微弧火花沉积制备不锈钢柱状微结构表面

发布时间：2020-10-18 00:30

　　 目的探索新型表面微结构的制备方法。方法采用微弧火花沉积工艺在304不锈钢基体表面,制备出了奇特的"柱状"微结构表面,并使用扫描电镜、光学显微镜、硬度计等对该微柱体的表面形貌、截面特征和显微硬度等进行了初步分析。结果微柱体呈近似有规律的分立状分布,微柱体间距约为0.8~1.2 mm,直径约为300~500μm。微柱体为堆叠状生长,有典型的分层特征,微柱体之间存在生长中的竞争性行为。从微柱体截面来看,单个脉冲沉积薄层的典型厚度大约为15~20μm,微柱体中单个沉积子薄层一般呈中间厚、两侧薄的类透镜状形态。微柱体的平均硬度约为320HV左右,略低于结合界面附近的基体硬度(~340HV)。结论微弧火花沉积的单点、高频率的技术特性是形成此类表面的重要因素,放电沉积中的竞争性机制是导致微柱体成形的直接原因。
【部分图文】：

第46卷第5期王维夫等：微弧火花沉积制备不锈钢柱状微结构表面·161·小于典型的微柱体间距（0.8~1.2mm）。这表明微柱体在生长过程中存在竞争性行为，部分靠得太近的微柱体胚芽会受到临近先长大微柱体的抑制作用而无法进一步长大。图1微柱体试样表面低倍形貌Fig.1Themorphologyofmicro-columnswithlowmagnification分析认为，这种抑制作用主要与沉积过程中的尖端放电行为有关，在电火花沉积过程中，因为脉冲放电的不连续性以及放电电弧的随机性，使得前几次沉积过程中产生不连续随机分布的小凸起。众所周知，当金属带电时，其表面曲率越大的地方电荷密度越大，表面附近电场强度越强，因而越容易击穿空气进行放电[20]。根据尖端放电原理，在后续的电火花沉积过程中，放电将大多在小凸起上进行，并进行电极材料的过渡，使得小凸起不断长大，导致凸起位置沉积循环。即当两个或多个靠得比较近的微柱体胚芽中的某一个相对略高时，沉积脉冲更易于在较高的那个胚芽处发生，随着沉积的不断进行，最终导致发育初期较矮的微柱体胚芽被抑制。图2a所示为图1中的单个微柱体的表面高倍观察结果。可以看到，微柱体呈多层堆叠特征，整个微柱体是由大量的单个脉冲沉积薄层（Thindepositedlayer）逐层堆叠而形成的。部分沉积薄层边缘出现了泼溅状特征（图2b），这是典型的熔融状液滴与基体碰撞所造成的，这一特征与已有的单脉冲沉积斑观察结果相一致[21]。图3则给出了更具一般性的微柱体形态，可以看到，单次沉积所形成的典型沉积子薄层的直径一般约为300μm左右。哈尔滨工业大学王振龙、金柏东等人[15,16]采用类似的微细电火花沉积工艺也制备出了单个微圆柱体。对比发现，本实验所制备的为大面积近似呈有规律的等间距分布微柱体，微

性以及放电电弧的随机性，使得前几次沉积过程中产生不连续随机分布的小凸起。众所周知，当金属带电时，其表面曲率越大的地方电荷密度越大，表面附近电场强度越强，因而越容易击穿空气进行放电[20]。根据尖端放电原理，在后续的电火花沉积过程中，放电将大多在小凸起上进行，并进行电极材料的过渡，使得小凸起不断长大，导致凸起位置沉积循环。即当两个或多个靠得比较近的微柱体胚芽中的某一个相对略高时，沉积脉冲更易于在较高的那个胚芽处发生，随着沉积的不断进行，最终导致发育初期较矮的微柱体胚芽被抑制。图2a所示为图1中的单个微柱体的表面高倍观察结果。可以看到，微柱体呈多层堆叠特征，整个微柱体是由大量的单个脉冲沉积薄层（Thindepositedlayer）逐层堆叠而形成的。部分沉积薄层边缘出现了泼溅状特征（图2b），这是典型的熔融状液滴与基体碰撞所造成的，这一特征与已有的单脉冲沉积斑观察结果相一致[21]。图3则给出了更具一般性的微柱体形态，可以看到，单次沉积所形成的典型沉积子薄层的直径一般约为300μm左右。哈尔滨工业大学王振龙、金柏东等人[15,16]采用类似的微细电火花沉积工艺也制备出了单个微圆柱体。对比发现，本实验所制备的为大面积近似呈有规律的等间距分布微柱体，微柱体层与层之间界面更加清晰且光滑，更具有层次感。多个微柱体之间基体表面为大小不一的球状颗粒飞溅产物，在表面张力作用下收缩呈球状而凝固。分析认为，微弧火花沉积过程中，在脉冲放电极短的时间内，能量高度集中在微小区域，电极和基体之间瞬时形成的高温、高压使得电极熔化气化，熔融的电极材料在重力、热爆炸力、电动力、磁流体动力a整体形貌b局部泼溅状堆叠表面图2单个微柱体的显微形貌Fig.2Micro-morpholog

鸩欢铣ご螅?贾峦蛊鹞恢贸粱?循环。即当两个或多个靠得比较近的微柱体胚芽中的某一个相对略高时，沉积脉冲更易于在较高的那个胚芽处发生，随着沉积的不断进行，最终导致发育初期较矮的微柱体胚芽被抑制。图2a所示为图1中的单个微柱体的表面高倍观察结果。可以看到，微柱体呈多层堆叠特征，整个微柱体是由大量的单个脉冲沉积薄层（Thindepositedlayer）逐层堆叠而形成的。部分沉积薄层边缘出现了泼溅状特征（图2b），这是典型的熔融状液滴与基体碰撞所造成的，这一特征与已有的单脉冲沉积斑观察结果相一致[21]。图3则给出了更具一般性的微柱体形态，可以看到，单次沉积所形成的典型沉积子薄层的直径一般约为300μm左右。哈尔滨工业大学王振龙、金柏东等人[15,16]采用类似的微细电火花沉积工艺也制备出了单个微圆柱体。对比发现，本实验所制备的为大面积近似呈有规律的等间距分布微柱体，微柱体层与层之间界面更加清晰且光滑，更具有层次感。多个微柱体之间基体表面为大小不一的球状颗粒飞溅产物，在表面张力作用下收缩呈球状而凝固。分析认为，微弧火花沉积过程中，在脉冲放电极短的时间内，能量高度集中在微小区域，电极和基体之间瞬时形成的高温、高压使得电极熔化气化，熔融的电极材料在重力、热爆炸力、电动力、磁流体动力a整体形貌b局部泼溅状堆叠表面图2单个微柱体的显微形貌Fig.2Micro-morphologyofsinglemicro-column:a)theoverview,b)themagnificationofmulti-layeroverlapping图3更典型的单个微柱体形貌Fig.3Morphologyofasingletypicalmicro-column等力的综合作用下，获得一个很高的速度。这些具有很高温度和速度的熔滴在接触工件表面时，以很大的动能冲击工件表面，产生强烈的碰撞。在碰撞的瞬间，?
【参考文献】

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