CN111534819B

CN111534819B - 一种Al-Ga合金的电火花沉积修复方法和电极

Info

Publication number: CN111534819B
Application number: CN202010580149.7A
Authority: CN
Inventors: 张建斌; 石玗; 容煜; 豆佩瑶; 张雷雷
Original assignee: Lanzhou University of Technology
Current assignee: Lanzhou University of Technology
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2021-05-18
Anticipated expiration: 2040-06-23
Also published as: CN111534819A

Abstract

本发明公开了一种Al‑Ga合金的电火花沉积修复方法和电极，涉及电火花沉积方法技术领域，所述方法的电火花沉积工艺参数为：电容为150‑300μF，电压为80V，频率为3000‑5000Hz，沉积角度为45‑90°，保护气体为氩气或氮气、电极转速为2600 r/min。在本发明的电火花沉积工艺参数和电极下，基体的热输入为0.480J，可以获得致密、均匀、无缺陷的可降解沉积层。

Description

一种Al-Ga合金的电火花沉积修复方法和电极

技术领域

本发明涉及电火花沉积方法技术领域，具体涉及一种Al-Ga合金的电火花沉积修复方法和电极。

背景技术

随着技术的不断发展，电火花沉积作为一种表面处理技术，在工业中的应用越来越多。目前电火花沉积技术有两方面的应用。一方面是应用在表面强化方向，可以在基体表面制备抗氧化、耐腐蚀、耐摩擦、耐冲蚀的涂层，也可以制备高熵、非晶涂层；另一方面是应用在修复方向，主要应用在电厂设施的修复以及模具、工件的修复。电火花沉积工艺与沉积层的质量息息相关，最佳的沉积工艺可以得到效果极好的沉积层。影响电火花沉积层质量的参数主要有电压、电容、频率、保护气体、沉积角度等。

Al-Ga合金是近年来新开发出来的一种新型铝合金，它既具有传统铝合金的一般结构特点，又具有传统铝合金不具备的降解功能，是兼具结构和功能的可降解新型铝合金，常用于油气田开发用压裂制品，可在不同温度、不同介质以及不同压力条件下完成降解要求。使用中，Al-Ga合金需要承受一定的高温和一定的压差，压裂完成后，需以可预期的速率完成降解。此种Al-Ga合金主要是通过铸造生产的，具有铸件尺寸精度高、生产效率高等优点，但铝合金铸造缺陷（如氧化夹渣、气孔气泡等）会造成工件性能的下降，限制了它在工业领域的应用。此外，使用中，铸造铝合金因表面腐蚀、磨损等造成部件早期失效，若更换部件则造成材料的浪费，不利于节约成本。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种Al-Ga合金的电火花沉积修复方法和电极，该方法通过对Al-Ga合金的电火花沉积工艺参数进行优化，获得了致密、均匀、无缺陷的沉积层，且Al-Ga合金沉积层的硬度升高到了95Hv。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种Al-Ga合金的电火花沉积修复方法，电火花沉积工艺参数为：电容为150-300μF，电压为80V，频率为3000-5000Hz，沉积角度为45-90°，保护气体为氩气、电极转速为2600 r/min。

进一步地，所述电容为150μF。

更进一步地，所述频率为5000Hz。

更进一步地，所述沉积角度为45°。

更进一步地，所述氩气气流为10L/min。

更进一步地，所述方法还包括沉积前对待沉积试样和电极的表面氧化层的去除过程：先打磨去除试样和电极表面的氧化层后用丙酮进行超声清洗并烘干；所述超声时间为30-40min。

本发明采用的技术方案之二为：一种电极，所述电极的合金组成为：Ga 6.8~7.5wt%、Sn 5.0~6.0 wt%、Mg 2.8~3.2 wt%、余量Al。

进一步地，所述电极的合金组成为：Ga 7.2 wt%、Sn 5.5 wt%、Mg 3.0 wt%、余量Al。

本发明采用的技术方案之三为：一种权利上述技术方案所述电极在Al-Ga合金的电火花沉积修复中的应用。

本发明的有益效果：

一、在本发明的电火花沉积工艺参数下，基体的热输入为0.480 J，可以获得致密、均匀、无缺陷的沉积层。

二、采用本发明的电火花沉积工艺参数对Al-Ga合金基体进行沉积修复后，由于修复层的组织消除了枝晶，并细化了晶粒，使得Al-Ga合金沉积层的硬度升高到了95Hv，高于基体的硬度85Hv。

三、本发明的自制电极对Al-Ga合金进行修复的修复层在水中保持着降解性。且自制电极修复层的自腐蚀电位–1.493 V低于基体的自腐蚀电位–1.421 V，使自制电极修复层的降解速率稍快于基体的降解速率；采用本发明自制的电极修复压裂球，压裂球可以在应用中完全降解，而采用ER5356电极进行修复，ER5356电极不能被降解。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例1和实施例3的修复层截面的背散射扫描电镜（BSEM）照片；

图2为本发明实施例3和实施例4的修复层表面的SEM照片；

图3为本发明实施例3的修复层微观组织与元素分布进行观察照片；

图4为本发明实施例5的修复层微观组织与元素分布进行观察照片；

图5为本发明实施例3和实施例5的修复层和基体界面SEM照片；

图6为本发明实施例3和实施例5的修复层和基体的显微硬度分布；

图7为本发明实施例3的修复层和基体的极化曲线；

图8为本发明实施例3和实施例4的修复层和基体的降解曲线。

附图标记：Coating为修复层，Substrate为基体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种Al-Ga合金的电火花沉积修复方法，包括以下步骤：

S1：先打磨去除试样和电极表面的氧化层后用丙酮进行超声清洗并烘干；所述超声时间为30-40min，所述电极的合金组成为Ga7.5 wt%、Sn 5.0wt%、Mg 3.2 wt%、余量Al；

S2：采用电火花沉积工艺对试样表面进行修复，电火花沉积工艺参数为：电容为300μF，电压为80V，频率为3000Hz，沉积角度为90°，保护气体为氩气、电极转速为2600r/min。

实施例2

一种Al-Ga合金的电火花沉积修复方法，包括以下步骤：

S1：先打磨去除试样和电极表面的氧化层后用丙酮进行超声清洗并烘干；所述超声时间为30-40min，所述电极的合金组成为：Ga 6.8 wt%、Sn 6.0 wt%、Mg 2.8wt%、余量Al；

S2：采用电火花沉积工艺对试样表面进行修复，电火花沉积工艺参数为：电容为210μF，电压为80V，频率为4000Hz，沉积角度为75°，保护气体为氩气、电极转速为2600 r/min。

实施例3

一种Al-Ga合金的电火花沉积修复方法，包括以下步骤：

S1：先打磨去除试样和电极表面的氧化层后用丙酮进行超声清洗并烘干；所述超声时间为30-40min，所述电极的合金组成为：Ga 7.2 wt%、Sn 5.5 wt%、Mg 3.0 wt%、余量Al；

S2：采用电火花沉积工艺对试样表面进行修复，电火花沉积工艺参数为：电容为150μF，电压为80V，频率为5000Hz，沉积角度为45°，保护气体为氩气、电极转速为2600 r/min。

实施例4

一种Al-Ga合金的电火花沉积修复方法，包括以下步骤：

S2：采用电火花沉积工艺对试样表面进行修复，电火花沉积工艺参数为：电容为150μF，电压为80V，频率为5000Hz，沉积角度为45°，保护气体为氮气、电极转速为2600 r/min。

实施例5

S1：先打磨去除试样和电极表面的氧化层后用丙酮进行超声清洗并烘干；所述超声时间为30-40min，所述电极为：ER5356电极；

通过下述实验对本发明实施例1-5的Al-Ga合金的电火花沉积修复方法的修复效果进行观察。

（一）用FEG-450热场发射扫描电子显微镜(SEM)对实施例1和实施例3方法修复后的Al-Ga合金修复层截面进行观察，结果见图1，图1中a为采用实施例1方法修复后的Al-Ga合金修复截面图，b为采用实施例3方法修复后的Al-Ga合金的修复截面图；从图中可以看出，采用实施例3的方法对Al-Ga合金进行沉积修复，与实施例1的方法相比，实施例3的方法沉积层表面无缺陷、表面粗糙度较小、沉积层厚度较大。

（二）用FEG-450热场发射扫描电子显微镜(SEM)对实施例3和实施例4方法修复的合金层表面进行观察，结果见图2，其中a为实施例3方法修复的Al-Ga合金表面，b为实施例4方法修复的Al-Ga合金表面，从图中可以看出，采用实施例3方法修复的Al-Ga合金沉积层表面较为光滑，粗糙度较小，而实施例4方法修复的Al-Ga合金沉积层表面较粗糙，这与两种气体的传输机制有关。在电火花沉积过程中，离子化的氮气导热率较高，使电极材料在氮气气氛中以较大的液滴向基体溅射，溅起的小液滴凝固造成表面粗糙度变大，而离子化的氩气导热率相对较低，熔化的电极以细小的喷射物向基体转移，且氩气气氛可以促进阴极的蚀刻效果，以清洁基体，并可以有效防止电极与基体的粘连，从而形成一种更平滑的沉积层，粗糙度相对较小。

（三）用FEG-450热场发射扫描电子显微镜(SEM)对实施例3和实施例5的方法修复的Al-Ga合金的修复层微观组织与元素分布进行观察，结果见图3和图4；图3中采用的电极为本发明所述合金组成为：Ga 7.2 wt%、Sn 5.5 wt%、Mg 3.0 wt%、余量Al的电极，图4中所采用的电极为ER5356电极。

从图3中可以看出，修复层与基体结合良好，界面处靠近基体侧组织无明显变化，说明电火花沉积过程未对基体组织产生影响。由元素分布图可知，在Al基体中分布着富含Mg₂Sn的鱼骨状组织和Ga₅Mg₂的树枝状组织，而修复层中Al、Mg、Ga、Sn四种元素均匀分布其中，这是由于在沉积过程中，电极与基体接触时，电容中储存的电能会瞬间放电，温度急剧上升，达到电极材料和基体的熔点，熔化的电极和基体表面材料会在电弧搅拌下发生充分合金化，使得沉积层的元素分布均匀。由于沉积过程中冷却速度很快，晶粒未能充分长大就已经凝固，使得晶粒尺寸很小，在一定程度上细化了晶粒，另一方面由于快速凝固后，固液界面前出现非平衡溶质分配现象，使修复层的偏析程度大大减小。同时，这种均匀而紧密的元素分布表明沉积材料在基体剧烈混合，有助于提高沉积层的结合力。

从图4中可以看出，修复后界面结合处基体侧无明显的热影响区，一方面是由于电火花沉积过程中放电时间极短，放电面积又很小，导致放电产生的热作用只发生在工件表面的微小区域，且电火花沉积的冷却速率可以高达10⁶ K/s，使产生的热量通过周围的保护气和基体迅速散失掉；另一方面是由于电火花沉积时的占空比很小，在每个周期传递或累计到基体的热量非常少，且由于电火花独特的接触放电方式，电极顶端与基体接触时会施加给基体一定的压力，而这种额外的压力可以适当减少基体中产生的热量。正是由于以上原因，使得利用电火花沉积技术修复Al-Ga合金时对基体的热输入很低。从修复层的元素分布图可以看出，修复层中主要以Al元素和Mg元素为主，在界面处靠近修复层一侧，有少量的Ga元素和Sn元素的存在，说明基体中的Ga和Sn向修复层中发生了扩散，这是由于在电火花沉积过程中，熔化的电极液滴落到基体表面时，液滴所携带的热量使基体表面发生超薄层熔化，二者相互混合后以极快的速度冷却下来，使少量的Ga元素和Sn元素出现在修复层中。

（四）图5为不同电极修复Al-Ga合金修复层与基体连接处的SEM照片，图1中a采用的修复电极为ER5356电极，b采用的电极为本发明自制的电极，从图中可以看出，无论采用哪种电极，采用本发明的工艺参数对合金进行电火花沉积修复，修复层与基体均存在较为明显的熔合线，界面与基体结合紧密，这有助于提高修复层与基体的结合力；修复层组织致密，无明显的缺陷产生。

（五）用维氏显微硬度计对实施例3和实施例5的Al-Ga合金基体和修复层的硬度进行测量，加载载荷0.1N，停留时间10s，在修复区中心测量5个点，在靠近修复区两侧各测量4个点，测得的硬度分布曲线如图6所示。从图6中可以看出基体的硬度在85HV上下波动，其中硬度较低的是铝基体，鱼骨状的Mg₂Sn的硬度比铝基体稍高，使用两种电极修复后的区域硬度均有所提高。一方面是由于修复层的组织消除了枝晶，细化了晶粒，使得元素分布均匀，在一定程度上提高了硬度，另一方面是由于在电火花沉积过程中，电极在瞬间高温下熔化，并过渡到基体，在氩气气氛中以极快的速度冷却，相当于对材料做了快速淬火（固溶处理，形成过饱和固溶体）。本申请所述方法随着沉积的连续进行，每一次沉积都相当于对前一层做固溶处理，使得沉积层的硬度为从85Hv升高到95 Hv。

（六）修复层降解性能分析

在30℃水中对实施例3方法修复的Al-Ga合金修复层进行电化学测试。Tafel曲线如图7所示，其拟合结果见表1。有研究表明自腐蚀电位值小于–1.2 V的铝合金才具有降解性；本申请中修复层自腐蚀电位(–1.493 V)和基体自腐蚀电位(–1.421V)均小于–1.2V，表明采用本申请的自制电极对Al-Ga合金进行修复，修复层和基体均在水中具有可降解性。基于此对修复层和基体的降解速率进行测试。

表1 Tafel曲线分析结果

在30℃水中，对实施例3和实施例5方法修复的合金修复层和基体的降解速度进行测定，结果如图8所示。由于ER5356电极本身是不溶于水的，故它在降解曲线中表现为平行于时间轴的一条直线，而本申请的电极具有降解性能，通过电火花沉积技术沉积到基体后，修复层也保持着降解性能。从图中可以看到，基体和使用本申请电极修复的区域降解曲线形状相似，都由刚开始的降解缓慢区和后来的降解加速区组成，刚开始降解缓慢主要是因为试样表面存在一层氧化膜，在水中氧化膜破裂需要一定时间，等完全破除氧化膜后才开始正常降解。经计算可知，基体的平均降解速率为0.028g/h，采用本申请的电极进行修复的修复层平均降解速率为0.037g/h，即修复层的降解速率比基体的降解速率稍快。其原因是修复层的自腐蚀电位低于基体的自腐蚀电位，且修复层和基体之间还会发生电偶腐蚀。此外，修复层中因成分偏析也会产生电偶腐蚀，最终使得修复层的耐蚀性变差，在降解速率上表现为稍快于基体的降解速率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Al-Ga合金的电火花沉积修复方法，其特征在于，采用自制电极实现Al-Ga合金的电火花沉积修复，其形成的修复层在水中保持着降解性，所述电极的合金组成为：Ga 6.8~7.5 wt%、Sn 5.0~6.0 wt%、Mg 2.8~3.2 wt%、余量Al；电火花沉积工艺参数为：电容为150-300μF，电压为80V，频率为3000-5000Hz，沉积角度为45-90°，保护气体为氩气或氮气、电极转速为2600 r/min。

2.根据权利要求1所述的Al-Ga合金的电火花沉积修复方法，其特征在于，所述电容为150μF。

3.根据权利要求1所述的Al-Ga合金的电火花沉积修复方法，其特征在于，所述频率为5000Hz。

4.根据权利要求1所述的Al-Ga合金的电火花沉积修复方法，其特征在于，所述沉积角度为45°。

5.根据权利要求1所述的Al-Ga合金的电火花沉积修复方法，其特征在于，所述氩气气流为10L/min。

6.根据权利要求1所述的Al-Ga合金的电火花沉积修复方法，其特征在于，所述方法还包括沉积前对待沉积试样和电极的表面氧化层的去除过程：先打磨去除试样和电极表面的氧化层后用丙酮进行超声清洗并烘干；所述超声时间为30-40min。

7.根据权利要求1所述的Al-Ga合金的电火花沉积修复方法，所述电极的合金组成为：Ga 7.2 wt%、Sn 5.5 wt%、Mg 3.0 wt%、余量Al。