电火花沉积堆焊技术的国内外应用现状

金属材料表面改性工艺的应用是近年来表面工程 技术的重要发展方向，在节能、节材等方面具有重要意 义。电火花沉积 / 堆焊技术在这一方面已经取得了大 量应用实例。
20 世纪 90 年代后期，中国农机院表面工程技术研 究所研制的大中系列电极旋转式的电火花沉积 / 堆焊 设备 在 中 国 大 陆 得 到 了 应 用［1］。 利 用 这 一 系 统 将 92WC - 8Co 作为电极材料对铝压铸模具型腔表面强化 层改性，大大 提 高 了 型 腔 表 面 抗 铝 液 热 疲 劳 蠕 变 的 性 能［2］。1999 年 CaroIe Reignier［3］在 TWI 上 发 表 文 章， 描述应用 电 火 花 强 化 工 艺 在 金 属 表 面 制 造 强 化 层 结 果，并也认为 这 一 技 术 在 铝 压 铸 模 具 制 造 方 面 具 有 广 泛应用前景。
图 2 拉延模具型腔表面沉积强化
2003 年，国内某航空发动机公司与中国农机院表 面工程技术 研 究 所 合 作，采 用 大 中 系 列 电 火 花 堆 焊 系 统在飞机发动机叶片榫槽处（ Ti 合金）成功制造高可靠
电火花沉积 / 堆焊工艺优势有以下几点：①携带方 便，可现场操作，不 必 拆 卸 大 型 机 械；② 因 热 输 入 极 低 而消除变形、气 孔、皱 缩 和 内 应 力 问 题；③ 基 体 不 需 事 前和事后热处理；④基体与堆焊层间产生扩散层，连接 优异；⑤可选用 Ar、He 等惰性气体保护使沉积 / 堆焊层 厚且质量好；⑤沉积 / 堆焊层的终加工余量小，节约后 加工成本；①沉积 / 堆焊工艺可逆和不产生有毒气体、 液体，或讨厌的气味与噪音等特点使其有别于他工艺。
图 6 Ti、Cu 元素的面分布结果
#" 问题与前景
作为一项正 在 快 速 发 展 推 广 的 实 用 技 术，电 火 花 沉积 / 堆焊工艺仍存在一些没能解决问题，如沉积层厚 度能否更厚 一 些，表 面 粗 糙 度 能 否 更 小 一 些；另 外，生 产效率及工 艺 的 稳 定 性、可 靠 性 还 有 待 提 高 等。 而 这 些问题的存在与设备、材料，特别与电火花沉积堆焊过 程的机理研究是直接相连的。这些问题的存在也在很 多方面限制了该技术的应用范围。因此建议在以下几 方面作进一步的工作：
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焊接 2006（10）
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专题综述
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电 火 花 沉 积/堆 焊 技 术 的 国 内 外 应 用 现 状
中国农业机械化科学研究院表面工程技术研究所（ 北京市 100083） 汪瑞军! 黄小鸥
摘要! 电火花沉积 / 堆焊技术是先进的节能、节材、环保的表面工程技术之一。文中综述了其在金属材料的表 面改性，工件表面缺陷的修复以及实现基体材料表面的异种材料堆焊三方面的应用事例，旨在更多地介绍这一实 用技术的应用现状，并希望引起更多新领域用户的关注。
图 3 30 万千瓦发电机组轴径密封段修复现场
图 4 电火花沉积 / 堆焊工艺在电厂中的应用
精密机械零部件表面的镀 Cr 层破损后，采用熔化 焊接工艺很 难 达 到 满 意 的 堆 焊 修 复 效 果，利 用 电 火 花 堆焊工艺在缺陷处堆焊 Ni 基材料，不仅可以恢复缺陷 尺寸，极低的热输入量也不会使堆焊边缘的镀 Cr 层剥 离［16］。
电火花沉积 / 堆焊技术在众多领域的应用，可归类 为三大方面：!金属材料的表面改性，指对基体材料表 面的耐磨、耐热、耐腐蚀、抗疲劳等特性的改变或提高； "工件表面 缺 陷 的 修 复，主 要 指 在 精 密 机 械 零 部 件 表 面的划痕、超差等方面的尺寸恢复；#实现基体材料表 面的异种材料堆焊。
CVD 和 PVD TD 工艺（ 盐浴）
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3
5
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2
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①最佳、适合或最便宜：5～：最差、不适合或最贵
氮化
l l 5 l l l l 4
焊接
3 l 5 5 5 5 5 5
焊接 2006（10）
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胡仲翔［12］通过对不同工艺在工模具修复中的应用 比较，对几种工艺的其他特点作了对比，见表 2。
表 !" 电火花沉积 # 堆焊工艺与其他工艺的特点比较［$!］
工艺
电火花 电刷镀 氩弧焊
预热
不 不 要
变形
小 小 大
强化厚度 ! / mm <1 < 0. 5 !1
厚度控制
易 易 难
气孔
少 中 强
后续加工
易 中 难
强化速度
中 慢 快
结合强度
高 低 高
电火花沉积 / 堆焊修复工艺还应用于海军舰船的 舰载系统零部件修复，如方向舵、潜水板等。一旦这些 液压驱动装 置 损 坏，则 必 须 取 下 并 在 岸 上 修 复 后 装 回 到船上。美国 MTTC 和 NSWC / CD 利用电火花沉积 / 堆 焊工艺在线修复，能节省至少 75% 修复时间，每年可为 美国海军节省大量费用［13］。
表面镀 Cr 的液压支柱件表面层破损后，采用熔化 焊接工艺堆 焊 修 复 很 难 达 到 满 意 效 果，利 用 电 火 花 堆 焊工艺在缺陷处堆焊 NiCr 合金材料，不仅可以恢复缺 陷尺寸，极低的热输入量也不会影响堆焊边缘的镀 Cr 层性能。
如果电极材料与基体材料搭配不合适，沉积 / 堆焊 层则不能与基 体 形 成 牢 固 的 冶 金 结 合，文 献［ 17 ］研 究 了在 Cu 基体上沉积 TiB2 的界面情况，结果显示，沉积 层与 Cu 基体之间不能形成冶金结合，且沉积层相对于 在钢基体上沉积层的厚度很不均匀。这是由于 TiB2 在 铜基体上的润湿性很差和沉积层与基体之间的热膨胀 系数差别较大而造成的。图 6 为沉积层与基体之间的 元素面分布图照片，可见交界线很清楚，连 接 很 不 紧 密，并没有合金元素与基体元素之间的扩散。
冶金行业 中，轧 辊 的 主 要 失 效 形 式 是 磨 损。 文 献 ［7］的研究表明，采用电火花工艺对其表面强化后，寿
命显著提高，并可消除轧制金属打滑，降低轧辊 - 金属 板材间的粘连磨损。
为使纺织工业中的梳棉机针针尖具有高硬度与低 摩擦系数，通常采用的火焰淬火工艺效果不好，成本还 高，采用电火花强化硬质合金后，产品的使用寿命大大 提高［8］。
金属材料在高温、氧 - 硫环境中的腐蚀是许多行 业生产中头痛的难点问题。采用电火花强化适当的材 料，可大大减 少 材 料 剥 蚀，延 长 使 用 寿 命，被 保 护 的 材 料包括低合金钢、不锈钢、钛合金等［9］。
文献［l0］还报导了电火花沉积 / 堆焊工艺在医疗 器械表面改性和应用的成功实例。
Hale Waihona Puke Baidu
!" 精密机械零部件表面的尺寸恢复（ 修复）
表 l 对电火花沉积 / 堆焊工艺与其他工艺的特点及运 行成本作了比较［ll］。
表 #" 电火花沉积 $ 堆焊工艺与其他工艺特点的比较!
项目
操作 热输入
结合 现场工作 地区限制
堆焊 投资 处理费用
电火花沉积 / 堆焊
5 5 5 5 5 4 5 5
镀铬
l 5 l l 6 2 l 5
热喷涂
3 3 2 3 4 5 3 3
及修复后的 30 万千瓦发电机组轴径密封段［15］。 电火花沉积 / 堆焊技术在电厂的应用面非常广，汽
轮机壳体（ 铸铁材料）由于长时间受高温、高压气体的 冲蚀，极易产 生 冲 刷 痕 迹，造 成 高 温、高 压 气 体 外 泄 事 故。采用电火花堆焊工艺将 Ni 基材料堆焊在冲刷痕 的上方，能够有效解决这一问题［15］。另外，电火花堆焊 设备的便携性以及热输入量小等特点在解决电厂大型 设备表面缺陷修复中发挥了积极作用。图 4 是电火花 强化设备在电厂关键设备的应用实例。
Abstract EIectrospak deposition / surfacing technoIogy is one of the surface engineering technoIogies which can save energy sources and materiaI as weII as protect environment. By summarizing its appIications on the surface modification of metaI materiaIs，defect repair of workpiece surface and surfacing of dissimiIar materiaI on the surface of substrate materiaI， the appIication status of eIectrospark deposition / surfacing technoIogy was introduced，which can attract much attention in new fieIds.
关键词：! 电火花沉积! 电火花堆焊! 实用技术! 应用
APPLICATION STATUS OF ELECTROSPARK DEPOSITION / SURFACING TECHNOLOGY
Surface Engineering TechnoIogy Institute of CAAMS Wang Ruijun，Huang Xiaoou
在某产品中，304 不锈钢阀门导轨与阀门座之间产生 的磨屑，使阀门座磨损造成泄漏。采用 Cr3C2 - 15% Ni 作 为电极材料堆焊修复阀门座后，该问题得到解决［14］。
1999 年，哈尔滨汽轮机厂与中国农机院表面工程 技术研究所［15］合作，采用电火花堆焊工艺首次成功修 复电厂 30 万千瓦发电机组轴径密封段磨损面，解决了 此类部件损坏后不能焊接修复，刷镀层性能差，喷涂结 合强度不达标等技术难题。在随后的 4 年中，先后有 北京、甘肃、广东、黑龙江、山东、山西、云南等地的大中 型 电厂成功修复同类产品 120 余件。图 3 是修复现场
电火花沉积工艺还应用于冷冲模、客车大型模具、 金属压印模、弯 曲 模、塑 料 模 具、铸 型 模 等 各 种 模 具 的
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焊接 2006（l0）
型腔表面改 性 强 化。 应 用 显 示，改 性 强 化 后 的 工 模 具 耐用度提高了 2 倍以上［4］。
图 l、图 2 是采用电火花沉积工艺表面改性后的工 模具图片［3 ~ 4］。
此外，电火花沉积 / 堆焊工艺在提高拉刀、车刀、钻 头、铰刀、拉力试验夹持等工具使用寿命方面也有突出 表现，强化后的刀具使用寿命均能提高 3 倍以上。
图 l 铝压铸模具型腔表面沉积
性耐微动磨 损 的 强 化 层，大 大 提 高 发 动 机 叶 片 的 使 用 寿命［5］。
在核反应堆 建 设 中，美 国 哈 佛 工 程 开 发 实 验 室 的 Jolmsom［6］等人利用电火花沉积工艺对快中子增殖反应 堆的关键部件表面改性强化，改善部件表面的耐磨性、 耐腐蚀性，并有效减少放射性核物质扩散。
Key words： electrospark deposition， surfacing by electrospark， utility technology， application
"! 前! ! 言
#! 金属材料的表面改性
作为表面工程技术重要组成的电火花沉积 / 堆焊 技术，以其独特的工艺特点，如强化过程 中 热 输 入 量 低，强化层与基体间冶金结合，容易实现异种材料间的 沉积 / 堆焊，电极材料容易选择等，近年在航空航天、能 源、军 事、核 工 业、汽 车、电 力、医 疗、冶 金、矿 山 以 及 精 密机械零部件制造 / 修复等领域得到快速的推广应用。 其创造出的 巨 大 经 济 效 益 和 社 会 效 益，充 分 验 证 电 火 花沉积 / 堆焊技术是先进的节能、节材、环保的表面工 程技术之一。
针对有色金 属 材 料 精 密 机 械 零 部 件 的 修 复，是 电 火花堆焊工艺应用的另一大优势，图 5 是有色金属零 件的电火花堆焊修复实例［17］。
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图 5 有色金属零件的电火花堆焊修复实例
!" 材料表面的异种材料堆焊
利用电火花沉积 / 堆焊系统可实现不同熔点金属 间冶金结合 的 特 点，在 发 动 机 附 件 燃 烧 室 与 外 环 道 气 道表面沉积 WC - Co 材料，解决了其在高速运行中金 属粘着磨损的问题［16］。