超聲波沖擊法對微弧火花沉積涂層性能的影響

高繼文，李永彬，黃曉望

(國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007)

0 前言

微弧火花沉積(Micro-arc spark deposition, MASD)又叫電火花沉積(Electro-spark deposition, ESD)，是利用脈沖、電能的高能量密度使旋轉的陽極焊材與陰極(被修復工件)形成瞬間動態短路，產生微弧火花放電，把作為電極的導電材料熔滲進金屬零件的表層，從而形成高強度冶金結合的合金化表面涂層，使零件工作表面缺陷和機械損傷得以修復、部分力學性能得以恢復及表面防腐性能得到改善的一種新興修理技術。近年來，微弧火花沉積技術、工藝方法在刀具、模具、精密零件的微量修復、生物相容性涂層制備及沉積冶金結合涂層修復尺寸等方面已有較多應用[1-7]，其微弧火花沉積溫度場分布也通過有限元找出了仿真模型，從而得到實際加工過程中無法探知的規律[8]，在耐摩擦磨損性能、耐腐蝕性能、抗高溫氧化性能等方面也有較多的沉積機制研究和性能提升研究[9-12]。超聲波沖擊處理(Ultrasonic impact treatment, UIT)是通過換能器將電能轉化為一種高頻機械振動(2萬次/秒以上)，直接或者間接地施加在金屬表面使其產生劇烈塑性變形，調整殘余應力場，引進有益壓應力，消除有害殘余拉應力，使焊趾部位的材料得以強化，可細化金屬表面晶粒組織，消除表層的微小裂紋和熔渣缺陷，大幅度提高焊接接頭的疲勞強度和疲勞壽命。近年來，許多工程應用研究者對UIT技術開展了大量微觀機制與改性研究[13-17]，利用有限元分析軟件進行數值計算和實驗測量對比驗證，結果表明了UIT技術能夠消除殘余應力、使組織晶粒細化改善表面質量、使材料強化致密、提高抗疲勞性能，并在工程上得到廣泛應用。

該文根據飛機修理實際使用材料情況，以高強鋼30CrMnSiNi2A為基體，采用H800鎳基合金(陽極棒)，在相同條件、機制下微弧火花沉積制作試樣，試驗研究超聲波沖擊處理對微弧火花沉積涂層性能的影響。探索MASD+UIT技術對飛機零件表面損傷缺陷進行修復的可行性。

1 原理分析

1.1 微弧火花沉積(MASD)

微弧火花沉積熱影響區較小，工件修復過程中可保持常溫狀態或略有溫升，工件基本不變形、不存在咬邊和局部退火現象，屬于無變形修復，其機理是一次脈沖放電產生一個小坑即放電痕，如圖1所示。高溫熱源將熱量由電極向內部傳遞，表面的溫度最高，若超過材料的沸點，便形成汽化區。低于其沸點而超過其熔點時，形成熔化區。當汽化和熔化的部分材料被拋出后，殘留在小坑底部的熔化材料冷凝成凝固層，小坑邊緣形成凸起。凝固層的下方是熱影響區，熱影響區的下方是無變化區。放電痕在微弧火花沉積過程中又會重熔。事實上，微弧火花沉積區是由無數放電痕相互重疊堆積組成。

圖1 微弧火花沉積放電痕示意圖

1.2 超聲波沖擊處理(UIT)

超聲波沖擊處理(UIT)則是利用高束能推動沖擊工具以2 萬次/秒以上的頻率沿微弧火花沉積區沖擊焊趾部位，由于高束能的高頻、高效和聚焦下的大能量，使金屬表層產生較大的壓縮塑性變形，在焊趾處產生圓滑的幾何過渡，從而大大降低了焊趾處余高和凹坑造成的應力集中，消除了焊趾處表層的微小裂紋和熔渣缺陷，抑制了裂紋的提前萌生。同時高束能沖擊波改變了原有的應力場，產生一定數值的壓應力，并使被沖擊部位得以強化。因此，超聲波沖擊處理(UIT) 能同時改善影響微弧火花沉積區幾個方面的因素，如：焊趾幾何形狀、殘余應力、微觀裂紋和熔渣等缺陷、表面強化等。示意圖如圖2所示。

2 試樣制備與試驗方法

試樣選定具有代表性的30CrMnSiNi2A高強鋼材料制造，熱處理淬火回火狀態，抗拉強度1 570～1 810 MPa，微弧火花沉積材料為H800鎳基合金。設備采用HEMAS-CIDS高能微弧火花—計算機集成沉積系統和高束能EPU30超聲波強化設備。在相同條件、機制下微弧火花沉積制作試樣，在超聲波沖擊處理前后，對試樣采用拉伸試驗、顯微硬度檢測、殘余應力檢測、X光檢測、耐蝕性試驗和顯微組織觀察等試驗方法開展對比分析，研究超聲波沖擊法對微弧火花沉積涂層性能的影響。

2.1 拉伸試樣及硬度試樣制備

抗拉強度試樣制備采用機械方法加工出帶溝槽的板片如圖3a和圖3b所示，采用微弧火花沉積方法填平溝槽如圖4所示，任意抽取3件作為第1組，不進行超聲波沖擊處理；余下3件作為第2組，進行超聲波沖擊處理。然后6件試樣按照相同機械加工方法將厚度方向的母材整體切除，加工成長200 mm，寬12 mm試樣，其中：沉積區截面為上寬(5.6±0.1) mm，下寬(3.6±0.1) mm，厚度(2.2±0.1) mm。加工后第1組試樣如圖5a所示；加工后第2組試樣如圖5b所示。試樣符合GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗》及GB/T 2975—2018《鋼及鋼產品 力學性能試驗取樣位置及試樣制備》的相關要求。用相同方法處理制作第3組和第4組顯微硬度檢測試樣，試樣符合GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗》的相關規定和要求。

圖3 抗拉強度試樣

圖4 微弧火花沉積填平溝槽的試樣

圖5 加工后第1組和第2組試樣

2.2 殘余應力試樣制備

在50 mm×50 mm的30CrMnSiNi2A板片上，采用微弧火花沉積20 mm×20 mm面積、厚0.5 mm試樣6件，任意抽取3件作為第5組，如圖6a所示；余下3件作為第6組，并對第6組3個試件沉積區進行超聲波沖擊處理，如圖6b所示。利用放大鏡觀察微弧火花沉積表面宏觀形貌發現，其表面由無數密集的涂敷點和放電凹坑所構成，表面呈銀灰色，偶爾局部區域呈淡黃色、外觀呈桔皮狀(圖6a)。當采用超聲波沖擊后表面呈銀白色，桔皮狀消除，表面粗糙度大幅降低(圖6b)。

圖6 殘余應力檢測試驗樣件

3 試驗結果與討論

3.1 拉伸試驗

采用Instron 5882力學拉伸機對第1組和第2組試樣進行拉伸試驗。計算機自動采集試驗數據，見表1。結果表明：對沉積區進行超聲波沖擊后，微弧火花沉積強度明顯提高。

表1 試樣抗拉強度 MPa

3.2 硬度試驗

采用HMV-2T型顯微硬度計進行顯微硬度檢測。壓頭：金剛石正四棱錐體壓頭，對角136°。試驗載荷選擇9.8 N，物鏡到壓頭的轉換、試驗過程全部自動進行，壓痕尺寸的測量通過物鏡與光電傳感器組成的測量頭測量后自動計算得到硬度值。以沉積區寬(5.6±0.1) mm表面為外表面，在距外表面深度每磨去0.1 mm檢測一次硬度，每組3件取平均值，結果見表2。由表2可知，0～0.4 mm為堆焊區顯微硬度，0.4～0.5 mm為熱影響區(高溫回火區)顯微硬度。從顯微硬度實測值看，對沉積區進行超聲波沖擊后，硬度有所提高。

表2 試樣硬度梯度測試結果 HV1

3.3 殘余應力檢測

對第5組和第6組樣樣按照GB/T 7704—2017 《無損檢測 X射線應力測定方法》標準要求制作殘余應力檢測試樣。采用XSTRESS—3000型(X射線衍射法)殘余應力測定儀對2組試樣進行殘余應力的檢測，測試相互垂直的2個方向(h為磨削加工方向，對應XSTRESS—3000中0°方向的測試結果；z方向對應XSTRESS—3000中90°方向的測試結果)。試驗數據見表3。試驗結果表明：超聲波沖擊前，沉積區呈現殘余拉應力；超聲波沖擊后，沉積區呈現壓應力。

表3 殘余應力試驗數據 MPa

3.4 X光檢測

對第5組及第6組完成殘余應力檢測的試驗樣件進行X光檢測。檢測結果表明：超聲波沖擊后孔隙數量和孔隙大小均大幅度下降。沉積區檢測結果出現孔隙，表明沉積區有層間夾雜、未熔合等缺陷。疑是在桔皮狀沉積表面上進行微弧火花沉積時，手工操作導致微弧火花沉積放電的不均勻性與不穩定性及較高的表面粗糙度造成堆焊層的致密度不均勻所致。采用超聲波沖擊后，孔隙數量大幅度下降，表明超聲波沖擊能有效擠壓沉積區的層間孔隙等缺陷空間，提升堆焊層的致密度。

3.5 耐蝕性試驗

按GJB 150.11A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第11部分：鹽霧試驗》標準對微弧火花沉積層試樣和沉積層超聲波沖擊試樣開展鹽霧試驗。結果如圖7所示。從圖中可看出，基材30CrMnSiNi2A出現了明顯點蝕，沉積區(材料H800)鹽霧試驗24 h未見腐蝕而呈白亮狀態(圖7a)；鹽霧試驗48 h，基材30CrMnSiNi2A出現了大面積銹蝕，而沉積區邊緣區域零星出現點蝕，中間仍然呈白亮狀態(圖7b)；沉積區經超聲波沖擊處理試樣，鹽霧試驗24 h，48 h，均未見腐蝕而呈白亮狀態(圖7c、圖7d)。說明沉積材料H800的耐蝕性能明顯優于30CrMnSiNi2A材料，經超聲波沖擊處理后的沉積區在腐蝕環境下的抗腐蝕能力有較大提高。

圖7 鹽霧試驗結果

3.6 顯微組織分析

選取圖6a的微弧火花沉積試樣和圖6b的沉積區超聲波沖擊后試樣，按照GB/T 3488.1—2014《硬質合金 顯微組織的金相測定》的相關規定和要求，分別在沉積區位置取樣制成標準金相試樣，采用Axio. Imger. Alm型蔡司光學顯微鏡對試樣進行顯微組織觀察。顯微組織如圖8所示。經對比顯示：孔隙、疏松和局部未熔合等沉積缺陷，未經超聲波沖擊處理試樣明顯多于經超聲波沖擊處理試樣，且經超聲波沖擊處理后的孔隙、疏松和局部未熔合顆粒直徑大幅減小。說明經超聲波沖擊處理后，沉積區域表面發生了劇烈的塑性變形，表層晶粒得到大幅細化，并產生了隨機的晶體學取向，大幅消除了孔隙、疏松、未熔合等沉積缺陷。

圖8 沉積區域顯微組織

3.7 應用探討

微弧火花沉積為脈沖、不連續焊接，熱影響區較小，工件基本不產生變形、不存在咬邊和局部退火現象。試驗表明：沉積區過渡圓弧大小、沉積棒直徑大小及待沉積表面粗糙度，均能夠影響沉積區抗拉強度。采用超聲波沖擊方法可以有效的改善微弧火花沉積表面強化層的應力分布，減少層間孔隙、疏松、未熔合等缺陷，致密沉積涂層，提高沉積區抗拉強度，但深度有限。最為突出的特點是可以選擇耐腐蝕性能較強的沉積材料修復飛機零件局部腐蝕缺陷，同時通過超聲波沖擊將能大大提高零件抗腐蝕能力。而飛機零件環境復雜，經常處在冷熱、潮濕、氣流酸雨環境中，其零件腐蝕嚴重，特別是全天候戰斗機零件腐蝕缺陷的產生尤為突出。因此，在飛機維修過程中，采用MASD+UIT技術修復零件局部腐蝕缺陷，有較大應用空間，效果明顯。在處理過程中，要使需要被強化的零件表面都要被沖擊到，且沖擊的密度越大，沖擊的電流越強，表面被強化的效果越好。

4 結論

(1)對沉積區進行超聲波沖擊后，微弧火花沉積焊接強度將明顯提高。能提高沉積區抗拉強度，應是減少層間孔隙、未熔合等缺陷，消除微弧火花沉積產生的拉應力所致。

(2)采用超聲波沖擊方法可以有效的改善微弧火花沉積表面強化層的應力分布，消除微弧火花沉積產生的拉應力，將表面變成壓應力狀態。但超聲波沖擊方法消除拉應力并產生壓應力深度有限。

(3)MASD+UIT技術對飛機零件表面腐蝕、損傷缺陷進行修復是可行的，由于超聲波沖擊深度有限，對快速運轉、受沖擊載荷較大且微弧火花沉積修復深度、體積較大的零件慎用。