0.   前言

电火花沉积涂层与基体材料实现了冶金结合，该方法具有热输入小、热影响区小、生产成本低等特点，可进行零部件的表面强化和修复等，是表面工程和再制造工程领域中一种重要技术手段^{[1 - 3]}。

目前，电火花沉积技术的研究主要集中在先进材料涂层制备和工艺参数对涂层性能的影响等方面^[4]。为了提高镍基单晶高温合金叶片的耐蚀性和耐磨性，YANG等学者^[5]采用电火花沉积技术制备了NiCoCrAlYTa/Y₂O₃金属基复合镀层，研究了该涂层的外延生长和氧化行为。KAYALI等学者^[6]采用电火花沉积技术在AISI 1040和4140钢表面分别沉积了Ni，WC，M42钢的单涂层与Ni + WC和Ni + M42钢的双涂层，研究发现所有钢的表面硬度都随着涂层的增加而提高，耐磨性提高了150%～300%。NALLATHAMBI等学者^[7]在AA7075铝合金表面制备了粉煤灰（FA）−铜（Cu）复合涂层，研究了放电电流、脉冲接通时间和脉冲关闭时间对电火花沉积的沉积速率和涂层粗糙度的影响。ABDI等学者^[8]通过电火花沉积技术在衬底上沉积了AlCoCrFeNiMn高熵合金硬质涂层，并研究了频率、占空比和电流对涂层耐蚀性的影响。KUPTSOV等学者^[9]采用真空电火花沉积技术在AISI 420S钢表面沉积了均匀致密和无裂纹的FeCrNiCo（Cu）镀层，测试发现该涂层具有较好的耐腐蚀性。张建斌等学者^[10]在304不锈钢表面电火花沉积制备了AlCrNiFeTi高熵合金涂层，分析了该涂层的组织结构和摩擦磨损性能。李忠盛等学者^[11]在PCrNi3MoVA钢基体表面电火花沉积合成W-Mo高熔点复合涂层，研究了该涂层的微观组织形貌和抗烧蚀性能。樊敏强等学者^[12] 为了提高45钢的减摩和润滑性能，在Ti40合金表面电火花沉积制备了非晶阻燃涂层，并研究了该涂层的阻燃性能。李梦楠等学者^[13]研究了旋转电极接触力对电火花沉积放电过程的参数和材料转移的影响，发现接触力的变化影响了各种放电类型的数量和比例，从而影响电火花沉积的材料转移效率和沉积效率。

现在的电火花沉积常采用旋转圆柱电极，电极与工件呈一定夹角，圆锥形的电极接触面与工件表面的接触形式为线接触，接触线上各点的电极直径和电极转移质量不同，导致接触线上沉积层厚度会有不同^[14]。当圆柱电极与工件垂直时，电极消耗时只需要控制垂直方向的进给，电极圆柱端面与工件表面为面接触，其有利于提高电极的转移效率^[15]，可以实现一些零件上孔洞底面的表面强化和修复，但是有关面接触的旋转圆柱电极的电火花沉积方面的研究较少。圆柱电极的直径影响了接触面的面积，会影响沉积层的成形质量，文中通过改变圆柱电极的直径从而改变接触面积，研究电极直径对电火花沉积层形貌和转移效率的影响，探索面接触状态下电火花沉积的放电和材料转移机理。

1.   试验方法

采用的数控电火花自动沉积系统主要由9188H2型电火花沉积电源、接触力自动控制装置、工作台数控系统、旋转焊枪等组成。在自动沉积过程中，电火花沉积电源控制输出的放电脉冲参数，工作台数控系统主要控制电极与工件之间的运动轨迹，接触力自动控制装置可控制电极与工件之间的接触力保持在设定值，该系统详细工作原理可参考文献[13]。

圆柱电极选用长度为40 mm的45钢棒，直径d分别为3 mm，4 mm，5 mm，6 mm，7 mm，工件选用尺寸为15 mm×15 mm×3 mm的45钢板。

在室温下保持其它规范参数不变，采用不同直径的圆柱电极进行电火花自动沉积试验，每组试验分别做5次，图1为圆柱电极与工件的面接触沉积示意图。自动沉积时，电极相对工件的运动轨迹如图2所示，电极由A点沿轨迹移动到B点后完成一层沉积，再沿原轨迹返回到A点完成下一层沉积，如此循环往复。沉积面积为10 mm×10 mm，电极移动速度为1 mm/s，每道间隔为0.5 mm。沉积试验的其它工艺参数见表1。

图  1  圆柱电极与工件的面接触沉积示意图

Figure  1.  Deposition diagram of surface contact between cylindrical electrode and workpiece

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图  2  电极相对工件的运动轨迹（mm）

Figure  2.  Motion trajectory of electrode relative to workpiece (mm)

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表  1  沉积试验规范参数

Table  1.  Deposition test specification parameters

脉冲电压 U/V	脉冲频率 f/Hz	脉冲宽度 tp/μs	接触力 F/N	沉积时间 t/s	氩气体流量 Q/（L·min−1）
26	50	267	1	180	10

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试验前分别对电极端部与工件表面依次用400号、800号、1000号砂纸进行打磨，再采用丙酮溶液对电极端部与工件表面进行除油去污。在每组沉积试验过程中用 Tektronix MSO 4032 型示波器采集放电过程的放电电压和放电电流波形，共240个。在试验前后用Metter Toledo AL104型精密电子天平分别测量电极和工件的质量，然后计算出沉积效率η（η = m₂/t，m₂为工件质量的增加量）和转移效率K（K = m₁/m₂，m₁为电极消耗质量）的平均值。在试验后用LJ-X8000A 型激光扫描仪测量沉积层的表面形貌，计算出粗糙度R_a 的平均值，然后用SRL-7045型显微镜观察沉积层的表面形貌和截面形貌。

2.   试验结果

2.1   沉积试验的转移效率和沉积效率

图3为沉积试验的转移效率和沉积效率随电极直径的变化曲线。当电极直径由3 mm增加至5 mm时，转移效率和沉积效率也随之增加；当电极直径超过6 mm时，转移效率和沉积效率开始明显变小，说明电极直径在5～6 mm时，转移效率和沉积效率出现了极大值。

图  3  转移效率和沉积效率随电极直径的变化曲线

Figure  3.  Variation curves of transfer efficiency and deposition efficiency with electrode diameters

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2.2   沉积层的表面粗糙度

图4为沉积层的表面粗糙度随电极直径的变化曲线。在电极直径从3 mm增大至6 mm时，沉积层的表面粗糙度随之增大；当电极直径超过6 mm时，表面粗糙度开始下降，说明在电极直径约为6 mm时，表面粗糙度出现极大值。

图  4  表面粗糙度随电极直径的变化曲线

Figure  4.  Variation curve of surface roughness with electrode diameters

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2.3   沉积层的表面形貌和截面形貌

采用不同电极直径进行自动沉积试验，各沉积层的表面形貌和截面形貌如图5所示。由图5(a)和5(b)可以看出，当电极直径为3 mm和4 mm时，沉积层表面的沉积点比较均匀，沉积层的厚度也比较均匀。由图5(c)、图5(d)、图5(e)可以看出，当电极直径为5 mm，6 mm和 7 mm时，沉积层表面的沉积点分布明显不均匀，主要集中在一些局部区域，如图5(d)中的黄线圈（浅色）中的区域，其它一些区域则分布很少，如图5(d)中的红线圈（深色）中的区域，各沉积层的截面形貌图也显示出其厚度明显不均匀。

图  5  不同电极直径时沉积层的表面形貌和截面形貌

Figure  5.  Surface morphologyies and cross-sectional morphologies of deposition layer under different electrode diameters. (a) d = 3 mm; (b) d = 4 mm; (c) d = 5 mm; (d) d = 6 mm; (e) d =7 mm

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3.   分析与讨论

不同电极直径电火花沉积试验过程中，对采集的放电波形类型及其所占的比例进行分析和统计，见表2。由于沉积过程中采用了接触力自动控制，电极与工件之间的接触力比较稳定^[13]，不同电极直径沉积试验过程中的接触放电比例比较稳定，范围在54.1%～56.4%，空载放电比例也变化不大；而短路放电的比例则随着电极直径的增大而增加，从9.2%增大到15.9%。

表  2  放电波形类型及其比例统计

Table  2.  Discharge waveform types and their proportions statistics

电极直径 d/mm	短路放电 比例P1(%)	间隙放电 比例P2(%)	接触放电 比例P3(%)	空载放电 比例P4(%)
3	9.2	14.2	55.4	21.2
4	8.7	16.8	54.8	19.7
5	13.6	14.6	56.4	15.4
6	14.8	13.3	55.2	16.7
7	15.9	10.2	54.1	19.8

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在试验过程中还观察到电极直径较小时产生的火花和飞溅较大，随着电极直径增大，试验过程产生的火花和飞溅越来越少。

以上现象与圆柱电极端面和工件表面之间的面接触放电状态有关，如图6所示。在电火花放电过程中，由于2个接触面都是凹凸不平的微凸峰，电极端面与工件表面之间实际接触为单点或多点的微凸峰接触^[15]。电极端面和工件表面在试验前都经过打磨，微凸峰较小。随着沉积的进行，2个表面逐渐变得粗糙，微凸峰的尺寸（高度和面积）逐渐变大。当电极直径较小时，电极圆柱端面与工件表面大部分情况下为单点接触，此时放电电流I都流经该点，如图6(a)所示，极大的电流密度迅速将该接触点的金属熔化和汽化，形成火花和飞溅，导致短路+间隙的接触放电类型，2个表面接触微凸峰的高点被蚀除，电极材料过渡到工件的沉积点中^[16]。高的微凸峰被逐渐蚀除变低，导致工件表面较低的微凸峰能够与电极表面微凸峰实现接触放电和蚀除，如此不停地放电和沉积累积，随着电极的移动和沉积的进行，在工件表面逐渐均匀地沉积一层沉积层。

图  6  电极圆柱端面与工件表面之间的面接触放电状态

Figure  6.  Surface contact discharge state between cylindrical end face of electrode and workpiece surface. (a) single point discharge with small electrode diameter; (b) multipoint discharge with large electrode diameter

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当电极直径增大时，电极圆柱端面的面积迅速增大，例如，当电极直径增大到5 mm时，其端面面积是直径3 mm电极端面面积的2.78倍。当电极直径增大到5 mm以上时，较大的电极端面面积导致电极圆柱端面与工件表面在大部分情况下为3点以上的多点接触。此时放电电流分别流经这些接触点，如图6(b)所示，每个接触点上流经的电流变小。在短路+间隙的接触放电过程中，由于工件体积大而处于冷态，较小的电流密度导致工件微凸峰接触点被蚀除较少（与电极直径较大时火花和飞溅较少的情况一致），电极材料转移到沉积点后导致工件微凸峰高度减少程度不多。同时，较小的电流密度无法熔化和汽化接触点的金属，容易形成短路放电（与表2中短路放电比例随着电极直径增大而增大的情况一致），短路放电无法将工件表面微凸峰蚀除而使其变得更高。而且，由于电极直径较大，在电极端面中间位置产生接触放电波形时形成的飞溅颗粒被阻挡而停留在电极端面与工件表面的接触区域内，这些颗粒形成高点而阻挡工件表面较低的微凸峰与电极表面接触。以上这些情况都导致工件表面上较高微凸峰被蚀除较少，较低微凸峰与电极表面接触形成放电沉积的机会减少，较高微凸峰与电极表面接触形成放电沉积的机会增大，导致放电沉积都逐渐集中在工件表面上一些高点处。如此循环往复多层沉积后，无法在工件表面实现均匀的放电沉积，形成一些局部区域沉积层较厚，如图5(d)中的黄线圈中的区域，而另一些区域沉积层较薄的不均匀沉积层，如图5(d)中的红线圈中的区域，其表面粗糙度也较大，如图5(c)、图5(d)、图5(e)所示。

当电极直径逐渐增大时，接触面上的放电接触点增多，火花和飞溅也减少，导致转移效率、沉积效率和表面粗糙度也逐渐增大。在电极直径达到5 mm和6 mm时，由于接触面积较大和接触点的增多，各接触点的放电电流密度、产生的火花和飞溅减少，影响了材料转移过程，沉积放电和材料转移主要集中在工件表面的局部区域而形成厚度不均匀的沉积层，其转移效率、沉积效率比较相近。当电极直径达到7 mm时，沉积过程中在工件表面迅速形成局部高点，其它低凹区域无法与电极进行接触放电，工件表面实际的沉积面积只集中在几个局部高点区域，导致转移效率和沉积效率下降，由于实际转移到工件表面的电极材料的减少也致使其表面粗糙度略有下降。

圆柱电极端面与工件表面接触进行电火花沉积时，电极直径增大有利于提高转移效率和沉积效率，但是当电极直径过大后会导致沉积层的不均匀。因此，电极直径选择要适当。

4.   结论

（1）圆柱电极与工件表面垂直进行电火花沉积时，随着电极直径的增大，转移效率和沉积效率增大，沉积层的表面粗糙度也随之增大。电极直径超过限定值时，转移效率、沉积效率和沉积层的表面粗糙度呈下降趋势。

（2）电极直径小于4 mm时，可获得均匀的沉积层，当电极直径超过5 mm时，放电和沉积主要集中在工件表面的局部区域，且形成厚度不均匀的沉积层。

（3）电极直径的增大导致电极端面与工件表面之间接触面积的增大和接触点的增多，降低了沉积过程中各接触点的放电电流密度，减少了材料转移过程中火花和飞溅现象。