CN102618865A - 混粉电火花沉积系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混粉电火花沉积系统及方法，该系统包括用来通过电火花沉积在基体上形成沉积层的电极、以及至少一个形成于电极内的或是至少部分围绕电极的用于将包括导电材料的粉末导入到电极和基体之间的放电间隙的粉末输送通道。

Description

混粉电火花沉积系统及方法

技术领域

本发明涉及一种表面增强及修复技术，具体涉及一种电火花沉积方法及系统。

背景技术

电火花沉积是一种脉冲微弧冷焊处理过程。该过程是用高峰值电流短脉冲将可消耗电极的材料沉积到金属基体上，其所用的脉冲脉宽为几毫秒，脉冲频率在0.1至4千赫的范围，使得金属基体散热率可达到99％，因此，电火花沉积技术以其极小热量输入的优势区别于其他弧焊处理过程。由于没有焊接热影响区的问题，电火花沉积在工件镀膜或修复的应用中具有很大的优势。

如图1所示，在一种典型的现有电火花沉积过程中，以目标沉积镀层材料制成的电极12为可消耗的阳极，待沉积基体14为阴极，在电极12和基体14之间放电产生电火花，使部分电极材料在电极12接触基体14的瞬间熔化，沉积在基体表面形成沉积镀层16。由于电极12和基体14之间的放电间隙特别小，基本上是接触的，从而限制了获得较厚而且均匀的镀层。而且现有电火花沉积设备多为人工操作。因此，现有电火花沉积过程面临着低沉积率、难以控制和难以形成厚度均匀的镀层等问题。

近期发表于Materials and Manufacturing Processes，25：932-938，2010的题为“Electrospark Deposition by using Powder Materials”的文章描述了一种在电极和基体之间的放电间隙中引入导电粉末的电火花沉积技术。粉末从放电间隙的一侧输入，其中被捕获的粉末将被离子化并转移到基体表面形成镀层，但由于从一侧输入的粉末很难进入到极小的放电间隙中，其粉末捕获率很低，且该电火花沉积过程中需要使用了粉末输送喷嘴，随着电极的消耗，需要随时调整喷嘴前端与电极之间的距离，这也进一步增加了操作难度，使得自动处理过程更加难以实现。

因此，有必要开发一种改进的新的电火花沉积系统及方法。

发明内容

本发明的实施例一方面提供了一种混粉电火花沉积系统，该系统包括用来通过电火花沉积在基体上形成沉积镀层的电极、以及至少一个形成于电极内的或是至少部分围绕电极的用于将包括导电材料的粉末导入到电极和基体之间的放电间隙的粉末输送通道。

本发明的实施例另一方面提供了一种电极，该电极包括用来以电火花沉积在基体上形成沉积镀层的电极杆、以及形成于所述电极杆内的用来将包括导电材料的粉末导入到电极和基体之间的放电间隙的粉末输送通道。

本发明的实施例另一方面还提供了一种混粉电火花沉积方法，该方法包括用电极通过电火花沉积将一定材料沉积于基体上形成沉积镀层，同时通过一形成于电极内的或是至少部分围绕电极的粉末输送通道将包括导电材料的粉末注入到电极和基体之间的放电间隙。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1是一种传统电火花沉积系统示例的示意图；

图2是本发明的一个实施例的混粉电火花沉积系统的示意图；

图3是本发明的另一实施例的混粉电火花沉积系统的示意图；

图4是本发明的又一实施例的混粉电火花沉积系统的示意图；

图5是本发明的又一实施例的混粉电火花沉积系统的示意图；

图6显示了本发明的一个实施例的控制系统的闭环控制示例的示意图；

图7是本发明一个实施例的控制装置的示意图；

图8显示了本发明一个实施例的同轴送粉的沉积系统和一侧送粉的沉积系统的放电率统计的比较图；

图9是本发明一个实施例的电极的横截面示意图；

图10是本发明一个实施例的混粉电火花沉积系统的示意图；

图11是图10所示系统沿剖面线A-A所截取的截面图；及

图12是图11所示系统沿剖面线B-B所截取的截面图。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下内容中将不对习知的结构或功能进行详细的描述。

本发明的一方面提供了一种混粉电火花沉积系统。所述系统包括用来通过电火花沉积法在基体上形成沉积镀层的电极。所述系统还包括形成于所述电极内或是至少部分围绕所述电极的用来将包括导电材料的粉末导入到电极和基体之间的放电间隙的粉末输送通道。以下将结合附图2-5举例对所述混粉电火花沉积系统的具体实施方式进行描述。

如图2所示的实施例中，一种粉末混合电火花沉系统220包括用来通过电火花沉积在一定基体上形成沉积镀层的电极222。该系统220还包括形成于电极222内的用来将包括导电材料的粉末228导入到电极222和基体224之间的放电间隙的粉末输送通道226。在所述粉末混合电火花沉系统220中，粉末228是以一个与电极222基本同轴的方向输送到所述放电间隙的，因而能获得高粉末捕获率。

所述电极222内的粉末输送通道226可以包括任何类型的具有合适结构的通道，例如孔、槽道以及环形槽等。在一实施例中，所述粉末输送通道226包括一个设置于电极内且贯通电极纵向两端的通孔。所述粉末输送通道226无需在电极222的整个纵长方向保持形状和尺寸的一致，其在电极222的纵向不同位置可能具有不同的横截面。例如，一种粉末输送通道可包括位于电极纵向某一段中的孔、以及位于电极纵向另一段中的多个槽道，其中所述多个槽道与所述孔相通。

所述电极或(和)粉末可包括适合用来沉积形成特定沉积层的材料。可能用于制作所述电极的材料包括但不限于铜、不锈钢、镍基合金、钨和石墨等。可能用作所述粉末的材料包括但不限于不锈钢、镍基合金、镍包氧化铝等。根据需要，可通过选择不同的电极和粉末以及控制粉末进料速度来形成梯度镀层或复合镀层。

如图3所示的实施例中，一种混粉电火花沉积系统240包括用来通过电火花沉积在基体上形成沉积镀层的电极242。该系统240还包括至少部分围绕所述电极242的用来将包括导电材料的粉末248导入到电极242和基体244之间的放电间隙的粉末输送通道246。在一个具体实施方式中，所述粉末是从围绕所述电极前端的一圈的位置从不同方向均匀输送到所述放电间隙，因而能获得高粉末捕获率。

所述粉末输送通道246可包括各种不同形式的通道，其中部分所述通道包括围绕所述电极242的一个通道或一系列通道，例如环形槽、一个或多个开口等。例如，在一个实施例中，所述混粉电火花沉积系统240包括一个围绕所述电极242的环状物250，所述粉末输送通道246可以是由所述环状物250的内表面和所述电极242的外表面之间界定的一个环形槽。在一个更具体的相关实施例中，所述环状物250一端有径向朝内的倒角252，用来引导所述粉末248径向朝内地流向所述电极242和基体244之间的放电间隙的中心。

在一些实施例中，如前所述混粉电火花沉积系统可能包括两个或两个以上的形成于电极内或(和)在电极周围的粉末输送通道。例如，如图4所示的混粉电火花沉积系统260包括电极262以及设于电极262内的第一粉末输送通道266和至少部分围绕电极262的第二粉末输送通道268。所述第一、第二粉末输送通道266和268用来将包括导电材料的粉末270导入到电极262和基体264之间的放电间隙，其中所述第一粉末输送通道266可包括至少一个以任何形式形成于电极262内的通道，所述第二粉末输送通道268可包括至少一个至少部分围绕电极262的通道。

在一些实施例中，一种混粉电火花沉积系统可能包括两种或两种以上粉末输送通道的组合。比如，在一实施例中，一种混粉电火花沉积系统包括形成于电极内且轴向延伸贯穿电极纵向两端的一个中心通孔和一个环形槽。在另一实施例中，一种混粉电火花沉积系统包括形成于电极内的多个轴向平行延伸的通孔、以及围绕电极的一个环形槽。

除了所述粉末输送通道外，如前所述的混粉电火花沉积系统还可进一步包括一个或多个粉末输送结构用来提供额外的粉末或引导粉末的流向。

在一些实施例中，如前所述混粉电火花沉积系统进一步包括一个电极夹持装置用来可拆卸地夹持所述电极、一个伺服装置用来驱动和(或)控制所述电极夹持装置、以及粉末进料装置用来将粉末进料到粉末输送通道。例如，如图5所示的混粉电火花沉积系统400包括电极402、电极输送通道404、电极夹持装置406、伺服装置408和粉末进料装置410。其中电极夹持装置406包括与粉末输送通道404相通的粉末输送过道412、以及与该过道412相通的粉末入口414，用来接收来自粉末进料装置410的粉末。所述粉末进料装置410连接于所述粉末入口414，用来将粉末通过粉末输送过道412输送到粉末输送通道404。在一实施例中，所述伺服装置408是一个CNC垂直移动轴。在一实施例中，所述粉末是用载气输送的，所用载气可以是反应性气体，如氧气，也可以是惰性气体，如氩气。

在一些实施例中，如前所述的混粉电火花沉积系统还可进一步包括用于实现自动化程序控制的控制系统。

图6显示了一种控制系统500的闭环控制示意图。在图示的实施例中，控制系统500包括沉积设备模块502、采集/计算模块504、累计模块506以及调节/补偿模块508。其中沉积设备模块502代表一个混粉电火花沉积过程，其输入数据，包括伺服轴的位置；以及输出数据，包括电流，是可测量并可用于过程分析和控制的。所述采集/计算模块504用于从沉积设备模块502采集电流数据并根据采集到的电流数据计算放电率。所述累计模块506用于将采集/计算模块504计算出的放电率与一个参考值进行比较。所述调节/补偿模块508用于根据累计模块506的比较结果调节伺服轴的位置。在一实施例中，采集/计算模块504的功能可通过一系列的硬件和软件来实现。在一实施例中，调节/补偿模块508的功能可通过电脑控制系统的软件来实现。

在如图7所示的实施例中，一种控制设备600包括硬件和软件。在一个具体的实施例中，所述硬件包括系统控制电脑602，该电脑内装有PCI多功能I/O卡604。该卡604有8个12位模拟高速输入通道，其中一个用于采集混粉电火花沉积系统的放电电流信号。该卡604还有2个输出通道，其中一个用于将信号传输给伺服装置606来控制电极夹持装置的运动。所述硬件还包括电流探测器608，用来将来自混粉电火花沉积系统的电流信号转化成电压信号。在一实施例中，可使用Microsoft Visual C++来为包括数个模组，如用户界面、数据采集与存储、放电率计算、控制算法等模组的控制系统编程。在一实施例中，可使用比例积分微分(PID)控制器来调节实测过程变量和期望值之间的误差，其通过计算并输出校正动作来相应调节过程控制。

在沉积过程中，以电极为阳极，基体为阴极，输入电极和基体之间的粉末形成小的串联电极，熔化以及离子化的粉末和电极材料转移到基体表面形成沉积镀层。该沉积镀层与基体之间形成很强的冶金结合力。

由于粉末的加入，使得电极和基体之间的放电间隙可以增大，从而可减少或避免电极的磨损。此外，本发明实施例的沉积方法还能提供更加均匀的火花放电，从而降低沉积镀层的表面粗糙度。

在一些实施例中，电极和基体之间的距离在20～200μm之间，或更进一步地，在20～100μm之间。在一些实施例中，注入到放电间隙的粉末的流速在1～2g/min之间，或更进一步地，在1～1.5g/min之间。在一些实施例中，放电间隙之间的电压在50～150V之间，或更进一步地，在100～150V之间。在一些实施例中，火花放电的电容在100～200μF之间，或更进一步地，在100～160μF之间。在一些实施例中，粉末载气的流速在5～15l/min之间，或更进一步地，在5～10l/min之间。

所述混粉电火花沉积过程可以在空气中、油或其他介质中进行操作。

在如前所述的混粉电火花沉积系统和方法中，电极的消耗率将大大降低，甚至在有些实施例中，当使用足够的粉末时，电极可以没有消耗。在一些实施例中，若电极和粉末的材料不同，且希望只将粉末材料而非电极材料沉积于基体上时，可以在电极上预先镀上粉末材料以避免污染。

与从放电间隙的一侧送粉末的沉积系统和方法相比，如前所述的混粉电火花沉积系统和方法能提供更高的粉末捕获效率和更稳定的放电过程。此外，本文所例举的实施例中，由于不需要随时调整电极和送粉装置之间的相对位置，过程操作也更加简单，且该系统实现了自动化操作。

实例1：

实例1通过实验来比较文章“Electrospark Deposition by using PowderMaterials”中描述的从一侧送粉的沉积系统和如图2所示的同轴送粉的沉积系统的放电率。其中，从一侧送粉的沉积系统中所用的是一个末端镀有镍基超合金IN718的实心铜电极，而同轴送粉的沉积系统是用一个外径为5毫米、内径为2毫米的中空铜电极来将粒子尺寸为45～75微米的IN718粉末沉积到一个半径为25毫米、厚度为3毫米的IN718圆片上。

所述实验在如下条件中进行：

电压：100V，电阻电容电源；

电容：160uF；

频率：260Hz；

基体移动速度：2mm/s；

粉末流速：1g/min；

电极转速：1000r/min；

载气流速：5l/min。

图8显示了所述从一侧送粉的沉积系统和所述同轴送粉的沉积系统的放电率的比较结果。其中Y轴的比例是指不同放电率下脉冲的百分比，脉冲越集中于某组区域，表明可控性能越好。如图8所示，对于同轴送粉的沉积系统，有大约11％的脉冲达到30％的放电率，近12％的脉冲达到35％的放电率，近12％的脉冲达到40％的放电率，大约11％的脉冲达到45％的放电率，可见，大部分脉冲集中在35％的放电率附近。而对于从一侧送粉的沉积系统，脉冲主要集中于20％的放电率附近。同轴送粉的沉积系统在放电率为35％时的沉积速度为8.9mg/min左右，高于从一侧送粉的沉积系统在放电率为20％时的沉积速度7.0mg/min左右。可见，由于粉末捕获率高，同轴送粉的沉积系统可以获得更高的放电率和更快的沉积速度。

实例2：

实例2测试了一种包括一个设有多个粉末输送通道的大尺寸电极的混粉电火花沉积系统。测试所用的是一个横截面如图9所示的电极702，该电极702的直径为12毫米，其内有一个中心孔704和径向围绕所述中心孔704的多个槽道706，该中心孔704和槽道706都沿电极702纵向延伸并贯通其纵向两端，用来将粉末输送到放电间隙中。所述沉积在以下条件中进行：

电压：100V，电阻电容电源；

电容：140μF；

频率：700Hz；

粉末流速：1g/min；

基体移动速度：1mm/s；

电极转速：1000r/min；

载气流速：5l/min。

在本实例的沉积速度达到14mg/min左右，高于实例1中的速度。

实例3：

实例3对电极无消耗的混粉电火花沉积系统进行测试。在测试中用一个铜电极来将镍基超合金IN718粉末沉积到一个IN718基体上，然后测量沉积镀层内的铜杂质含量。

如图10-12所示，一种混粉电火花沉积系统800包括一个铜电极802和一个锥环804，该锥环804内设一围绕所述电极802的环形粉末输送通道806。该铜电极802的末端808设有一个十字槽810，用来将来自通道806的粉末导向放电间隙的中心，以提高粉末捕获率。其中所述末端808预先沉积有50微米厚的IN718镀层。对所述沉积系统800的沉积测试在如下条件下进行：

电压：100V；

电容：100uF；

频率：260Hz；

基体移动速度：1mm/s；

粉末流速：1g/min；

电极转速：1000r/min；

载气流速：5l/min。

用X射线光谱分析所述沉积过程得到的IN718镀层中的铜杂质的含量只有0.01wt％。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (18)

1.一种混粉电火花沉积系统，包括：

用来通过电火花沉积在基体上形成沉积镀层的电极；以及

至少一个形成于所述电极内的或是至少部分围绕所述电极的粉末输送通道，用于将包括导电材料的粉末导入到所述电极和基体之间的放电间隙。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述电极包括可沉积到所述基体上的材料。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述粉末输送通道包括形成于电极内且贯通电极的纵向两端的通孔。

4.如权利要求1所述的系统，其进一步包括围绕所述电极的环状物，所述粉末输送通道包括形成于所述环状物和电极之间的环形槽。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述环状物包括径向内倾的倒角端，用来引导粉末径向向内流向所述电极和基体之间的放电间隙。

6.如权利要求1所述的系统，其进一步包括电极夹持装置，用来可拆卸地夹持电极，该电极夹持装置包括与所述粉末输送通道相通的粉末输送过道以及与该粉末输送过道相通的粉末入口，该粉末入口用来接收来自粉末进料装置的粉末。

7.如权利要求6所示的系统，其中电极夹持装置进一步包括用来调节电极位置的伺服装置。

8.如权利要求6所述的系统，其进一步包括用来控制伺服装置和粉末进料装置的控制系统。

9.一种电极，包括：

用来通过电火花沉积在基体上形成沉积镀层的电极杆；以及

形成于所述电极杆内的用来将包括导电材料的粉末导入到电极和基体之间的放电间隙的粉末输送通道。

10.如权利要求9所述的电极，其中所述电极包括主体部和末端部，其中主体部内的粉末输送通道与末端部内的粉末输送通道的横截面不同。

11.如权利要求9所述的电极，其中所述电极上镀有粉末材料。

12.一种混粉电火花沉积方法，包括：

用电极通过电火花沉积将一定材料沉积于基体上；

通过一形成于所述电极内的或是至少部分围绕所述电极的粉末输送通道将包括导电材料的粉末输入到所述电极和基体之间的放电间隙。

13.如权利要求12所述的方法，其中电极和基体之间的距离在20μm至200μm的范围内。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述输入放电间隙中的粉末的流速在1g/min至2g/min的范围内。

15.如权利要求12所述的方法，其中所述输入放电间隙中的粉末的流速在1g/min至2g/min的范围内。

16.如权利要求12所述的方法，其中火花放电的电容在100μF至200μF的范围内。

17.如权利要求12所述的方法，其中所述粉末是由载气输送的，且载气的流速在5l/min至15l/min的范围内。

18.如权利要求12所述的方法，其中所述粉末的成分与电极的成分不同。

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