电火花修复涡轮导向叶片试验研究

论文导读：本文尝试采用电火花技术对受损部件进行修复。试样用阴极射线从涡轮导向器上切下。3 结论（1）修复后的试样的金相组织得到明显的改善。
关键词：电火花，表面强化，涡轮导向器，金相组织，显微硬度
 

电火花表面强化是利用电极材料与金属材料表面间的脉冲火花放电，将电极材料熔融到金属表面，形成合金化熔渗层。电火花放电属于高能量密度放热，亦成电火花熔覆或称为脉冲电弧显微堆焊，可以提高零件的硬度、耐磨性、腐蚀性及热硬型等表面性能。电火花强化工艺方法简单，装备造价低，经济效益明显，因而广泛应用模具、导轨及齿轮、轧辊工件面的表面涂覆强化。此外还可以采用不同电极材料对工件表面的性能进行改性处理，亦可收到非常明显的工艺效果[1-6]。

航空发动机的涡轮导向叶片，普遍采用高温镍基合金制成，使用过程中这些部件经常出现裂纹等损伤。高温合金价格昂贵，如果受损部件一次性报废，势必造成极大的浪费，因此如何良好修复航空发动机的涡轮导向叶片等热端部件是一个亟待解决的问题。本文尝试采用电火花技术对受损部件进行修复。

1 试验步骤1.1 试验条件

试样用阴极射线从涡轮导向器上切下，材料为镍基高温合金K418，其化学成分(质量分数，%)为：C0.08～0.16，Cr11.5～13.5，Ti0.5～1.0，Fe1.0，Mn0.5，Al5.5～6.4，Si0.5，Nb1.8～2.5，Zr0.06～0.15，Mo3.8～4.8，B0.008～0.02，余为Ni。试样经100号粗砂纸打磨，再用丙酮清洗试样表面、干燥以脱脂。

试验设备为3H-ES型金属表面强化修复机。输入电压AC220 V，单相50/60 HZ，功率1500 W，频率70~700 HZ。采用HXS－1000型号的显微硬度仪，测试试样的显微硬度。

电极为旋转式，强化电极材料与试样材料相同。试验中采用氩气保护。

1.2 试验数据

为了尽可能从较少的实验中寻找出结论，采用正交实验法。电火花修复试验工艺参数如表1所示。

表1 试验工艺参数

注：该正交表中B1、B2、B3、B4为任意选取的四个值，其大小为：B1<B2<B3<B4；C1、C2、C3为任意选取的三个值，其大小为：C1<C2<C3。

熔覆层硬度值为对12个试样的修复层各做了两点的硬度测量，并取其平均值，列于上表。

通过数理分析，确定电压为最大影响因素，其次为频率、功率。

本试验条件下，最优工艺参数为：电压65 V，功率 B2，频率 C1。

2 试验结果分析打磨、抛光试样，再经腐蚀（腐蚀剂：4克五水硫酸铜，20ml水，20 ml盐酸），以备金相观察。

2.1 金相组织分析

2.1.1 基体分析

图1为原试件的组织，图2为试样基体的组织形貌，通过比较发现，试样基体较原试件的组织基本上没有发生变化，可以清晰地看见树枝状晶体组织。

图1 原件基体100× 图2 试样基体100×

2.1.2 过渡层分析

图3、4为过渡层的组织形貌，可以看出，过渡区的范围很窄，晶粒细小。分析原因主要是由于基体在电火花修复的过程中，过渡层受热之后散热较慢，和基体几乎同时进入过冷状态，但因过冷度大，晶体形核较多，晶体长大，形成晶粒细小的等轴晶区。过渡区与基体及电火花熔覆层之间结合良好。

图3 过渡层100× 图4 过渡层200×

2.1.3 熔覆层分析

图5、6是电火花熔覆后的熔覆层组织形貌，观察发现，大部分试样均完整，熔覆层与基体结合良好，熔覆层晶粒细小，组织非常致密，在一般光学显微镜下无法分辨其组织，熔覆层可分为三个区域：外层是由电极材料及其碳化物、氧化物、氮化物组成的熔覆区；内层为稍暗的扩散区，是电极材料的组成材料熔渗、扩散到基体材料中形成的；再往里是热影响区，其内部是基体组织。

2.1.4 缺陷分析

在对试样进行电火花修复过程中，少数试样的熔覆层中出现了裂纹、气孔等缺陷（如图7、8）。分析原因主要是：（1）在熔覆的过程中，由于熔覆表面凸凹不平，这样在一层一层的熔覆后，熔覆层中易形成气孔。（2）由于基体和熔覆层以及基体本身各部分的冷却速度不同，导致熔覆层内出现热应力而形成裂纹。（3）由于电火花工艺参数、熔覆材料、操作过程等引起的。这些缺陷会影响熔覆后的试样的性能。

图5 熔覆层400× 图6 熔覆层200×

图7 裂纹400× 图8 气孔100×

2.2 显微硬度分析

选取熔覆效果良好的四个试样，分别由基体开始到熔覆层进行七次打点测量，测量所得的硬度值如表2所示。论文参考网。

表2 硬度值（HV）

由以上数据可以看出：从基体到熔覆层，试样的硬度值总体上呈上升趋势。论文参考网。基体的硬度值在370 HV左右，而靠近熔覆层的基体硬度有所下降，这主要是因为在熔覆过程中，这部分组织相当于进行了快速退火，所以硬度都下降。表面熔覆层的硬度明显高于基体硬度，这是由于基体和熔覆层为同种材料，在电火花熔覆过程中，熔覆材料熔化－凝固而重新合金化，导致晶粒细化，从而使熔覆层的硬度提高。但是，在熔覆过程中，由于基体的导热能力大于空气的导热能力，因此靠近基体的熔覆层散热比外层的熔覆层快，过冷度内侧大于外侧，导致内侧晶粒细化程度高于外侧，所以导致熔覆层外侧的硬度有所下降。

3 结论（1）修复后的试样的金相组织得到明显的改善，组织较修复前均匀，晶粒得到了细化。

（2）修复后的试样硬度值一般提高30～50 HV，可以推断试样的耐磨性将会得到改善。论文参考网。

（3）本试验条件下，最优工艺参数为：电压65 V，功率 B2，频率 C1，最大影响因素为电压。

4 进一步研究设想可以进行二次正交试验，从而得到更加优化的工艺参数；可以通过对试样进行热疲劳、耐磨性等试验进一步了解修复后试样的性能。

电火花修复工艺还存在着缺陷，如熔覆层中存在气孔、裂纹等。避免缺陷的方法：熔覆层一定要致密，如出现凹凸不平或小孔等应及时锉平。还可以通过对试样进行预热、缓冷、改变材料成分等来避免缺陷的产生。消除电火花熔覆过程中的缺陷，是未来研究解决的重要课题，只有克服影响熔覆后性能的缺陷，才能完善修复工艺，进一步提高修复质量。

参 考 文 献
[1] 狄平，朱世根，顾伟生．电火花表面强化技术的研究进展[J]．东华大学学报，2001，(2)：110-113．
[2] 陈钟燮．电火花表面强化工艺[Ｍ]．北京：机械工业出版社，1987．
[3] 钱苗根，姚寿山，张少宗编著．现代表面技术[Ｍ]．北京：机械工业出版社，1999．
[4] 王时杰，傅博．电火花表面强化的实验与研究[J]．辽宁工学院学报，1999，(3)：1-5．
[5] 盛明泽．电火花涂敷合金工艺及设备[J]．新技术新工艺，2000，(1)：9-10．
[6] 潘国顺，曲敬信，邵荷生．电火花表面强化工艺对涂层组织性能的影响[J]．机械工程材料，2000，24(3)：24-26．