CN105171149A - 一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法 - Google Patents

一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法 Download PDF

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Abstract

一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法，本发明涉及防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法。本发明是为了解决传统的高能微弧火花沉积工艺制备效率低，对涂层表观特征、结构、和性能无法实现精确控制的问题。本发明以三轴数控铣床为平台，通过特殊沉积刀柄，实现数控铣床和高能微弧火花电源的电气集成；利用数控系统强大功能，实现对防钛火涂层制备中沉积策略和沉积路径的精确。本发明有效地解决了传统高能微弧火花沉积工艺人工劳动量大、效率低、及涂层表观特征、结构、性能的再现性差的问题。本发明应用于材料加工领域。

Description

一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法
技术领域
本发明涉及防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法。
背景技术
钛及钛合金由于比强度、比模量高、密度低、抗破坏能力强，作为高强轻质材料在航空、航天、船舶工业、军事工业方面已获得了广泛的应用。特别是在航空航天领域，为了提高推重比、效率以及有效承载，高性能的轻金属材料钛合金被广泛应用于制作航空发动机压气机机匣、转子盘、转子叶片、静子叶片和风扇叶片等关键部件。目前，现代航空发动机结构质量的1/3左右为钛合金。如美国F22四代战斗机用钛用量为41％，其F119发动机用钛量为39％。
在正常的情况下，航空发动机上钛合金的使用情况良好。然而，当钛合金用作旋转部件时，容易发生钛火故障，这种情况主要由转子叶片与机匣内壁摩擦导致叶片尖端局部受热而引起。钛火的范围可以从轻微的叶尖燃烧、后缘区燃烧，发展到大范围燃烧，在高压压气机中，钛着火约5～10s后就能将钛机匣烧穿。
钛火故障在国外民用和军用航空发动机上都曾发生过。仅1987年一年美海军就损失了9架F/A-18，其中4架便是因为其动力装置F404发动机中钛着火而引起，着火原因是：高压压气机中的一级和三级工作叶片折断，卡在转子和钛合金机匣之间，机匣由于摩擦着火被烧穿，又将外函道机匣烧穿引起飞机着火。1977～1988年间，苏联民用发动机(如HK-8、HK-86、Д-30、AИ-25)发生了30余起钛着火事故，着火主要原因是：叶片断片卡在转子与静子之间、转子止推轴承损坏、转子与静子相碰以及轮盘破裂等因素导致钛零件相互摩擦。由于钛火故障危害巨大，钛合金阻燃技术已成为各国航空发动机研发领域亟待解决的难题。
解决钛火故障的方法主要有三个：(1)更改结构设计或使用替代材料。使用合金钢取代钛合金机匣或在钛合金件内衬合金钢衬套，或者增加钛合金叶片叶尖和静子之间的间隙，这种技术途径的缺点是增加了重量、降低压气机效率；(2)研制阻燃钛合金。阻燃钛合金是利用钛合金不同的阻燃机理，增加一元或多元组分或设计新型的钛合金材料，利用高温下阻燃层形成的吸热反应等达到钛火防止的目的；(3)使用阻燃涂层。阻燃涂层可以有效的解决“钛火”问题，可在不改变现有结构的基础上进行涂敷，降低设计成本，同时具有良好的使用维护性和低的使用成本。
阻燃涂层采用先进的涂层制备工艺，在钛合金零部件表面(尤其是易发生摩擦的表面)涂覆一层难于燃烧的材料，以便在一定的温度和能量冲击下，阻止摩擦热的积累，起到阻燃防护的作用。基于此目的，钛合金阻燃涂层应具有良好的导热性、可磨性和低的摩擦系数，以及良好的抗氧化性和低的燃烧热值。
在诸多表面改性技术中，高能微弧火花沉积(也称为电火花沉积)工艺以其独特优点(如：强化过程中对工件表面热输入量低，强化层与基体间冶金结合，容易实现异种材料焊接，电极材料选择容易等)，建立了其在再制造技术领域中的特殊地位，尤其是该工艺对基体在冶金、力学、疲劳等方面影响极小，使其成为防钛火涂层制备工艺的最佳选择，加上该工艺对操作条件要求低和低成本，使其具有广阔的工业应用前景。
然而，传统的高能微弧火花沉积工艺制备效率低，无法实现对沉积层表观特征(厚度、粗糙度)、涂层结构和涂层性能的精确控制，且涂层表观特征/结构/性能的再现性很差。并且，随着现代航空工业的发展，航空零部件越来越复杂，具有复杂曲面的零件已经广泛应用于工业各领域，这使得传统手工式高能微弧火花工艺已经越来越不能适应工件涂层制备的要求。传统高能微弧火花工艺的升级改造成为工业发展的必然要求。
发明内容
本发明是为了解决传统的高能微弧火花沉积工艺制备效率低，对涂层表观特征、结构、和性能无法实现精确控制的问题，而提出的防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法。
一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法按以下步骤实现：
步骤一：构建高能微弧火花数控化沉积设备；
在三轴数控铣床基础上，通过一种数控电火花沉积刀柄，将三轴数控铣床和高能微弧火花电源集成在一起，构建起高能微弧火花数控化沉积设备；
步骤二：在步骤一构建的设备上进行防钛火涂层高能微弧火花数控化沉积采用参数化编程方式以点焊式沉积策略进行沉积；
点焊式沉积策略具体步骤为：
步骤二一：数控铣床将电极定位到钛合金工件表面上方；
步骤二二：数控铣床控制电极接近钛合金工件表面；
步骤二三：数控铣床控制电极减速定位在钛合金工件表面上方；
步骤二四：数控铣床控制电极接触工件放电实施单沉积点的沉积；
步骤二五：数控铣床控制电极回退到钛合金工件表面上方；
步骤二六：数控铣床控制电极定位到下一沉积点；
步骤二七：重复步骤二一到步骤二六的过程，实现下一沉积点的沉积，直至完成一行所有沉积点的沉积；
步骤二八：定位到下一行，重复步骤二一到步骤二七的过程，实现所有行沉积，完成工件全表面的防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积；
步骤三：高能微弧火花沉积工艺制备钛合金防钛火涂层具体步骤为：
步骤三一：将防钛火棒状电极装入专用沉积刀柄；
步骤三二：将所述沉积刀柄装入数控铣床主轴；
步骤三三：将高能微弧火花电源正极接到所述沉积刀柄上；
步骤三四：将高能微弧火花电源负极连接到钛合金工件或夹具上；
步骤三五：将采用点步骤二所述的点焊式沉积策略编制的参数化沉积数控程序输入到数控铣床的数控系统中；
步骤三六：根据工艺要求，设置参数化沉积数控程序中的每一个参数值，并在工件上设置工件坐标系；
步骤三七：将氩气接入沉积区域，使沉积过程中，放电区域始终受到氩气保护；
步骤三八：开机运行参数化沉积数控程序，执行沉积；
步骤三九：沉积完毕，卸下工件。
本发明针对传统手动式高能微弧火花沉积工艺制备效率低，对涂层显微结构、表观特征、成分和性能无法实现精确控制的问题，提出一种升级改造后的数控化的沉积工艺。本发明以三轴数控铣床为平台，通过特殊沉积刀柄，实现数控铣床和高能微弧火花电源的电气集成；利用数控系统强大功能，实现对防钛火涂层制备中沉积策略和沉积路径的精确。本发明有效地解决了传统高能微弧火花沉积工艺人工劳动量大、效率低、及涂层表观特征、结构、性能的再现性差等问题。
附图说明
图1为防钛火涂层高能微弧火花数控化沉积方法点焊式沉积策略立体示意图，图中6为电极，2为钛合金工件，3为沉积路径，A为初始高度，X和Y分别表示X轴和Y轴；
图2为防钛火涂层高能微弧火花数控化沉积方法点焊式沉积策略示意图，图中5为一种数控电火花沉积刀柄，2为钛合金工件，6为电极，A为初始高度，B为设置的高度，C为工件沉积表面高度，X和Z分别表示X轴和Z轴。
具体实施方式
具体实施方式一：一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法包括以下步骤：
步骤一：构建高能微弧火花数控化沉积设备，所述高能微弧火花数控化沉积也称为电火花沉积；
在三轴数控铣床基础上，通过一种数控电火花沉积刀柄，将三轴数控铣床和高能微弧火花电源集成在一起，构建起高能微弧火花数控化沉积的设备；所述一种数控电火花沉积刀柄为申请号为CN201510020448.4的专利《一种数控电火花沉积刀柄》中提出的一种数控电火花沉积刀柄。
步骤二：在步骤一构建的设备上进行防钛火涂层高能微弧火花数控化沉积采用参数化编程方式以点焊式沉积策略进行沉积；
点焊式沉积策略具体步骤为：
步骤二一：数控铣床将电极定位到钛合金工件表面上方；
步骤二二：数控铣床控制电极接近钛合金工件表面；
步骤二三：数控铣床控制电极减速定位在钛合金工件表面上方；
步骤二四：数控铣床控制电极接触工件放电实施单沉积点的沉积；
步骤二五：数控铣床控制电极回退到钛合金工件表面上方；
步骤二六：数控铣床控制电极定位到下一沉积点；
步骤二七：重复步骤二一到步骤二六的过程，实现下一沉积点的沉积，直至完成一行所有沉积点的沉积；
步骤二八：定位到下一行，重复步骤二一到步骤二七的过程，实现所有行沉积，完成工件全表面的防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积；
步骤三：高能微弧火花沉积工艺制备钛合金防钛火涂层具体步骤为：
步骤三一：将防钛火棒状电极装入专用沉积刀柄；
步骤三二：将步骤一所述沉积刀柄装入数控铣床主轴；
步骤三三：将高能微弧火花电源正极接到所述沉积刀柄上；
步骤三四：将高能微弧火花电源负极连接到钛合金工件或夹具上；
步骤三五：将采用点步骤二所述的点焊式沉积策略编制的参数化沉积数控程序输入到数控铣床的数控系统中；
步骤三六：根据工艺要求，设置参数化沉积数控程序中的每一个参数值，并在工件上设置工件坐标系；
步骤三七：将氩气接入沉积区域，使沉积过程中，放电区域始终受到氩气保护；
步骤三八：开机运行参数化沉积数控程序，执行沉积；
步骤三九：沉积完毕，卸下工件。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述步骤二一中数控铣床将电极定位到距钛合金工件表面10-200mm处。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述步骤二二中数控铣床控制电极接近钛合金工件表面的速度为500-8000mm/min。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述步骤二三中步骤二三中数控铣床控制电极减速定位在钛合金工件表面上方1-100mm处。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是所述步骤二四中数控铣床控制电极以50-1000mm/min的速度接触工件放电实施单沉积点的沉积。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是所述步骤二五中数控铣床控制电极以500-8000mm/min的速度退回到距钛合金工件表面10-200mm处。
防钛火涂层高能微弧火花沉积方法点焊式沉积策略的功能为：
(1)该方法具有对钛合金零件尺寸变化的适应性
通过对#1和#2的正确赋值，该方法可以实现对任意尺寸钛合金零件的防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积。
(2)该方法可以实现对钛合金防钛火涂层的多层制备
通过对#3变量的赋值，可以实现指定层数的防钛火涂层的多层沉积。
(3)该方法可以指定的沉积点间距和行间距实施钛合金防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积，这是通过对#4和#5的赋值实现。
(4)该方法可以适应电极长度变化，随着沉积的进行，电极长度也在发生变化，在掌握电极长度消耗规律基础上，通过对#6的正确赋值，可以实现长路径不间断沉积。
实施例一：
步骤一：构建高能微弧火花数控化沉积设备；
高能微弧火花数控化沉积方法首先要构建设备，在三轴数控铣床基础上，通过一种数控电火花沉积刀柄，将三轴数控铣床和高能微弧火花电源集成在一起，从而构建起高能微弧火花数控化沉积的设备。
步骤二：在步骤一构建的设备上进行防钛火涂层高能微弧火花数控化沉积采用参数化编程方式以点焊式沉积策略进行沉积；防钛火涂层高能微弧火花数控化沉积方法点焊式沉积策略立体示意图和示意图，如图1和图2所示；
点焊式沉积策略的具体步骤为：
步骤二一：将数控铣床控制电极定位到距钛合金工件表面15mm处，即图2中A点对应高度；
步骤二二：数控铣床控制电极以1000mm/min的速度接近钛合金工件；
步骤二三：数控铣床控制电极减速定位在钛合金工件表面上方5mm处，即图2中B点对应高度；
步骤二四：数控铣床控制电极以500mm/min速度接触工件放电实施单沉积点的沉积；
步骤二五：数控铣床控制电极以1000mm/min的速度退回到距钛合金工件表面15mm处；
步骤二六：数控铣床控制电极定位到下一沉积点；
步骤二七：重复步骤二一到步骤二六的过程，实现下一沉积点的沉积，直至完成一行所有沉积点的沉积；
步骤二八：定位到下一行，重复步骤一到步骤七的过程，实现所有行沉积，从而完成工件全表面的防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积。
防钛火涂层高能微弧火花数控化沉积方法点焊式沉积策略参数化程序为：
高能微弧火花沉积工艺制备钛合金防钛火涂层具体步骤为：
(1)将防钛火棒状电极装入专用沉积刀柄；
(2)将沉积刀柄装入数控铣床主轴；
(3)将高能微弧火花电源正极接到沉积刀柄上；
(4)将高能微弧火花电源负极连接到钛合金工件或夹具上；
(5)将采用点步骤二所述的点焊式沉积策略编制的参数化沉积数控程序O0001输入到数控铣床的数控系统中；
(6)根据工艺要求，设置O0001程序中的每一个参数值，并在钛合金工件上设置工件坐标系；
(7)将氩气接入沉积区域，使沉积过程中，放电区域始终受到氩气保护；
(8)开机运行O0001程序，执行沉积；
(9)沉积完毕，卸下钛合金工件。
实施例二：
步骤一：构建高能微弧火花数控化沉积设备；
高能微弧火花数控化沉积方法首先要构建设备，在三轴数控铣床基础上，通过一种数控电火花沉积刀柄，将三轴数控铣床和高能微弧火花电源集成在一起，从而构建起高能微弧火花数控化沉积的设备。
步骤二：在步骤一构建的设备上进行防钛火涂层高能微弧火花数控化沉积采用参数化编程方式以点焊式沉积策略进行沉积，防钛火涂层高能微弧火花数控化沉积方法点焊式沉积策略立体示意图和示意图，如图1和图2所示；
点焊式沉积策略的具体步骤为：
步骤二一：将数控铣床控制电极定位到距钛合金工件表面150mm处，即图2中A点对应高度；
步骤二二：数控铣床控制电极以5000mm/min的速度接近钛合金工件；
步骤二三：数控铣床控制电极减速定位在钛合金工件表面上方50mm处，即图2中B点对应高度；
步骤二四：数控铣床控制电极以100mm/min速度接触工件放电实施单沉积点的沉积；
步骤二五：数控铣床控制电极以5000mm/min的速度退回到距钛合金工件表面150mm处；
步骤二六：数控铣床控制电极定位到下一沉积点；
步骤二七：重复步骤二一到步骤二六的过程，实现下一沉积点的沉积，直至完成一行所有沉积点的沉积；
步骤二八：定位到下一行，重复步骤一到步骤七的过程，实现所有行沉积，从而完成工件全表面的防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积。
防钛火涂层高能微弧火花数控化沉积方法点焊式沉积策略参数化程序为：
高能微弧火花沉积工艺制备钛合金防钛火涂层具体步骤为：
(1)将防钛火棒状电极装入专用沉积刀柄；
(2)将沉积刀柄装入数控铣床主轴；
(3)将高能微弧火花电源正极接到沉积刀柄上；
(4)将高能微弧火花电源负极连接到钛合金工件或夹具上；
(5)将采用点步骤二所述的点焊式沉积策略编制的参数化沉积数控程序O0001输入到数控铣床的数控系统中；
(6)根据工艺要求，设置O0001程序中的每一个参数值，并在钛合金工件上设置工件坐标系；
(7)将氩气接入沉积区域，使沉积过程中，放电区域始终受到氩气保护；
(8)开机运行O0001程序，执行沉积；
(9)沉积完毕，卸下钛合金工件。

Claims (6)

1.一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法，其特征在于，所述防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法包括以下步骤：
步骤一：构建高能微弧火花数控化沉积设备；
在三轴数控铣床基础上，通过一种数控电火花沉积刀柄，将三轴数控铣床和高能微弧火花电源集成在一起，构建起高能微弧火花数控化沉积设备；
步骤二：在步骤一构建的设备上进行防钛火涂层高能微弧火花数控化沉积采用参数化编程方式以点焊式沉积策略进行沉积；
点焊式沉积策略具体步骤为：
步骤二一：数控铣床将电极定位到钛合金工件表面上方；
步骤二二：数控铣床控制电极接近钛合金工件表面；
步骤二三：数控铣床控制电极减速定位在钛合金工件表面上方；
步骤二四：数控铣床控制电极接触工件放电实施单沉积点的沉积；
步骤二五：数控铣床控制电极回退到钛合金工件表面上方；
步骤二六：数控铣床控制电极定位到下一沉积点；
步骤二七：重复步骤二一到步骤二六的过程，实现下一沉积点的沉积，直至完成一行所有沉积点的沉积；
步骤二八：定位到下一行，重复步骤二一到步骤二七的过程，实现所有行沉积，完成工件全表面的防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积；
步骤三：高能微弧火花沉积工艺制备钛合金防钛火涂层具体步骤为：
步骤三一：将防钛火棒状电极装入专用沉积刀柄；
步骤三二：将所述沉积刀柄装入数控铣床主轴；
步骤三三：将高能微弧火花电源正极接到所述沉积刀柄上；
步骤三四：将高能微弧火花电源负极连接到钛合金工件或夹具上；
步骤三五：将采用点步骤二所述的点焊式沉积策略编制的参数化沉积数控程序输入到数控铣床的数控系统中；
步骤三六：设置参数化沉积数控程序中的每一个参数值，并在工件上设置工件坐标系；
步骤三七：将氩气接入沉积区域，使沉积过程中，放电区域始终受到氩气保护；
步骤三八：开机运行参数化沉积数控程序，执行沉积；
步骤三九：沉积完毕，卸下工件。
2.根据权利要求1所述的一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法，其特征在于所述步骤二一中数控铣床将电极定位到距钛合金工件表面10-200mm处。
3.根据权利要求2所述的一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法，其特征在于所述步骤二二中数控铣床控制电极接近钛合金工件表面的速度为500-8000mm/min。
4.根据权利要求3所述的一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法，其特征在于所述步骤二三中数控铣床控制电极减速定位在钛合金工件表面上方1-100mm处。
5.根据权利要求4所述的一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法，其特征在于所述步骤二四中数控铣床控制电极以50-1000mm/min的速度接触工件放电实施单沉积点的沉积。
6.根据权利要求5所述的一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法，其特征在于所述步骤二五中数控铣床控制电极以500-8000mm/min的速度退回到距钛合金工件表面10-200mm处。
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