CN112270082B - 一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法，属于热喷涂技术领域。将复杂曲面表面变复合比涂层转化为沿等冲击角线方向的恒复合比涂层，包括以下步骤：步骤1：确定切向功能梯度涂层的复合比与冲击角度的对应关系；步骤2：建立零部件表面的等冲击角线图；步骤3：制定沿等冲击角线的热喷涂路径，匹配各等冲击角线所对应的切向功能梯度涂层的复合比；步骤4：利用程序控制双路送粉器各送粉筒的粉末送给速率、喷涂机器人所夹持喷枪的位姿，采用本发明制备切向功能梯度涂层工艺难度低、涂层复合比精准、效率高。
Description
技术领域
本发明属于热喷涂技术领域，具体涉及一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
针对叶片等复杂型面零部件表面金属陶瓷涂层在中、高冲击角度下的抗冲蚀性能劣化问题，通过设计复合比沿零部件表面的切向呈梯度变化的切向功能梯度涂层，可提升中、高冲击角度下的抗冲蚀性能，延长零部件服役寿命。
发明人发现，与法向功能梯度涂层材料复合比法向异质、切向均质不同，切向功能梯度涂层复合比沿切向呈梯度变化，复杂型面表面各位置处涂层的复合比相异，且喷涂角度随零部件表面型面的变化而变化，无法使用传统“S形”、“回字形”等热喷涂工艺路径，喷涂时要频繁变更涂层复合比和喷枪位姿，喷涂难度高、精度低、效率低。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法，通过建立等冲击角线图，制定沿等冲击角线的热喷涂工艺路径，喷涂时涂层复合比仅在跨等冲击角线时变更，将复杂曲面表面变复合比涂层转化为沿等冲击角线方向的恒复合比涂层，降低了涂层复合比和喷枪位姿调整的频率，涂层制备难度低、精准、高效，如图1所示。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法，包括：
以零部件基体的冲蚀率阈值为约束条件，确定切向功能梯度涂层的复合比与冲击角度的对应关系；
根据工件表面冲击角度分布规律，建立零部件表面的等冲击角线图；
制定沿等冲击角线的热喷涂路径，匹配各等冲击角线所对应的切向功能梯度涂层的复合比；
利用程序按需、自动控制粉末送给速率、喷枪的位姿；
热喷涂。
本发明实现了切向功能梯度涂层的制备，复杂曲面表面变复合比涂层转化为沿等冲击角线方向的恒复合比涂层，降低了涂层复合比和喷枪位姿的调整频率，实现切向功能梯度涂层的低难度、精准、高效制备。
本发明的第二个方面，提供了上述的方法制备的切向功能梯度涂层。
本发明的第三个方面，提供了一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备系统，包括：
用于确定切向功能梯度涂层的复合比与冲击角度的对应关系模块；
用于建立零部件表面的等冲击角线图的模块；
用于制定沿等冲击角线的热喷涂路径的模块，所述热喷涂路径匹配各等冲击角线所对应的切向功能梯度涂层的复合比；
用于调整粉末送给速率、喷枪的位姿的模块。
本发明的第四个方面，提供了一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备的装置，所述装置包括：控制器，所述控制器被配制为执行任一上述的基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法的步骤，并基于所述方法所确定的热喷涂路径继而控制粉末送给速率、喷枪的位姿。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明建立了一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法，克服了涂层复合比和喷枪位姿频繁调整的问题，实现了切向功能梯度涂层的精准、高效制备。
(2)本发明的方法简单、操作方便、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书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为沿等冲击角线的切向功能梯度涂层喷涂路径规划示意图；
图2为本发明设计方法流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，切向功能梯度涂层的材料配伍沿切向呈梯度变化，复杂型面表面各位置处涂层配伍相异，且喷涂角度随零部件表面型面的变化而变化，喷涂时要频繁变更涂层材料配伍和喷枪位姿，针对上述问题，本申请提出了一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法。
本发明中所述的“复合比”是指：复合材料中某种成份在复合材料中的质量占比，“切向”是指沿涂层表面平行的方向，“法向”是指沿与涂层表面垂直的方向,“等冲击角线”是指将被冲击表面冲击角度相同的点连成的曲线，用于直观展示被冲击表面的冲击角度变化。
本发明提供了一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法，将复杂曲面表面变复合比涂层转化为沿等冲击角线方向的恒复合比涂层，降低了涂层复合比和喷枪位姿调整的频率，包括以下具体步骤：
步骤1：以零部件基体的冲蚀率阈值为约束条件，确定切向功能梯度涂层的复合比与冲击角度的对应关系。
步骤2：根据工件表面冲击角度分布规律，利用绘图软件建立零部件表面的等冲击角线图。
步骤3：制定沿等冲击角线的热喷涂路径，匹配各等冲击角线所对应的切向功能梯度涂层的复合比。
步骤4：利用程序控制双路送粉器各送粉筒的粉末送给速率、喷涂机器人所夹持喷枪的位姿，实现喷涂过程中复合比的按需、自动调整。
在一些实施例中，所述步骤1中，冲蚀率阈值根据工件的使用工况要求及额定寿命计算得出。涂层的复合比与冲击角度的对应关系可根据专利ZL201711298231.5“一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法”所记载的技术方案得到。
在一些实施例中，所述步骤2中，工件表面冲击角度分布规律可根据专利ZL201711298231.5“一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法”所记载的技术方案得到。
在一些实施例中，所述步骤2的具体步骤为：利用绘图软件导入冲击角度数据，并绘制等值线图。
在一些实施例中，所述步骤3的具体步骤为：将连续的冲击角度离散化成若干冲击角度区间，并根据步骤1所得到的复合比与冲击角度的对应关系，得到不同离散化冲击角度区间所对应的复合比。本领域技术人员可根据实际工况进行确定离散化冲击角度区间的数量。
在一些实施例中，所述步骤4的具体步骤为：编制双路送粉器粉末送给速率控制程序，控制各粉末的送给速率，实现复合比的精准控制。同时，编制喷涂机器人行走路径程序，精准控制喷枪位姿。
在一些实施例中，所述零部件为离心式压缩机叶片、大型鼓风机叶片或燃气轮机叶片等。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
以受气固两相流冲蚀磨损的某型号叶片(基体材料为FV520B)为例，表面制备Cr3C2-NiCr涂层(其中“Cr3C2”为脆性陶瓷材料、“NiCr”为韧性金属材料，以“NiCr”在复合涂层中的质量占比为复合比)的设计方法，具体包括以下步骤：
步骤1：采用专利ZL201711298231.5“一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法”所记载的技术方案得到涂层的功能层复合比与冲击角度的对应关系β＝f(α)。
α为冲击角度。
步骤2：采用专利ZL201711298231.5“一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法”所记载的技术方案得到工件表面冲击角度分布规律α＝g(θ)(θ为叶片表面的位置参数)。利用Origin或Matlab等绘图软件导入冲击角度数据，并绘制等值线图。
步骤3：将连续的冲击角度离散化成若干离散化的冲击角度区间α1，α2，α3，……，αi，并根据步骤1所得到的复合比与冲击角度的对应关系，得到不同离散化的冲击角度区间所对应的复合比β1，β2，β3，……，βi。
步骤4：计算各冲击角度区间下的各送粉筒的粉末送给速率(λ1，μ1)，(λ2，μ2)，(λ3，μ3)，……，(λi，μi)，并录入双路送粉器控制程序；同时，利用喷涂机器人控制程序实时调整喷枪位姿，保证喷枪垂直于喷涂表面。
进一步的，各送粉筒的粉末送给速率计算方法如下：
λi＝m*βi/ηCr3C2
μi＝m*(1-βi)/ηNiCr
其中，λi为等冲击角度区间i内Cr3C2粉末的送给速率，μi为等冲击角度区间i内NiCr粉末的送给速率，m为单位时间内双路送粉器总送粉质量，ηCr3C2为Cr3C2粉末的沉积率，ηNiCr为NiCr粉末的沉积率。
采用本实施例的方法制备的涂层，降低了涂层复合比和喷枪位姿调整的频率，能降低切向功能梯度涂层的制备难度，提升涂层制备精度和效率。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。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。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法，其特征在于，包括：
以零部件基体的冲蚀率阈值为约束条件，确定切向功能梯度涂层的复合比与冲击角度的对应关系；
根据工件表面冲击角度分布规律，建立零部件表面的等冲击角线图；
制定沿等冲击角线的热喷涂路径，匹配各等冲击角线所对应的切向功能梯度涂层的复合比；
利用程序按需、自动控制粉末送给速率、喷枪的位姿；
热喷涂。
2.如权利要求1所述的基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法，其特征在于，利用绘图软件导入冲击角度数据，绘制等冲击角线图。
3.如权利要求1所述的基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法，其特征在于，将连续的冲击角度离散化成若干冲击角度区间，并根据复合比与冲击角度的对应关系，得到不同离散化冲击角度区间所对应的复合比。
4.如权利要求1所述的基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法，其特征在于，给定冲击角度区间内，涂层复合比是恒定值。
5.如权利要求1所述的基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法，其特征在于，各冲击角度区间下的各送粉筒的粉末送给速率利用单位时间内双路送粉器总送粉质量、各粉末沉积率及不同离散化冲击角度区间所对应的复合比计算获得。
6.如权利要求1所述的基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法，其特征在于，所述零部件为复杂型面件。
7.如权利要求6所述的基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法，其特征在于，所述零部件为离心式压缩机叶片、大型鼓风机叶片或燃气轮机叶片中的一种。
8.权利要求1-7任一项所述的方法制备的切向功能梯度涂层。
9.一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备系统，其特征在于，包括：
用于确定切向功能梯度涂层的复合比与冲击角度的对应关系模块，被配置为：以零部件基体的冲蚀率阈值为约束条件，确定切向功能梯度涂层的复合比与冲击角度的对应关系；
用于建立零部件表面的等冲击角线图的模块，被配置为：根据工件表面冲击角度分布规律，建立零部件表面的等冲击角线图；
用于制定沿等冲击角线的热喷涂路径的模块，被配置为：制定沿等冲击角线的热喷涂路径，匹配各等冲击角线所对应的切向功能梯度涂层的复合比；
用于调整粉末送给速率、喷枪的位姿的模块，被配置为：利用程序按需、自动控制粉末送给速率、喷枪的位姿；
执行模块，被配置为：进行热喷涂。
10.一种基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备的装置，其特征在于，所述装置包括控制器，所述控制器被配置为执行上述权利要求1-7任一项所述的基于等冲击角线的切向功能梯度涂层制备方法的步骤，并基于所述方法所确定的热喷涂路径继而控制粉末送给速率、喷枪的位姿。
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| Publication number | Publication date |
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| WO2022082979A1 (zh) | 2022-04-28 |
| CN112270082A (zh) | 2021-01-26 |
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