ESD技术在航空发动机维修中的应用.docVIP

电火花微弧沉积技术在航空发动机维修中 应用前景 任天明（特种工艺室） 摘要：本文介绍了新近国内、外对电火花微弧沉积技术的研究动向，和电火花微弧沉积技术的工艺特点及涂层的性能特点，国内、外在这方面的应用情况，并结合我厂的零件特点，分析了该技术在我厂的应用可能性。 概述： ElectroSpark Deposition（ESD）技术就是电火花微弧沉积技术，是近年来新发展的修复技术，是通过电火花放电原理，两电极的放电频率为70-2000Hz，持续时间10-6～10-5 秒，在接触区温度瞬间可达到8000℃～25000℃，产生了阳极对阴极的合金化，阳极材料沉积敷涂在阴极工件表面上，形成焊接表面涂层具有微观焊接的特点，其基体与涂层之间的结合为冶金结合，涂层的结合强度高。电火花沉积的作用时间非常短，粒子的冷却速率大概为105～106 ℃/s，产生的热输入量很小，所以修复的零件没有变形，对一些材料沉积的涂层微观组织具有纳米组织和柱状轴晶形态，所以具有很好的机械性能。电火花微弧沉积技术应用范围非常广，可以用于不锈钢、钛合金、铝合金、镁合金、镍基高温合金和钴基合金的缺陷修复，特别是由于电火花微弧沉积技术的作用时间短和冷却速率小的特点，对铝钛含量高的高温铸造合金的修复显出独特的优点，而航空发动机上应用了大量的钛合金、铝合金、镁合金和高温合金。所以电火花微弧沉积技术必将在航空发动机维修中得到广泛的应用。 电火花微弧沉积技术在国内外的发展情况 电火花微弧沉积技术是新近开发的修复技术，公开的研究资料还很少，发达国家均投入相当多的人力和物力对其进行开发和应用研究，美国的North Island Naval Air Depot(North Island)、Anniston Army Depot、Advanced surfaces and Processes(ASAP)、Air Force Lab(AFRL)、Air Logistics Center(OC-ALC)等等均进行大量的实验研究，特别是ASAP应用电火花微弧沉积技术，对航空发动机上大量使用的镍基高温合金和钛合金材料的修复进行了系统的研究，研究的材料主要有Alloy17-4、410ss、Hastelloy X、Haynes188、Inconel625、Inconel718和Ti6A4V等，并对电火花微弧沉积的涂层的抗拉强度、延伸性、微观硬度、微观金相、晶粒的生长方式和涂层中的缺陷进行了详细的研究，涂层的厚度可以从几微米到几毫米。国内应用最早的是中国科学院金属研究所，设备方面以发展成为系列的3H-ES电火花微弧沉积设备，并用电火花微弧沉积技术对钛合金、高温合金表面渗碳提高零件的耐磨性进行了研究。国内还有一些学者对电火花微弧堆焊层与基体材料的结合行为进行了研究。 电火花微弧沉积技术的发展方向主要在设备和应用方面，自动电火花微弧沉积设备，小型笔式电火花微弧沉积设备和能使沉积涂层厚度大大提高的高效电火花微弧设备。应用方面主要是材料表面的改性技术，如：材料表面渗碳、表面沉积耐磨涂层和耐热腐蚀涂层和陶瓷涂层，各种材料的损伤和磨损修复等研究。另一方面的研究是将涂层中的气孔率降低，以提高涂层的质量。 电火花微弧沉积涂层的特点 根据美国ASAP对Alloy17-4、410ss、Hastelloy X、Haynes188、Inconel625、Inconel718和Ti6A4V六种材料研究的结果显示： 电火花微弧沉积的涂层的断裂强度为母材的89%，屈服强度为母材的102%，延伸率为母材的28%，Iconel718合金的疲劳试验为母材的42%（试验条件温度1000F°，循环载荷0～100MPa），微观硬度与试验的材料有关，基本上与基体材料接近，从理论上讲由于电火花沉积的作用时间非常短，粒子的冷却速率为105～106 ℃/s，形成的涂层的粒子基本上达到纳米级，组织中的晶粒很小，涂层的硬度应比母材的硬度高，但是另一方面涂层中有一定的孔隙，使涂层的硬度降低（表1为ASAP测试的硬度数据）。对修复的试样进行弯曲试验表明所有的试验材料均可以达到2%延伸弯曲测试。 表1 微观硬度测试 母材 基体微观硬度 修复后的微观硬度 Alloy17-4 480 274.4 410ss 509 395.7 Hastelloy X 246 342.2 Haynes188 292 385.6 Inconel625 267 363.4 Inconel718 526 363.8 Ti6A4V 330 383.7 电火花微弧沉积的涂层与基体的界面结合为冶金结合，其类型有非均匀混合互熔结晶型、超薄层熔化互扩散结晶型和弱扩散无明显重结晶型，形成的晶粒结构为柱状晶。 电火花微弧沉积技术的另一特点是：由于粒子的冷却速率为1