電火花沉積非晶涂層研究現狀

翟思源 蘇華林

摘 要：電火花沉積技術具有快速加熱、冷卻的技術優勢，可以使得金屬基體材料表面與電極材料瞬間融化以等離子形態沉積到金屬表面，形成非晶合金結構。通過對金屬基體進行電火花沉積技術表面改性，可以明顯改善金屬基體的力學、抗氧化以及耐腐蝕等特性。金屬材料的非晶涂層技術改造作為當前國內機械制造行業重點研究之一，不但能提高金屬基體材料的表面性能，也能夠滿足于航天航空、微電子行業領域范圍內對于金屬材料特性的要求。

關鍵詞：電火花沉積；性能結構；非晶涂層

與以往傳統晶態材料相比較而言，非晶態合金原子形態呈現出短程有序、長程無序的結構，沒有孿晶、晶界等晶體缺陷，具備高硬度、高強度、以及耐磨耐蝕等優異性能，在要求極高的工程領域范圍內應用較多[1]。但由于合金非結晶制備工藝不夠成熟，近年來，基于Ni 基、Ti 基以及Fe 基等多元非結晶合金體系的產品多以線材、粉末和小尺寸棒材的形式生產，嚴重制約了產品的應用范圍。而通過非晶以涂層的形式進行表面改性處理，可以很好的拓展其應用范圍，也得到社會各界的強烈關注[2]。

電火花沉積（ESD）通過高能量、短周期的電脈沖的方式，使陽極的電極材料瞬間融化以等離子形態沉積到金屬表面，繼而形成了特定性能的涂層[3]。在沉積周期內有99%的時間用于散熱，而僅有1%的時間是通過脈沖放電形成沉積層。憑借著放電區域小、放電頻率高以及能量集中的優勢，易于或得非晶涂層，其作為一種極具可行的非晶涂層制備技術。

1.電火花沉積技術原理與特點

1.1電火花沉積技術原理

電火花沉積技術通過電源存儲的高能量電能，通過基體材料與電極材料之間的接觸，按照固定的頻率脈沖（100～2000 Hz）釋放大量能量，但放電區域小、放電頻率高以及能量集中，基體表面產生高達25000 ℃的高溫、高壓作業環境，易于使得兩種材質發生融化、氣化，以達到熔滲到基體表層的目的，繼而獲得在基體材料表面形成沉積層[4]。

1.2電火花沉積技術特點

電火花沉積技術的成熟應用，能夠有效改善部分機械構建的摩擦、力學以及物理化學等性能，有效提高機械構件的耐磨、耐腐蝕以及強硬度性能等，在現實的生產應用過程中表現出以下優勢：

（1）操作簡便、設備簡單。當前電火花沉積機的主體構件主要是由振動器以及脈沖電源等部分構成，設備質量輕巧、易于攜帶[5]。在具體的操作過程中，主要是在氮氣、氬氣等保護性氣體中進行作業，使用安全、操作方便。另外，在對金屬基體進行作業前，只需要將金屬基體表面進行打磨清洗，便可實施沉積作業，無需其他預處理。

（2）結合強度高。電火花沉積涂層并非是電極材料的簡單涂覆堆積，而是基體材料與電極材料之間在高能量、短周期的電脈沖作用下，瞬間融化并以等離子形態沉積而成的冶金結合，表現出較高的結合強度[6]。

（3）結構性能保持穩定。在電火花沉積處理過程中，只是在基體表面進行涂層處理，而對于基體內部的結構無影響[7]。雖然電火花沉積是在短時間范圍內的高能量密度加熱，但是冷卻速度快，所以對基體材料的組織結構與性能沒有產生任何改變。

（4）適用范圍廣。電火花沉積技術既可以對基體材料進行局部小面積范圍處理，亦可以進行大面積沉積涂層，不受基體材料的尺寸大小與形狀的影響[8]。

2.電火花沉積非晶涂層技術研究現狀

非晶合金多是通過在超急冷凝固條件下形成，形成的非晶態合金原子呈現出短程有序、長程無序的結構，沒有孿晶、晶界等晶體缺陷，具有均勻的各相同性等優勢，具備高硬度、高強度、以及耐磨耐蝕等優異性能，在航天航空、微電子行業領域范圍內應用較多。近年來，國內外學者通過電火花沉積技術來對金屬材料進行表面改性處理，以獲取具有優良特性的非晶合金涂層研究較多。例如Zhou Xia等人通過電火花沉積技術將SiC混合粉與鐵基合金進行表面改性處理，制得了Fe基復合沉積涂層，涂層結構主要成分為Cr7BC4、Cr21.34Fe1.66C6、CrFe8Si等三種微晶和鐵基非晶組織部分構成，制得的復合涂層均勻致密，面積厚度約為60微米，顯微硬度高達880HV[9]。Hong等人同樣利用電火花沉積技術在鈦基合金表面制備了Zr基非晶涂層，涂層結構主要成分為Zr55Cu30Al10Ni5、CuZr3、Ni2Zr3、NiZr2等非晶相和晶體構成，制得的復合涂層耐磨性能提高了2.3倍，顯微硬度達到801.3HV，表現出較優的結合強度[10]。張維平等人將45鋼在煤油環境中沉積單晶硅，制備了鐵基非晶合金涂層，涂層結構主要成分為Si5C3、FeSi、C0.17Fe0.8lSi0.02、Fe5Si3d等金屬間化合物和非晶組織構成。經測試，制得的復合涂層厚度約為10微米，耐磨性能提升明顯，在5% NaCl溶液中的自腐蝕電流較于之前性能提升10倍，自腐蝕電位提高了134.7 mV，抗腐蝕性能也得到了較大改善[11]。

沉積非晶涂層在其他領域應用較多，比如對于非晶阻燃涂層的制備。樊敏強等人通過電火花沉積技術在鈦基合金表面制備了非晶阻燃涂層，涂層結構主要成分由Ti40Zr25Ni3Cu12Be2非晶相構成，制得的復合涂層均勻致密。在高溫環境下進行氧化實驗，該圖層表現出較優的抗氧化特性，能夠有效組織氧氣進入基體內容部，使得鈦合金與氧氣無法接觸發生氧化反應，達到了預期的阻燃目的[12]。

3.結語

電火花沉積非晶涂層技術作為對金屬基體進行表面改性較為常用的方法之一，作為當前金屬制造行業領域中的研究熱點。特別是國內外學者電火花沉積非晶涂層技術的深入研究，通過在金屬材料表面進行強化改性以及機械構件的損傷修復，都會起到很好的輔助作用，能夠幫助金屬基體明顯改善特定的功能，具有較好的市場應用前景。

參考文獻：

[1]王彥芳，司爽爽，宋增金.電火花沉積非晶涂層的組織結構與摩擦磨損性能[J]. 焊接學報，2018，39（07）：125-128+138.

[2]王月月.M50鋼表面電火花沉積Cr涂層組織結構及耐蝕性能研究[D].2017.

[3]脈沖能量對電火花沉積Mo2FeB2基金屬陶瓷涂層組織與性能的影響[J].中國表面工程，2017（3）.

[4]魏祥，陳志國，鐘掘.沉積氣氛對電火花沉積Mo_2FeB_2基金屬陶瓷涂層組織與性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2018，47（4）：1199-1204.

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[6]聶貴茂，黃誠，李波.鐵基非晶合金涂層制備及應用現狀[J].表面技術， 2017（11）：18-26.

[7]黃飛，康嘉杰，岳文.超音速火焰噴涂制備鐵基非晶合金涂層的研究現狀[J].材料導報，2018，32（21）：115-121.

[8]梁秀兵，程江波，馮源.鐵基非晶涂層的研究進展[J].材料工程，2017（9）.

[9] Zhou Xia，Qu Guohui.Fe-based micro and nano compositecoatings produced by amorphous alloy crystallization based onelctro-spark deposition [J].Advanced Materials Research，2010，97：2205-2208.

[10] Hong X，Tan Y，Zhou C.Microstructure andtribological properties of Zr-based amorphous-nanocrystallinecoatings deposited on the surface of titanium alloys byElectrospark Deposition [J].Applied Surface Science，2015，356：1244-1251.

[11]張維平，馮新.45 鋼表面電火花沉積強化層的組織與性能[J]機械工程材料，2008，（01）：73-75.

[12]樊敏強，傅斌友，汪瑞軍.電火花沉積鈦基非晶阻燃涂層及阻燃性能研究[J].焊接，2015，（04）：21-26.