CN103451651B - 沉积-加工组合方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种沉积-加工组合方法及系统，该方法包括：在第一操作过程中往基体上沉积粉末材料，以及在第二操作过程中从该基体上去除材料。其中所述第一操作包括：设置电极的操作参数使其可以用来进行材料沉积；往所述电极和基体之间的放电间隙中输送粉末材料；以及在离开基体表面一定距离的情况下沿基体表面移动电极。所述第二操作包括：改变至少一个电极参数，其中包括倒转电极和基体的极性和增大峰值电流中的至少一个；以及通过在离开基体表面一定距离的情况下沿基体表面移动电极来实现从所述基体上去除材料。

Description

沉积-加工组合方法及系统

技术领域

本发明涉及一种沉积-加工组合方法及系统，具体地，涉及一种可用同一装备在元件上沉积材料和去除材料，从而对元件进行修补的电火花沉积-加工组合方法及系统。

背景技术

由于材料的问题和/或长久使用的原因，即便是在润滑条件很好的环境下使用的机械元件，如齿轮、刀具等，在使用的过程中也会出现微点蚀、裂化等问题。损害通常发生在高应力的工作或配合界面，比如，在齿轮的齿面和刀具的尖端或后缘。更换这些元件的成本往往比较高，因此，如何通过适当的技术来修复被损害元件的工作或配合界面，使它们回复到可工作的状态，变成一个重要且具挑战性的问题。

在有些情况下，在修复受损元件的过程中，可能不仅需要进行材料堆积，还需要在材料堆积之前或之后进行去除加工。因此，目前的部分研究致力于通过组合的修复过程实现这样的材料堆积和去除加工。一种典型的方法是，用传统的电火花沉积进行材料的沉积，用传统的机械加工方法进行去除加工。比如，在专利号为7,140,952的美国专利中，在用传统的机械加工方法在燃气涡轮叶片的表面上进行材料去除加工的同时，以传统的电火花沉积方法在所述去除加工后的表面上进行材料沉积以形成防氧化层。另外，在公开号为2009/0056096的美国专利申请中，试图通过电火花沉积在受损区域沉积一定材料，然后再通过磨削等方式对沉积后的材料进行机械加工，以修复受损表面，获得所需要的具体形状。

然而，在有些情况下，比如在进行现场在线维修时，若需要不停地更换设备或工具，比如，不停地在电火花沉积设备和机械加工设备之间进行转换，来实现包括组合的材料沉积和去除过程的修复不是很方便。

因此，有必要提供一个能够有效修复元件，尤其是能够现场维修在线元件的方法，提供一种同时具备材料堆积能力以及加工去除能力的方法及系统。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种沉积-加工组合方法，该方法包括：在第一操作过程中往基体上沉积粉末材料，以及在第二操作过程中从该基体上去除材料。其中所述第一操作包括：设置电极的操作参数使其可以用来进行材料沉积；往所述电极和基体之间的放电间隙中输送粉末材料；以及在离开基体表面一定距离的情况下沿基体表面移动电极。所述第二操作包括：改变至少一个电极参数，其中包括倒转电极和基体的极性和增大峰值电流中的至少一个；以及通过在离开基体表面一定距离的情况下沿基体表面移动电极来实现从所述基体上去除材料。

本发明的另一方面提供了一种加工方法，该方法包括：通过在离开基体表面一定距离的情况下沿基体表面移动电极来实现从所述基体上去除材料；以及往电极和基体之间的放电间隙中输入粉末材料，并使该粉末材料起到粒子电极的作用。

本发明的又一方面提供了一种沉积-加工组合系统，该系统包括：电极，其可在第一操作过程中往基体上沉积材料，并在第二操作过程中从所述基体上去除材料；粉末输送装置，其包括至少一个粉末输送通道，用来在所述第一操作中输送粉末材料到电极和基体之间的放电间隙；以及切换装置，通过改变至少一个电极参数来实现在所述第一操作和第二操作中的切换，其中，所述改变至少一个电极参数包括倒转电极和基体的极性和增大峰值电流中的至少一个。

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为本发明一个实施例中一种示例性的沉积-加工组合系统的示意图；

图2是一种用来实现材料沉积的示例性电源模组的时间-电流曲线图；

图3是一种用来实现材料去除的示例性电源模组的时间-电流曲线图；

图4是显示了一个实施例中在用沉积-加工组合系统加工表面之前和之后的表面粗糙度对比的照片。

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。

本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。在一些实施例中，“大约”表示允许其修正的数值在正负百分之十（10%）的范围内变化，比如，“大约100”表示的可以是90到110之间的任何数值。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，大约同时修正第一和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。

本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。举例来说，如果说了一个组分的数量或一个工艺参数的值，比如，温度，压力，时间等等，是从1到90，20到80较佳，30到70最佳，是想表达15到85，22到68，43到51，30到32等数值都已经明白的列举在此说明书中。对于小于1的数值，0.0001,0.001,0.01或者0.1被认为是比较适当的一个单元。前述例子仅作举例说明之用，实际上，所有在列举的最低到最高值之间的数值组合均被视为以类似方式清楚地列在本说明书中。

除有定义外，本文中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。本文所用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而只是用于区别一种元件和另一种元件。并且，所述“一”或“一个”不表示数量的限定，而是表示存在一个的相关项目。

本发明的一个方面提供了一种沉积-加工组合系统，该系统可以用同一个电极任意交替地往一个元件上沉积材料和去除材料，从而能够实现需要材料沉积-材料去除组合操作的维修过程。在本发明的实施例中，如图1所示，一种沉积-加工组合系统100包括电极102，该电极102可在第一操作中将粉末材料沉积到基体202上，在第二操作中从基体202上去除材料。所述系统100还包括粉末输送装置，该粉末输送装置包括至少一个粉末输送通道106/108，用来在所述第一操作中将粉末材料输送到电极102和基体202之间的放电间隙中。所述系统100还包括切换装置110，其通过改变至少一个电极参数来实现在所述第一操作和第二操作间的切换，其中，所述改变至少一个电极参数包括倒转电极和基体的极性和增大峰值电流中的至少一个。

在一些实施例中，所述输送到电极102和基体202之间的放电间隙中的粉末材料是导电材料。在放电间隙中，所述导电的粉末材料的颗粒（粉末颗粒）过电并且相互靠近。由于粉末颗粒的形状和尺寸各异，粉末颗粒之间形成互锁现象。这样，在放电间隙中的粉末颗粒以链条形式排列，起到系列粒子电极的作用。链条的形成在电极102和基体202之间的放电间隙内起到搭桥的作用，使得在放电间隙增大的情况下仍可实现材料沉积及去除。也就是说，往放电间隙内送粉可实现在放电间隙增大的情况下沉积材料，相比没有送粉的电火花沉积系统，其可以减少电极磨损。因此，所述电火花沉积-加工组合过程可在电极不接触基体的情况下实现，能减少或者甚至避免电极的损耗，因此，与不送粉的电火花沉积系统相比，其更有利于对坚硬的表面进行抛光等处理。

所述电极和/或粉末材料都可以包括任何适宜沉积到基体上形成一定涂层的材料。其中，可以制作电极的材料包括但不限于铜、黄铜、不锈钢、镍合金、钨、石墨以及它们的组合，可用作粉末材料的包括但不限于不锈钢、镍合金、镀镍三氧化二铝及其组合。需要的时候，可以通过选择不同的电极材料和/或粉末材料以及控制粉末材料的进料速度，来形成复合的或者梯度的沉积涂层。

所述粉末输送装置的粉末输送通道可以设置在电极内，也可以设置在电极外。举例来说，所述粉末输送装置可包括一个设置于电极内的粉末输送通道。所述设置于电极内的粉末输送通道可以是任何合适形状的通道，如孔、槽、环状槽道等。替换地，或是进一步地，所述粉末输送装置可包括一个设置于电极外的粉末输送通道。在一些实施例中，所述粉末输送装置包括一个至少部分地围绕所述电极的粉末输送通道，该粉末输送通道可包括一个环绕所述电极的环状槽道，或是围绕所述电极排列的多个通道。在图示的实施例中，所述粉末输送装置包括一个设置于电极102内的内部粉末输送通道106、以及由多个围绕电极102排列的粉末输送喷嘴提供的外部粉末输送通道108。

所述粉末输送装置还可包括用来往所述粉末输送通道106/108提供和输送粉末的粉末进料器（未图示）。

所述粉末材料既可在干的状态输送到所述放电间隙中也可在湿的状态下输送到所述放电间隙中，也就是说，所述粉末既可以干粉的形式输送到放电间隙，也可以粉末和液体混合物的形式输送到放电间隙。本文所述的“干”或“干粉”是指没有故意往粉末材料中添加液体，但不应该排除由于暴露于空气中而受到空气中的湿度影响的粉末。在一些实施例中，“干粉”是指湿量小于10%（重量百分比）的粉末材料。在干的状态下输送的干粉一般通过载气输送。所述载气既可以是活性气体，如氧气，也可以是惰性气体，如氩气。

在一些实施例中，所述粉末输送装置包括用来在实行第一操作进行材料沉积的过程中和实行第二操作进行材料去除的过程中往放电间隙中输送干粉的干粉输送装置。

在一些实施例中，所述粉末输送装置包括用来在实行第一操作进行材料沉积的过程中往放电间隙中输送干粉的干粉输送装置、和用来在实行第二操作进行材料去除的过程中往放电间隙中输送粉末-液体混合物的湿粉输送装置。

在一些实施例中，除了用来在第一操作过程中往放电间隙中输送粉末的粉末输送装置之外，所述沉积-加工组合系统还进一步包括用来在第二操作过程中往电极和基体间的放电间隙输送雾气的雾气输送装置。

本文所述的“雾气”是指小液滴悬浮于气体中形成的非均匀（异相）混合物。在一些实施例中，所述小液滴的尺寸在0.1到100微米之间，或更适宜地，在0.5到20微米之间。在一些实施例中，所述雾气是一种绝缘的雾状气液混合物。比如，所述绝缘的雾状气液混合物可以是水和氮形成的雾气、或是煤油和氮形成的雾气等。与导电粉末和气体的混合物（以载气输送的导电粉末）不同，所述输送到放电间隙的绝缘的雾状气液混合物只是起到了电介质以及冲洗液的作用。在一些实施例中，所述雾气输送装置包括一个用来产生雾气并将雾气输送到电极与基体间的放电间隙的喷嘴。在一些具体的实施例中，可采用一个高压喷雾嘴来来产生并输送雾气到放电间隙。在一些更加具体的实施例中，用来产生和输送雾气的压力在40到60磅力/平方英寸（psi）。

所述电火花沉积-加工组合系统可在大气环境中进行操作，从而可以很大程度地方便沉积和加工组合过程的使用，比如，在现场用于维修在线元件的使用。

在一些实施例中，所述切换装置110包括用来倒转电极和基体上的电压极性的电路板。通过倒转电极和基体上的电压极性，所述沉积-加工组合系统可手动或自动地在实现材料沉积的第一状态和实现材料去除的第二状态之间进行切换。比如，当需要进行材料沉积时，可使电极连接于正极，基体连接于负极，而当需要进行材料去除时，可使电极和基体上的极性倒转，使得电极连接于负极而基体连接于正极。这样，在维修元件或者其他操作的过程中，所述沉积-加工组合系统可方便简单地实现在材料沉积和材料去除之间的切换。

在一些实施例中，所述切换装置包括一个具有两个模组的电源，该电源的两个模组分别可以用来实现将粉末材料沉积到基体上以及从基体上去除材料。在一个实施例中，其中一个模组提供具有如图2所示波形的适宜用于材料沉积的电流，而另一个模组提供具有如图3所示波形的适宜用于材料去除的电流。通过手动或自动地在两个模组之间进行切换，可方便简单地实现在材料沉积过程和材料去除过程之间的转换。

本发明的另一方面提供了一种沉积-加工组合方法，该方法可用同一个电极往元件上沉积材料又从元件上去除材料来实现对元件的维修。在实施例中，所述方法包括：在第一操作过程中往一个基体上沉积粉末材料，以及在第二操作过程中从该基体上去除材料。其中所述第一操作包括：设置电极的操作参数使其可以用来进行材料沉积；往所述电极和基体之间的放电间隙中输送粉末材料；在离开基体表面一定距离的情况下沿基体表面移动电极。所述第二操作包括：改变至少一个电极参数，其中包括倒转电极和基体的极性和增大峰值电流中的至少一个；通过在离开基体表面一定距离的情况下沿基体表面移动电极来实现从所述基体上去除材料。在一些实施例中，所述电极和基体之间的距离在20到200微米之间，或更适宜地，在20到100微米之间。

在一些实施例中，所述“设置电极的操作参数使其可以用来进行材料沉积”的步骤包括：将施加于放电间隙的电压设置于50到150伏之间，或更适宜地，在100到150伏之间，并将电极的峰值电流设置于40到150安培之间，或更适宜地，在90到150安培之间。在一些实施例中，“增大峰值电流”包括将峰值电流增大到150安培以上。

在一些实施例中，所述“设置电极的操作参数使其可以用来进行材料沉积”的步骤包括：将电极连接到正极，基体连接到负极。在一些实施例中，所述“改变至少一个电极参数”的步骤包括：倒转电极和基体的极性，将电极连接到负极，基体连接到正极。

在一些实施例中，所述输送到放电间隙的粉末材料是导电的，起到系列粒子电极的作用，从而可以在放电极间隙增大的情况下实现电火花沉积。所述粉末材料可在干或湿的状态下输送到所述放电间隙中，也就是说，所述粉末既可以干粉的形式输送到放电间隙，也可以粉末和液体混合物的形式输送到放电间隙。

在一些实施例中，所述粉末材料是以干粉的形式用载气输送到放电间隙的，所述“改变至少一个电极参数”的步骤还包括：增大或降低所述载气的流量。在一个实施例中，在第一操作过程中所述载气的流量在5到15升/分钟之间，所述“改变至少一个电极参数”的步骤还包括：将载气的流量增大到20升/分钟以上。

在一些实施例中，所述“改变至少一个电极参数”的步骤还包括：降低所述粉末材料的进料速度。在一个实施例中，所述“降低所述粉末材料的进料速度”的步骤包括：将粉末材料的进料速度降低为零。在一些实施例中，所述“改变至少一个电极参数”的步骤还包括：将所述粉末材料更换成另一种粉末材料。在一些实施例中，所述“改变至少一个电极参数”的步骤还包括：通过往放电间隙中输送雾气的方式来代替往放电间隙中输送粉末材料。即，不再往所述放电间隙中输入粉末材料，而是往放电间隙中输入雾气作为电介质。

在一些实施例中，所述沉积-加工组合过程在大气环境中实现。

如前所述的系统和方法中，在第一操作过程中，待沉积的材料是以粉末的形式进行沉积的。采用脉冲直流电源，以基体为阴极，可用极低的热量输入在所需的位置进行材料沉积，且可实现极快的冷却速度。电极的消耗可以大大降低甚至避免。非消耗电极的使用使得向待修复的表面沉积各种成分的材料均可实现。在一些实施例中，当所述电极和粉末是由不同材料形成，且仅希望沉积粉末材料而不希望电极材料转移到沉积层中形成污染的情况下，可在电极上镀上待沉积的粉末材料来避免污染。

实例

本实例采用了一个如图1所示的并且具有一个外径为5.5毫米，内径为4毫米的电极的沉积-加工组合系统进行试验，用来将粒子尺寸为10到45微米的镍基超合金IN718粉末沉积到一个IN718基体表面上，再对该基体表面进行加工，在上述过程中，IN718粉末材料被持续地输送到电极和基体之间的放电间隙中。在实验时，首先将电极连接到正极，基体连接到负极，将电极的峰值电流设置为120安培，以进行材料沉积。在离开基体表面一定距离的情况下沿基体表面以大约1毫米/秒的速度移动电极，以将通过载气输送到电极和基体之间的放电间隙的IN718粉末材料沉积到基体表面。粉末的进料速度大约为1克/分钟，通道106中的载气流量约为10升/分钟，通道108中的载气流量约为20升/分钟。然后，倒转电极和基体的极性，将峰值电流降为40安培，载气的流量降为8升/分钟，再在离开基体表面一定距离的情况下沿基体表面以大约2毫米/秒的速度移动电极，以从基体表面去除材料，实现对基体表面的加工（抛光）。图4中的照片显示了在用所述沉积-加工系统进行表面加工（抛光）之前和之后的表面粗糙度的对比。

如图4所示，加工之前的表面402的表面粗糙度约为13微米，加工之后的表面406的表面粗糙度约为5.7微米。可见，通过所述沉积-加工组合系统的加工处理，表面粗糙度数值显著降低。因此，以本发明实施例提供的沉积-加工组合系统往受损元件沉积一定涂层，再对该涂层进行加工以降低涂层的表面粗糙度，可以对元件进行维修并获得表面粗糙度尽可能小的修复表面。

本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，本发明的范围是由权利要求书界定，而不是由上述界定的，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种沉积-加工组合方法，其包括：

在第一操作过程中往基体上沉积粉末材料，以及在第二操作过程中从基体上去除材料，其中，所述第一操作包括：

设置电极的操作参数使其可以用来进行材料沉积；

往所述电极和基体之间的放电间隙中输送粉末材料；以及

在离开基体表面一定距离的情况下沿基体表面移动电极；

所述第二操作包括：

改变至少一个电极参数，其中包括倒转电极和基体的极性和增大峰值电流中的至少一个；以及

通过在离开基体表面一定距离的情况下沿基体表面移动电极来实现从所述基体上去除材料。

2.如权利要求1所述的方法，其中，增大峰值电流的步骤包括将峰值电流增大到150安培以上。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述粉末材料是通过载气输送的，其中所述改变至少一个电极参数的步骤进一步包括：增大载气的流量。

4.如权利要求3所述的方法，其中，在所述第一操作中所述载气的流量在5到15升/分钟之间，所述增大载气的流量的步骤包括：将载气的流量增大到20升/分钟以上。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述改变至少一个电极参数的步骤进一步包括：降低粉末材料的进料速度。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述降低所述粉末材料的进料速度的步骤包括：将粉末材料的进料速度降低到零。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述粉末材料包括导电材料。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述改变至少一个电极参数的步骤进一步包括：将所述粉末材料更换成另一种粉末材料。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述改变至少一个电极参数的步骤进一步包括：通过往放电间隙中输送雾气的方式来代替往放电间隙中输送粉末材料。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述雾气是绝缘的雾状气液混合物，其是以40到60磅力/平方英寸的压力输送到所述放电间隙的。

11.如权利要求1所述的方法，其中，该沉积-加工组合方法的过程是在大气环境中操作的。

12.一种沉积-加工组合系统，其包括：

电极，其可在第一操作过程中往基体上沉积材料，并在第二操作过程中从所述基体上去除材料；

粉末输送装置，其包括至少一个粉末输送通道，用来在所述第一操作中输送粉末材料到电极和基体之间的放电间隙；以及

切换装置，其通过改变至少一个电极参数来实现在所述第一操作和第二操作间的切换，其中，所述改变至少一个电极参数包括倒转电极和基体的极性和增大峰值电流中的至少一个。

13.如权利要求12所述的系统，其中，所述切换装置包括用来倒转电极和基体的电压极性的电路板。

14.如权利要求12所述的系统，其中，所述切换装置包括一个具有两个模组的电源，该电源的两个模组分别用来将粉末材料沉积到基体上以及从基体上去除材料。

15.如权利要求12所述的系统，其中，所述粉末输送装置包括一个用来在所述第一操作和第二操作过程中往放电间隙中输送干粉的干粉输送装置。

16.如权利要求12所述的系统，其中，所述粉末输送装置包括用来在第一操作进过程中往放电间隙中输送干粉的干粉输送装置、以及用来在第二操作过程中往放电间隙中输送粉末-液体混合物的湿粉输送装置。

17.如权利要求12所述的系统，进一步包括在第二操作过程中往电极和基体间的放电间隙输送雾气的雾气输送装置。