微弧火花單脈沖沉積斑形貌分析

(浙江工業大學 機械工程學院，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，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渡到工件上，獲得冶金結合的表面涂層[1-4]。微弧火花沉積具有熱輸入量集中、熱影響區小、能夠直接沉積制備出任意形狀和尺寸涂層等優點。另外，電火花沉積屬于超快速熔凝過程，在基體的金屬快速導熱作用下，能夠形成極大的冷卻速度和溫度梯度，許多傳統材料的沉積都表現出新的顯微結構特征，相關性能得到顯著提高[5-7]。近年來，電火花沉積已經由最初模具的表面強化和修復擴展到航空、航天、能源、軍事和醫療等眾多領域，是表面改性及再制造修復技術領域非常重要的新型技術手段之一[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下進行單脈沖沉積實驗，發現沉積斑都呈現相似的飛濺形貌，并提出了“飛濺-氣化”物理模型。Assarzadeh等[12]使用有限元技術對單脈沖放電進行了數值模擬，發現脈沖放電中心處溫度在5 μs內迅速達到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，單脈沖沉積實驗發現沉積斑直徑為95.2 μm，深度為27.6 μm，與模擬結果一致。單脈沖沉積是微弧火花沉積的基礎，為了進一步掌握微弧火花加工的基本規律及沉積機制，仍有必要進一步了解微弧火花單脈沖沉積的機理。同時，微弧火花沉積過程受工藝參數影響較大，所形成沉積斑形態各異，而目前對各種形態的沉積斑研究還不充足。

筆者采用高能微弧火花沉積技術進行了單脈沖沉積實驗，從形態角度出發研究單脈沖放電沉積斑特點及形成機理，以期為相關的研究和應用提供參考。

1 實 驗

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，高速旋轉的電極逐漸向基體靠近，使得兩者間的間隙不斷變小。當間隙小到一定值時，氣體介質將被電離擊穿，形成高溫、高壓的等離子放電通道。在極短時間內釋放的脈沖能量將電極尖端和基體表面局部區域的金屬材料熔化、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渡到基體表面，與基體發生冶金結合。單脈沖沉積斑是指進行一次脈沖放電所形成的沉積斑點。

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

1.2 實驗材料及方法

微弧火花沉積實驗的基體(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，其化學成分如表1所示。在實驗前，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。然后放入無水乙醇中超聲清洗5 min，去除油污，并用熱風吹干備用。

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

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

2 結果及分析

2.1 沉積斑表面形貌

從微弧火花沉積單脈沖表面形態來看，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粗糙，內部表面呈現“水波紋”特征。在單脈沖沉積過程中，由于熔池內液態金屬的溫度場不均勻、濃度不均勻和表面張力的差異導致其具有一定的流動性，使得在流動過程中瞬間冷卻凝固產生波紋狀。同時，在飛濺物末端存在球形凸起，如圖2(b)所示。這與文獻[13]中的單脈沖沉積斑形貌一致。

圖3為典型熔滴過渡時，因產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域，存在一個直徑約為200 μm的斷裂面。進一步對白色方框區域進行放大觀察，發現斷裂面較為整齊，內部呈現出直徑約1 μm的柱晶形態，如圖3(b)所示。微弧火花沉積過程中，柱晶的形成是由于熔滴凝固速度極快(高達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)中可以發現：沉積斑無明顯邊界和飛濺，呈高溫金屬液體破碎的不規則凝固狀態。這與其他兩種類型沉積斑的表面形貌有明顯的區別。而對白色方框區域放大觀察發現：沉積斑表面存在大量微小的蝕坑。同時蝕坑周圍存在不規則凸邊，內部有輕微凹陷，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

分析認為：在極短的脈沖放電過程中，電極與基體之間微小區域因氣體發生電離而產生高溫及高壓，放電點附近的金屬瞬間融化和氣化。由于這一過程十分短暫，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，但是其形成本質是一致的。當脈沖電壓施加于兩極時，極間介質迅速被極化，并隨電極逐漸靠近基體而形成很高的場強，如圖5(a)所示。極高的場強使電子發生場致發射。電子在電場的作用下進一步加速，并在氣體介質中發生雪崩式的碰撞電離，從而將介質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生的高溫高壓，使得放電通道迅速向周邊擴展，并且兩極局部區域材料融化氣化，形成熔滴，如圖5(c)所示。最終熔滴過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程Fig.5 Process of micro-arc spark discharge

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

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

根據靜力學平衡理論[15]并結合高能微弧火花放電實際可得

(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；ω為轉速；C為等離子流系數；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為電流強度；B為磁場強度。

熔滴的等離子流力Fb是指等離子電弧對離子體所形成的推力，也可以指電弧對熔滴推力。Fm為電磁力，是指電流流過熔滴所產生的電磁作用力。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致熔滴以不同的方式進行過渡，從而產生不同的沉積斑形貌。

2.3 沉積斑形成過程

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

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

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

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

分析認為：對凌亂破碎沉積斑來說，造成此類形貌的原因是電極快速旋轉所致。熔滴懸垂在電極尖端并不斷增大，在電極靠近基體的過程中與基體熔池內液態金屬接觸并混合，如圖9(a，b)所示。此時，高速旋轉的電極并未遠離基體，而是進一步向基體輕微靠近。這使得高速旋轉的電極在熔融液態內部進行類似一個高速攪拌作用，如圖9(c)所示。這將產生一個因外力作用下的強迫對流，致使冷卻過程中的液態金屬破碎擴散，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，一方面是因為在熔滴過渡過程中熔滴受力大小及受力方式不同所導致的；另一方面，高溫下液態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收縮成球狀的趨勢。化學組成和溫度是影響熔體表面張力的兩個重要參數。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(dσ/dT)為負值，其變化關系[16]為

(6)

式中：Tm為熔點溫度；σm為熔點處的表面張力。

高能微弧火花放電過程中，溫度最高可達20 000 ℃，遠超鐵基合金的熔點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，并產生大量飛濺。可以預測，當熔滴的溫度增大時，熔體表面張力將越小，從而導致熔滴飛濺越嚴重。

3 結 論

采用高能微弧火花沉積技術，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。熔滴粘連凝固的過程中，電極的旋轉和移動是產生斷裂面的主要原因。破碎沉積斑邊緣分界不明顯，且無飛濺特征，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電極的“攪拌”作用，使得液態金屬破碎擴散。沉積斑形貌雖有差別，但其放電機理本質上是一致的。而表面形貌的改變，一方面是因熔滴過渡過程中的受力大小及受力方式不同而導致的；另一方面是由高溫下熔融液滴的表面張力所決定的。