業、汽車、電力、醫療、冶金、礦山以及精密機械零部件制造/修復等領域得到快速的推廣應用。其創造出的巨大經濟效益和社會效益,充分驗證電火花沉積/堆焊技術是先進的節能、節材、環保的表面工程技術之一。
            電火花沉積/堆焊技術在眾多領域的應用,可歸類在三大方面:⑴金屬材料的表面改性。指對基體材料表面的耐磨、耐熱、耐腐蝕、抗疲勞等特性的改變或提高。⑵工件表面缺陷的修復。主要指在精密機械零部件表面的劃痕、超差等方面的尺寸恢復。⑶實現基體材料表面的異種材料堆焊。
            1.          金屬材料的表面改性
            金屬材料表面改性工藝的應用是近年來表面工程技術的重要發展方向,在節能、節材等方面具有重要意義。電火花沉積/堆焊技術在這一方面已經取得了大量應用實例。
            90年代后期,中國農機院表面工程技術研究所研制的大中系列電極旋轉式的電火花沉積/堆焊設備在中國大陸得到了應用 [1]。利用這一系統將92WC-8Co作為電極材料對鋁壓鑄模具型腔表面強化層改性,大大提高了型腔表面抗鋁液熱疲勞蠕變的性能[2]。1999年Carole Reignier在TWI上發表文章,描述應用電火花強化工藝在金屬表面制造強化層結果,并也認為這一技術在鋁壓鑄模具制造方面具有廣泛應用前景[3]。
            電火花沉積工藝還應用于冷沖模、客車大型模具、金屬壓印模、彎曲模、塑料模具、鑄型模等各種模具的型腔表面改性強化。應用顯示,改性強化后的工模具耐用度提高了2倍以上[4]。
            圖1、圖2是采用電火花沉積工藝表面改性后的工模具圖片[3、4]。
            此外,電火花沉積/堆焊工藝在提高拉刀、車刀、鉆頭、鉸刀、拉力試驗夾持等工具使用壽命方面也有突出表現,強化后的刀具使用壽命均能提高3倍以上[4]。
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             

            圖1鋁壓鑄模具型腔表面沉積          圖2拉延模具型腔表面沉積強化
             
            2003年,國內某航空發動機公司與中國農機院表面所合作,采用大中系列電火花堆焊系統在飛機發動機葉片榫槽處(Ti合金)成功制造高可靠性耐微動磨損的強化層,大大提高發動機葉片的使用壽命[5]。
            在核反應堆建設中,美國哈佛工程開發實驗室的Johnson等人利用電火花沉積工藝對快中子增殖反應堆的關鍵部件表面改性強化,改善部件表面的耐磨性、耐腐蝕性,并有效減少放射性核物質擴散[6]。
            冶金行業中,軋輥的主要失效形式是磨損。文獻[7]的研究表明,采用電火花工藝對其表面強化后,壽命顯著提高,并可消除軋制金屬打滑,降低軋輥-金屬板材間的粘連磨損。
            紡織工業中的梳棉機針,為使其針尖有高硬度與低摩擦系數,通常采用的火焰淬火工藝效果不好,成本還高,采用電火花強化硬質合金后,產品的使用壽命大大提高[8]。
            金屬材料在高溫、氧-硫環境中的腐蝕是許多行業工業生產中頭痛的難點問題。采用電火花強化適當的材料,可大大減少材料剝蝕,延長使用壽命,被保護的材料包括低合金鋼、不銹鋼、鈦合金等[9]。
            文獻[10]還報導了電火花沉積/堆焊工藝在醫療器械表面改性和應用的成功實例。
            2.          精密機械零部件表面的尺寸恢復(修復)
            電火花沉積/堆焊工藝以其攜帶方便,可現場操作,不必拆卸大型機械;因熱輸入極低而消除變形、氣孔、皺縮和內應力問題;基體不需事前和事后熱處理;基體與堆焊層間產生擴散層,連接優異;可選用 Ar、He等惰性氣體保護使沉積/堆焊層厚且質量好;沉積/堆焊層的終加工余量小,節約后加工成本;沉積/堆焊工藝可逆和不產生有毒氣體、液體,或討厭的氣味與噪音等特點使其有別與其他工藝。
            表1對電火花沉積/堆焊工藝與其他工藝的特點及運行成本作了比較[11]。
            表1 電火花沉積/堆焊工藝與其他工藝特點的比較[11]
            方法條目
            電火花沉積/堆焊
            鍍鉻
            熱噴涂
            CVD和
            PVD
            TD工藝
            (鹽。
            氮化
            焊接
            操作
            5
            1
            3
            1
            1
            1
            3
            熱輸入
            5
            5
            3
            1
            1
            1
            1
            結合
            5
            1
            2
            3
            5
            5
            5
            現場工作
            5
            1
            3
            1
            1
            1
            5
            地區限制
            5
            6
            4
            2
            1
            1
            5
            堆焊
            4
            2
            5
            1
            1
            1
            5
            投資
            5
            1
            3
            1
            1
            1
            5
            處理費用
            5
            5
            3
            1
            1
            4
            5
            (最佳、適合或最便宜:5← →1:最差、不適合或最貴)
             
            文獻[12]通過對不同工藝在工模具修復中的應用比較,對幾種工藝的其他特點作了對比,見表2。
            表2  電火花沉積/堆焊工藝與其他工藝的特點比較[12]
            工藝
            預熱
            變形
            強化
            厚度
            (mm)
            厚度控制
            氣孔
            后續加工
            強化速度
            結合強度
            電火花
            <1
            電刷鍍
            <0.5
            氬弧焊
            ﹥1
             
            電火花沉積/堆焊修復工藝還應用于海軍艦船的艦載系統零部件修復,如方向舵、潛水板等。一旦這些液壓驅動裝置損壞,則必須取下并在岸上修復后裝回到船上。美國MTTC和 NSWC/CD利用電火花沉積/堆焊工藝在線修復,能節省至少75%修復時間,每年可為美國海軍節省大量費用美元[13]。
            核反應堆中,304不銹鋼閥門導軌與閥門座之間產生的磨屑,使閥門座磨損造成泄漏。采用Cr3C2-15%Ni作為電極材料堆焊修復閥門座后,該問題得到解決[14]。
            采用電火花堆焊工藝首次成功修復電廠30萬kw發電機組軸徑密封段磨損面[15],解決了此類部件損壞后不能焊接修復,刷鍍層性能差,噴涂結合強度不達標等技術難題。先后有甘肅、廣東、黑龍江、山東、山西、云南等地的大中型電廠成功修復同類產品120余件。圖3是修復現場及修復后的30萬kw發電機組軸徑密封段[15]。
             
             
            (a)修復現場                         (b)修復后
            圖3  30萬kw發電機組軸徑密封段修復現場
            電火花沉積/堆焊技術在電廠的應用面非常廣,汽輪機殼體(鑄鐵材料)由于長時間受高溫、高壓氣體的沖蝕,極易產生沖刷痕跡,造成高溫、高壓氣體外泄事故。采用電火花堆焊工藝將 Ni基材料堆焊在沖刷痕的上方,能夠有效解決這一問題[1]。另外,電火花堆焊設備的便攜以及熱輸入量小等特點在解決電廠大型設備表面缺陷修復中發揮了積極作用。圖4是電火花強化設備在電廠關鍵設備的應用實例。
             
             
            (a)汽輪機葉片表面強化            (b)熱網循環泵主軸尺寸恢復
            圖4   電火花沉積/堆焊工藝在電廠中的應用
            精密機械零部件表面的鍍Cr層破損后,采用熔化焊接工藝很難達到滿意的堆焊修復效果,利用電火花堆焊工藝在缺陷處堆焊Ni基材料,不僅可以恢復缺陷尺寸,極低的熱輸入量也不會使堆焊邊緣的鍍Cr層剝離[4]。
            針對有色金屬材料精密機械零部件的修復,是電火花堆焊工藝應用的另一大優勢,圖5是有色金屬零件的電火花堆焊修復實例[11]。
                  
               
            (a)銅質五金鑄件缺陷修復           (b)鋁合金鑄件的表面修復
            圖5  有色金屬零件的電火花堆焊修復實例
            3 材料表面的異種材料堆焊
            利用電火花沉積/堆焊系統可實現不同熔點金屬間冶金結合的特點,在發動機附件燃燒室與外環道氣道表面沉積WC-Co材料,解決了其在高速運行中金屬粘著磨損的問題[16]。
            表面鍍Cr的液壓支柱件表面層破損后,采用熔化焊接工藝堆焊修復很難達到滿意效果,利用電火花堆焊工藝在缺陷處堆焊NiCr合金材料,不僅可以恢復缺陷尺寸,極低的熱輸入量也不會影響堆焊邊緣的鍍Cr層性能。
            但是,如果電極材料與基體材料搭配不合適,沉積/堆焊層則不能與基體形成牢固的冶金結合,文獻[17]研究了在Cu基體上沉積TiB2的界面情況,結果顯示,沉積層與Cu基體之間不能形成冶金結合,且沉積層相對于在鋼基體上沉積層的厚度很不均勻。這是由于TiB2在銅基體上的潤濕性很差和沉積層與基體之間的熱膨脹系數差別較大而造成的。圖6為沉積層與基體之間的元素面分布圖照片,可見交界線很清楚,連接很不緊密,并沒有合金元素與基體元素之間的擴散。
                 
             
            圖6  Ti、Cu元素的面分布結果
            4         問題與前景
            作為一項正在快速發展推廣的實用技術,電火化沉積/堆焊工藝仍存在一些沒能解決問題,如沉積層厚度能否更后一些,表面粗糙度能否更小一些;另外,生產效率及工藝的穩定性、可靠性還有待提高等。而這些問題的存在與設備、材料,特別與電火花沉積堆焊過程的機理研究是直接相連的。這些問題的存在也在很多方面限制了該技術的應用范圍。因此建議在以下幾方面作進一步的工作:
            1)對電火花沉積/堆焊過程中的放電機理進一步深入研究。實驗表明,在火花放電過程中,放電能量在陰、陽極的分配受到電極材料、放電環境等諸多因素的影響,而能量的分配又會影響電極材料的電蝕狀況,從而影響電極材料的轉移系數及單個火花中轉移的電極材料量,進而對涂層厚度和表面質量產生重要影響。
            2)   要研制具有較大功率的新型設備。此外,需進一步提高電火花沉積堆焊系統的自動化水平,以提高沉積效率及工作的穩定性和可靠性。
            相信隨著我國科學技術與工業生產的快速發展,電火花沉積堆焊工藝必將發揮越來越重要的作用。
             
             
            參考文獻 ()
             
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