金属快速成形技术是以生成最终金属零件或模具为目标，采用离散、堆积的成形思想和制造工艺，使计算机中的几何模型直接转化为三维立体原型的先进制造技术。该技术克服了传统加工工艺的缺陷，为制造业的发展开辟了新的道路，被认为是近20年来制造领域内的一次重大突破。其中，金属液滴喷射成形技术因其成形效率高、表面质量好、可实现近终成型等优势而倍受青睐。
电弧喷涂技术是利用两根连续送进的金属丝之间产生的电弧熔化金属，采用高压气流将其雾化成小熔滴并高速喷射至工件表面形成涂层的一种工艺。电弧喷涂技术具有设备简单、成本低、生产效率高、质量可靠等特点而被广泛用于制备各种性能薄涂层，尤其是应用在零件表面的防腐与耐磨等领域[2]。近年来，人们结合电弧喷涂技术的优势和金属液滴喷射成形的思想，提出一种电弧喷涂快速成形工艺，并展开了广泛的研究。鉴于此，本文就电弧喷涂快速成形的基本概况、在模具制造行业的应用研究现状以及喷涂成形的关键技术等方面展开综述，并对电弧喷涂快速成形的发展提出几点建议。
摘要：电弧喷涂成形是新近发展起来的一项重要金属快速成形技术。对比分析电弧喷涂快速成形技术与近终喷射成形和等离子喷涂成形技术之间的差异与特点，综述电弧喷涂在模具快速制造领域的研究应用现状，并讨论了电弧喷涂成形材料，以及喷涂成形雾化与沉积工艺过程中的传热传质、残余应力和氧化行为等关键性问题。最后，展望了电弧喷涂厚成形技术的重点研究方向与解决途径。
关键词：等离子喷涂；电弧喷涂成形；模具；快速成形；金属涂层；内聚结合强度
1金属液滴喷射成形技术
1．1近终型喷射成形技术
利用金属液滴喷射沉积技术快速制造零件的最初思想应该起源于．20世纪60年代的近终喷射成形工艺，其基本过程是，熔化的金属在高压惰性气体的作用下，吸人或被压入陶瓷喷嘴，然后在高速气流的作用下，雾化成细小的金属液滴，液滴高速沉积在预制形状的收集器表面上而成形。英国Osprey公司、瑞典的Sandvik工厂以及德国的Peak公司利用该技术已能够制造钢管、轧辊等大型零件，最大件质量超过2t，最大外径尺寸超过400mm。另外一个发展方向就是液滴喷射微制造技术，它是指从坩埚底部的喷嘴喷出形成均匀熔滴流，在下落过程中先后通过充电电极和偏转电极，熔滴选择性沉积到基板上，控制基板的运动使熔滴在基板上按需准确定位，逐点逐层沉积最终成形出复杂的几何造型，该工艺在微型器件制造领域具有广泛的应用前景口]。
1．2等离子喷涂快速成形技术
等离子喷涂(熔射)快速成形技术，是以等离子射流为热源，在特定工艺条件下，使喷涂热喷涂粉末在原模表面集结成形，经背衬、脱模、强化等处理，得到具有一定功能的零件及型腔的制造方法。它合理地利用了等离子喷涂技术与RP技术的互补性，是一种新的快速、灵活、材料适应性广泛的零件制造技术和加工方法，主要应用于模具的快速制造。1995年，法国学者Feslon
A．采用等离子喷涂的方法成功制得高500mm，厚0．5mm，精度为±0．03ram的圆锥形薄壁件。日本学者Lutz对等离子喷涂法制得的多种陶瓷管件与烧结方法制得的相应材质陶瓷管件的性能(如粒度与成分、微观结构、孔隙率、弹性模量与强度、高温强度、热冲击性能等)进行了系统研究，为等离子喷涂成形技术进一步发展提供了有力支持。近年来，国内学者也展开了这方面的研究，如华中理工大学对等离子喷涂法制造不锈钢注塑模技术进行研究，并成功制得多种注塑模具。西安交通大学、清华大学、大连理工大学在等离子喷涂成形金属、陶瓷类模具零件方面也做了许多有意义的工作。
1．3 电弧喷涂快速成形技术
电弧喷涂快速成形技术是利用金属丝产生电弧，熔滴脱离丝尖端后被高速气体加速雾化而不断沉积成形的工艺。它与上述两种喷射技术相比，具有以下几个方面的不同点：
(1)适用材料。近终型喷射成形主要使用各种碳钢、高速钢、不锈钢以及有色金属材料，等离子喷涂成形的适用材料主要为各种高性能金属喷涂热喷涂粉末或陶瓷热喷涂粉末，电弧喷涂成形则适用各种金属实心丝材，或者金属带包覆金属或陶瓷热喷涂粉末的粉芯丝材。
(2)设备要求。近终型喷射和等离子喷涂成形的设备都比较复杂，电弧喷涂成形的设备最简单，主要包括电弧喷涂电源、喷枪、送丝和气体供给装置及运动控制装置。
(3)成本及能耗。近终型喷射成形的成本较高，具体因零件形状而异。等离子喷涂成形的材料及能量消耗成本高，能量利用率约4％～12％。电弧喷涂的成本最低，丝材来源广泛，能量利用率高达57％～67％。
(4)成形效率。电弧喷涂成形的效率最高，约5～35kg／h，而等离子喷涂的成形效率约低于5kg／h。
(5)适合领域。近终型喷射成形的发展分两个方向，一是可生产小到微米级的精密元器件，二是大到几百毫米级的大型零件；等离子喷涂成形主要用于高性能金属或陶瓷模具的制造，可实现精密成形，可用于制造微小模具和有复杂或小内表面的模具；电弧喷涂成形主要适合于各种注塑模、压铸模等模具或壳体类零件的成形，也可用于零件的快速修复与再制造领域。通过对比可以看出，虽然近终型喷射成形和等离子喷涂技术比电弧喷涂技术制备的涂层性能要高，但是前者设备复杂、成本高、效率也相对较低，其应用范围通常适合于航空航天等高端领域高性能零件的快速制造。有学者也尝试采用高速火焰喷涂(HVOF)技术进行零件的快速成形，但面临同样的问题。因此，下文主要就电弧喷涂快速成形技术的诸方面作详细的介绍。
2 电弧喷涂快速成形的主要方向——模具快速制造技术
模具快速制造技术(RapidTooling，RT)，是目前快速成形(RapidPrototyping，RP)技术中发展最迅速，产值增长最明显的技术之一。电弧喷涂快速制模技术作为快速制模技术中的一种，具有特殊的优点并得到了较快的发展。20世纪70年代，美国TAFA公司开始用电弧喷涂试制低熔点金属模具，陆续解决了喷涂过程中存在的许多工艺性问题，使喷涂设备小型化，实现了电弧喷涂金属在制模工艺中的成功应用。推出一种新式电弧喷涂设备，包括动力与控制装置、TAFA—M8830型喷枪以及压缩空气系统口3|。进入20世纪90年代后，随着快速原型制造技术的成熟，原型基模的制作已不存在多大困难，电弧喷涂制模技术逐渐被人们所重视。南洋理工大学ChuaC．K．等应用此技术制备了注射模具，其成本仅为传统的50％[1引。TAFA公司利用电弧喷涂铜、铝或不锈钢等，在原模(木材、塑料或金属制品)上制作靠模型壳，填充背衬材料，可用于多种塑料、玻璃纤维及大型复合材料的生产，另外，该公司还将电弧喷涂制模应用于汽车行业中，降低了成本，并显著提高了经济效益。在美国，几乎所有聚氨酯组合鞋底制造商在自动成型设备上都采用了金属喷涂快速制模法进行生产。福特公司采用多个喷嘴的电弧喷涂设备，分别用N：、Ar、空气等作为压缩气体，进行了电弧喷涂高熔点材料模具的研究，采用机器人操作4把喷枪的喷涂工艺，已经可以制造914mm×914mm的模具。NewbyerA．P．等人用电弧喷涂的方法制得Ni。Al合金模具以及钢制模具。1997年，英国牛津大学先进材料及复合材料研究中心、美国Hasbor有限公司、英国喷涂成形工模具有限公司联合进行研究，采用电弧喷涂的方法，快速制造工模具(如生产儿童高位椅支架的注塑模)，与传统的工模具制造方法相比，显著减少了产品设计与生产的时间。2002年举行的国际工模具大会上，英国牛津大学展示了采用电弧喷涂制造的高碳钢汽车覆盖件冲压凸模，以取代原有数控切削加工制模的工艺，制模时间约为原有方法1／5。美国KosikowskiD．等人开发出一种HVOF—ARC复合的新型电弧喷涂技术，该技术可用于军用高强度模具及零件的快速成形与再制造，在军用装备的快速保障方面有很好的应用前景。
在国内，1985年烟台机械工艺研究所引进意大利DPT—B型、MCP一001CLP型电弧喷涂设备，开展了快速制模技术的研究，并采用电弧喷涂锌合金快速制作注塑模具，取得了满意的效果，制造周期可缩短1／2～2／3。西安交通大学利用电弧喷涂成功制作了锌合金汽车覆盖件模具[18l。大连理工大学、华侨大学、清华大学、山东大学等单位也进行了电弧喷涂制模的初步研究。
3 电弧喷涂快速成形关键技术
3．1喷涂材料
电弧喷涂技术制造快速模具／零件时，型腔金属壳体的厚度一般在毫米级以上，高熔点的熔融金属颗粒沉积到基模上后会释放出较多热量，使基模发生热变形，降低了型腔的复制精度，并可能导致金属涂层在尚未达到要求厚度时就发生翘曲、开裂或剥落；低熔点金属或合金丝材对基模的热影响小，可减少母模热变形，提高成形件的精度，因而锌、巴氏合金等低熔点材料较多地用于快速模具的制作。但其硬度只有40～50HV，这种低熔点材料的模具寿命较低，应用范围受到极大限制。从板料冲压模具需要出发，希望涂层硬度尽量高，西安交大研究出了Zn—Al—Cu伪合金喷涂材料，其涂层表面硬度达到80一--90HV，通过适当的热处理，硬度可进一步达到100～110HV，具有良好的应用前景。
高熔点材料虽然难以喷涂成形，但是，如果材料选择适当，有效控制涂层中的残余应力、氧化物、孔隙等缺陷，实现厚成形还是有可能的，而且，高熔点材料成形零件硬度、强度高、综合性能好，具有更广阔的发展潜力。鉴于此，对电弧喷涂高熔点材料快速成形技术的研究越来越受到重视[2引。英国牛津大学采用N2作为雾化气体，选用高碳钢丝材(TAFA38T，Fe-0．83 C-0．51 Mn)作为喷涂材料，通过优化喷涂路径，红外热像仪监控成形层温度等手段，实现了厚度高达10～30mm模具零件的快速成形，而且利用机器人抓举4把喷枪，同时进行喷涂，极大地提高了喷涂成形的效率。当成形过程中涂层表面的温度控制在某一较低
值时，高碳钢材料会发生相变，生成马氏体和贝氏体组织，相变时伴随体积膨胀，产生压应力，可以部分抵消喷涂过程中快速凝固及热不匹配造成的拉应力，因而，成形层的总体残余应力在较低水平上。
有研究表明，运用电弧喷涂技术制备非晶／纳米晶涂层可以获得结合强度高达50MPa以上、氧化物含量<2％(质量分数)、硬度达1000HV的高性能涂层心。该技术主要通过设计非晶形成能力非常强的特定合金成分的粉芯丝材，利用电弧喷涂技术的快速凝固特性，喷涂粉芯丝材而制备含有大量非晶态和纳米晶组织的涂层。这种技术比热喷涂纳米颗粒的热喷涂粉末(或包覆纳米颗粒的粉芯丝材)的成本要低很多，而且非晶纳米晶含量高，在性能上更胜一筹。该技术主要是依靠特定的合金成分设计，通过电弧喷涂的急速冷却，使合金成分来不及形核而凝固形成了金属玻璃态(非晶)组织，并有部分形核的但来不及扩散长大而形成纳米晶。由于这种非晶／纳米晶复合涂层的高结合强度及硬度、低氧化物含量等优异性能，很适合于成形厚涂层，据报道，利用设计的Fe-Cr-B-Si系粉芯丝材，成功制备了厚度高达2．5cm的非晶纳米晶厚涂层。因此，这种类型的材料也有望于采用普通的空气雾化电弧喷涂方法快速成形高强度零件。
3．2 电弧喷涂快速成形工艺的研究
电弧喷涂过程中，电弧快速加热熔化金属丝材，熔滴在气流作用下从丝尖端脱离，与雾化气流发生动力学、传热学及化学交互作用，并发生形状尺寸、速度、温度以及化学状态(氧化)的改变；高速飞行的熔滴与基体表面或已沉积涂层表面发生碰撞，瞬间扁平化并快速凝固，并有部分发生飞溅；众多飞行的熔滴随着喷枪的移动随机的叠加，不断增厚，其间伴随着孔隙的产生、热量的快速传输及应力的形成等缺陷。因此，电弧喷涂是一个非常复杂的工艺过程，研究这些行为是实现厚成形并揭示其机理的基础。
3．2．1 电弧喷涂雾化过程的研究
雾化熔滴速度、温度及大小等特征是评价电弧喷涂雾化过程及涂层性能的重要指标。雾化气体特性是影响熔滴飞行行为的一个重要参数，不同的喷枪结构、气体压力会产生不同的流场分布结果。例如，KELKARM．等人采用光学系统分析了不同喷嘴几何形状所形成的流体动力学对于粒子流的影响，认为喷嘴的设计在雾化气流到达喷涂丝端部之前，应尽量减小或消除激波的形成。WangX．D．结合CFD模型及实验研究了雾化压力对涂层性能的影响，结果表明，雾化压力的变化导致熔滴大小的变化，从而导致涂层孔隙率和氧化物含量的差异。
研究电弧喷涂粒子雾化过程的测试技术及理论模拟正处在发展阶段。为进一步揭示电弧喷涂的规律，还需对喷涂粒子的动力学、传热、传质过程作深入的研究，运用先进的测试手段和分析工具，建立可靠的计算理论模型，使其更好的为生产实践服务。
3．2．2粒子沉积过程的热传输及应力行为研究
高速飞行的粒子撞击到基体表面后，将发生飞溅和变形，粒子在变形的瞬间被冷却、凝固，形成扁平颗粒，这一过程称为扁平化过程。扁平化过程只有101～10_5s。接之而来的粒子又在其上不断堆积，形成喷涂层。关于电弧喷涂过程中的温度场变化的研究，据报道通过热电偶、高温计或红外热像仪等设备测量喷涂过程中涂层温度场的变化规律[34|，也有利用有限差分或有限元等数值方法模拟喷涂过程中涂层温度的瞬态变化规律，并分析喷涂工艺与温度场之间的关系，这些研究对改善涂层中的温度场分布起到了极大的推动作用。
在国内，对热喷涂雾化过程中的粒子温度场及速度场分布情况研究颇多，对热喷涂沉积过程中涂层温度场的变化主要集中在数值分析阶段，但有关实验研究的报道尚少。华中科技大学的张海鸥等人已开展了等离子喷涂制模的涂层温度场的红外热像仪测量。对机器人等离子喷涂制模工艺中不同的路径对涂层温度场分布进行了实验优化。热喷涂内应力产生的原因，通常包括两个方面：金属液滴撞击基体，快速冷却凝固之后，金属薄片的收缩受到自身及基体限制，在金属薄片内产生拉应力。熔点越高，收缩内应力越大，甚至可以超过金属薄片问的结合强度。在喷涂过程中。基体被加热，喷涂结束后基体冷却，在这种加热、冷却过程中，涂层与基体的膨胀系数不匹配，也会产生应力。另外，当喷涂诸如高碳钢之类的材料时，在含氧气氛中喷涂时合金相会发生组织转变，碳被大量烧损，同时生成贝氏体和马氏体，具有抑制残余拉应力增大的作用。
热喷涂涂层内应力的测量方法主要有两种：X-ray Diffraciton(XRD)宏观应力测定以及弯曲法应力测定。其中XRD法不能实现在线测量，并且对试样的形状、大小、表面质量有特殊的要求。另外，因为X—ray在金属中有限的穿透深度，XRD主要用于测量涂层表面的应力。采用弯曲法时，假设涂层不受剪切力的作用，在整个涂层厚度上，弹性模量均匀一致。但实际情况是，涂层与基体的膨胀系数的不匹配以及涂层沉积过程的温度载荷，界面问以及涂层内部不可避免存在剪切应力，而且涂层的弯曲程度与基体材料性能、厚度等参数有关。因此，为了揭示涂层内部的残余应力分布的真实情况，还需要突破很多技术瓶颈。实际研究中，往往结合实验分析结果并采用有限元等数值方法模拟喷涂过程中及喷涂后的应力规律，为成形涂层的性能评价、破坏机理的分析等提供重要的依据。
3．2．3 电弧喷涂层的氧化与控制
电弧喷涂时存在很严重的氧化问题，生成的氧化物膜一般比较硬且脆，它的存在降低了涂层颗粒间的结合强度(内聚强度)，并且容易在氧化物膜内萌生微裂纹，由于氧化反应时生成的气体未及时排出，进而产生微孔隙，另一方面，由于氧化反应会放出热量，使熔滴沉积时具有相对较高的热量，使颗粒充分扁平化，减小了飞溅，一定程度上改善了涂层的性能。例如，HoileS．等人研究了电弧喷涂高碳钢丝材时涂层的氧化行为。他们认为在成形过程中，要将氧化降到最低限度，因此研究中采用了N2作为雾化气体，并在有抽气除尘装置的密闭仓中进行，试验测试了不同喷涂工艺(如喷涂距离、雾化气压、送丝速度和机器人的运动速度)对涂层氧化物含量的影响，结果发现，喷涂距离是影响氧化物含量的最重要因素，喷涂距离从160mm减至120mm时，组织中氧化物成分可降低一半。NewberyA．P．和Grant P．S．也研究了在不同含O2量(o，5％，10％，15％，20％(体积分数))的N2混合气体中喷涂高碳钢丝材时涂层的氧化特点，结果发现，氧的存在造成了大量的碳烧损，含氧量越高，碳烧损越严重，由于氧化使得沉积温度升高，恶化了涂层的组织均匀性，降低了涂层的硬度，增加了脆性。因此，如果将涂层的氧化控制在合适的范围内，抑制氧化造成的不利因素，将有助于厚成形零件的性能。
4结束语
综上所述，决定电弧喷涂厚成形的关键因素在于两个方面：涂层的原始强度(即无应力状态时的结合强度，或称为固有强度)和残余应力。通常情况下涂层最终表现为拉应力，因此涂层的内聚强度可理解为涂层的原始强度减掉涂层的残余应力。所以分析认为，解决电弧喷涂厚成形(尤其高熔点材料)的中心问题是提高涂层的内聚强度。为此，建议今后电弧喷涂快速成形技术的研究重点应放在提高涂层的固有强度和降低涂层的残余应力这两个方面，具有解决方法可从以下几个方面考虑：
(1)材料的选择与设计。包括耐氧化非晶／纳米晶等新材料设计，以降低氧含量；添加合金素，使氧化物包覆在颗粒中间；硬软相复合的涂层设计，使软质相通过塑性变形可以释放部分应力。
(2)电弧喷涂成形工艺控制与优化。通过红外控温等技术优化喷涂路径，以减小残余应力，同时，优化喷涂距离、电流、电压、移动速度等工艺，以提高内聚强度。
(3)设备升级改造。通过改造喷涂设备，或者考虑采用N2等保护气氛喷涂，降低氧化并提高强度。
参考文献略
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