电火花沉积表面处理技术

复合加工


超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化
采用该技术进行65Mn钢硅电极表面强 化，工具电极辅以30kHz左右超声纵向 振动，可通过对超声振动参数（振幅和 频率）进行合理控制，获得厚度分布均 匀的强化层，提高基体硬度、粗糙度、 耐磨性和耐腐蚀性。
强化过程原理示意图
复合加工


超声振动辅助混粉电火花表面强化
电极为普通铜电极，通过超声振动和极 间熔融使液体中的金属粉末材料熔渗到 工件表面。相比传统方法有更高的表面 性能和使用寿命。
强化过程原理示意图
复合加工

电火花与喷丸复合加工

有研究表明，现在硅油中对Ti811钛合金表 面进行电火花强化处理，再对沉积层进行喷 丸强化处理，得到的强化层疲劳寿命是未处 理式样的2.9倍
新的电火花沉积工艺

负极性沉积

只要工具电极的熔点足够低，可实现阴极一方的沉积。通过 改变极性，尽管硬度较传统方法稍有降低，但加工效率高， 电极损耗小。 先使用大电容电火花沉积后再小电容进行二次沉积，强化层 表面的抗疲劳强度远大于未经过二次强化的涂层。
将工作介质由气体改为液体介质，极大提高沉积效率。正极性加工 时生成效率是普通方法的1.8倍左右。若采用负极性沉积，其生成效 率则达到3.5倍左右。
链条腐蚀
齿轮磨损腐蚀
电机轴轴承位磨损
电火百度文库沉积原理

电火花沉积（Electro-Spark Deposition, ESD）表面处理方法是表 面工程技术的重要分支之一，是通过火花放电作用把一种导电材 料涂覆熔渗到基体材料的表面，形成合金化的表面强化层，从而 改变基体表面的物理、化学性能和力学性能的工艺方法。功能有 表面强化与表面修复。

二次沉积（二次强化）：


液中放电电火花沉积技术

新的电火花沉积工艺

通过反应生成涂层


电极与介质反应：有研究以煤油为工作液用Ti电极进行电火花 表面加工，Ti与油液中分解出的碳元素反应形成TiC，强化后 的表面硬度达到了基体硬度的5倍以上，摩擦、耐磨性能也有 了很大的提高。 电极与基体反应：有研究以石墨为电极，采用电火花沉积方 法在BT20钛合金表面制备TiC强化涂层。
复合加工

电火花与离子束结合

西北工业大学发明了一种用电火花结合离子 束增强沉积复合改性钛合金表面的方法：在 经过电火花强化处理过的钛合金表面用氩离 子轰击。该方法提高了材料表面硬度的同时 减小了摩擦系数。
沉积设备进展


开关：设备采用由固态继电器和单相可控硅构成的无触点开关控 制充放电过程，提高了脉冲放电的频率和稳定性。 电极运动：采用旋转电极，保证涂层的均匀连续性，同时提高了 强化效率。 电源：采用电力器件IGBT控制电源系统生成100Hz-10kHz高频脉 冲（传统脉冲频率：10-2000Hz），从而克服了现有设备充放电 脉冲随机性的缺陷，提高了强化设备的充放电频率，细化了强化 颗粒，显著地降低了表面粗糙度。
电火花表面强化工作原理图
电火花沉积设备及应用
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电火花沉积技术的优缺点

电火花沉积技术不仅可有效改善工模具的表面性能，与其他常用 的表面处理工艺（如热喷涂、激光熔覆等）还有如下特点：



工艺设备简单，携带方便，使用灵活，可自由选择电极（常用YG，YW类硬 质合金、碳素钢、黄铜、钛合金等材料）。 放电时间极短，放电间隔较长，热影响区域小，工件基本保持常温。基本不 会退火或变形，较小残余应力，强化后不需重新进行热处理，可作为最终工 序。 放电瞬间高温下重新合金化，强化层与基体的结合强度高于其他表面工艺。
电火花沉积合金层示意图
离强化层表面不同距离的显 微硬度测试结果
磨损失重量的测试结果
电火花沉积设备原理

电火花沉积设备主要由振动器电源和振动器等构成。振动器电源 包括振动电源和脉冲电源。工作时，振动电源给振动器供电，振 动器夹持电极作上下往复或旋转运动，而脉冲电源给电极和工件 供电，使两者之间产生电火花放电。
工作电极研究



可沉积陶瓷涂层电极（如TiC，WC等）的制作：以压结或半烧结 方式制作，而烧结体电极可切割成各种形状，从而实现任意形状 的强化。在金属表面沉积金属陶瓷，具有陶瓷耐高温、超硬度、 高耐磨、抗腐蚀等特性。 纳米电极：E.A.Levashov 等人采用粉末冶金技术制备了纳米结构 的电极材料，并探讨了其对强化过程中涂层的组织和性能的影响， 认为纳米级电极可以增加强化层密度、厚度、硬度和杨氏模量。 多层式电极
电火花沉积原理示意图
电火花沉积过程

直接利用气体空间电弧放电的高密度能量对金属的表面进行沉积 处理，把待沉积材料作为工作电极(阳极)使之与金属基体(阴极)之 间产生火花放电，在10-5 -10-6s内电极与工件接触的部位达800025000℃的高温，利用电火花放电的能量，将电极材料转移至工 作表面，构成沉积强化层。

电火花沉积技术也有不足之处：强化层较薄；生产效率低；表面 粗糙度难控制，强化工艺不稳定。这些限制了该技术在表面强化 与修复方面的应用范围。
发展现状与前景

近年来，国内外学者对电火花沉积工艺进行了 广泛深刻的研究。

新的电火花沉积工艺 沉积设备的研究 工作电极的研究 复合加工 应用前景
电火花表面强化过程的电极运动状态
电火花沉积工艺效果


下图是以YG8作为工作电极对白口铸铁进行表面强化。 结果白口铸铁硬度提升3倍左右，而未经处理的白口铸铁试件磨损速度是 经过处理的试件的4.5倍。 可延长设备的使用寿命，减少资源消耗，具有很高的节能环保意义。该 技术主要用于轴类、叶片、模具等零件的修复和航空器件关键部位强化。
电火花沉积表面处理技术
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主要内容

背景意义 原理与应用 发展现状与前景
背景意义

表面工程是改善机械零件基体材料表面性能的一门工程技术学科。 统计结果表明，世界钢材的10%因腐蚀而损失，70%的机电产品 因磨损和腐蚀而失效，在机电产品制造和使用中约三分之一的能 源消耗于摩擦磨损。这些损失的关键在“表面”，磨损和腐蚀都 从表面开始。因此，采用一定的技术措施提高零部件材料表面性 能，预防和减缓表面失效，是表面工程领域所要解决的关键问题。