CN107798204B - 一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法，它解决了均质材料涂层不能满足冲击角度大范围变化的复杂型面的抗冲蚀问题，其得出热喷涂涂层塑脆比和冲击角度变化的对应关系，使得复杂型面零部件表面的热喷涂涂层性能匹配各部位需求的抗冲蚀性能，其技术方案为：根据零部件运行环境条件，确定复杂型面零部件表面的冲击角度的变化规律；根据使用工况要求，选择抗冲蚀涂层材料；通过冲蚀试验获取涂层的冲击角度‑塑脆比‑冲蚀率关系；确定涂层的塑脆比与冲击角度的对应关系曲线；基于切向渐变涂层与表面冲击角度匹配关系，利用送粉量实时可调的双路送粉热喷涂设备，进行喷涂。
Description
技术领域
本发明属于热喷涂技术领域，特别是涉及一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法。
背景技术
冲蚀工况下的复杂型面零部件广泛应用于石油、化工、冶金、天然气输送等行业，在国民经济发展及国防领域占有重要地位。大型离心式压缩机叶轮是典型复杂型面零部件，其一般采用超高强度材料制造，且空间几何结构复杂，材料成本及加工成本高昂。在西气东输服役环境中，受气固两相流冲蚀磨损，叶片减薄是其重要损伤形式，热喷涂技术是强化其表面抗冲蚀性能的重要技术之一。
冲蚀率作为衡量冲蚀磨损的重要指标，受入射粒子与复杂型面表面间的冲击角度和涂层材料的脆塑性影响较大，如图1、2所示，脆性涂层材料在中小角度下抗冲蚀性能良好，塑性材料在大角度下抗冲蚀性能良好，二者在冲击角度[0°,90°]变化范围内抗冲蚀性能迥异。
如图3所示，复杂型面表面受冲击时，因整体型面上冲击角度变化范围大，均质涂层无法满足其在各冲击角度下的抗冲蚀性能要求，因此，亟待开发脆塑性沿复杂型面表面变化的非均质切向渐变涂层，以匹配服役时表面的冲击角度变化，提高抗冲蚀能力。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法，根据塑性材料和脆性材料在不同冲击角度下表现出的抗冲蚀性能巨大差异，理论计算、软件仿真和试验相结合获取涂层的塑脆比(塑性材料占混合粉末的质量分数)、冲蚀率和冲击角度的对应关系，构建喷涂材料沿复杂型面表面渐变的涂层结构，使得涂层抗冲蚀性能匹配复杂型面各部位需求。
进一步的，本发明采用下述技术方案：
一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据复杂型面工件结构、工况条件，确定复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律；
步骤2：根据使用工况需求选择抗冲蚀涂层材料，包括脆性材料与塑性材料；
步骤3：采用步骤2的抗冲蚀涂层材料对工件进行喷涂，并进行冲蚀试验，测试得到抗冲蚀涂层的冲击角度-塑脆比-冲蚀率三者关系；
步骤4：根据步骤1和步骤3，结合复杂型面工件的冲蚀率阈值约束条件，确定抗冲蚀涂层的塑脆比与冲击角度的对应关系；
步骤5：由步骤4的对应关系，确定涂层塑脆比与复杂型面工件表面位置的对应关系，对复杂型面工件表面进行热喷涂。
进一步的，所述步骤1中，工况条件包括冲蚀粒子性能(种类、粒度、形状)和环境条件(气固两相流流速、压力和温度)。
进一步的，所述步骤1中，分析复杂型面工件服役工况，理论计算并提取气相边界条件与颗粒边界条件，采用流体仿真软件仿真分析得出复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律。
所述步骤2中，根据脆性材料和塑性材料的抗冲蚀性能，结合工件使用工况要求，具体确定抗冲蚀涂层材料中脆性材料和塑性材料的种类。
进一步的，所述步骤2中，抗冲蚀涂层材料由塑性材料和脆性材料机械混合而成。
进一步的，抗冲蚀涂层材料的塑脆比变化范围为[0,1]。
进一步的，所述步骤3的具体步骤为：
采用步骤2选择的脆性材料和塑性材料以不同混合比例配比得到的抗冲蚀涂层材料，对工件进行喷涂，采用正交试验法，设计多因素冲蚀试验，得到冲击角度、塑脆比和冲蚀率的试验数据，并拟合得到三者关系曲面。
进一步的，所述步骤4中，复杂型面工件的冲蚀率阈值约束条件根据复杂型面工件使用工况要求及额定寿命计算得出。
进一步的，所述步骤5中，以各冲击角度下冲蚀率平均值最小为优化目标，以步骤3确定的三者关系作为约束条件、以复杂型面工件表面各点所对应的冲击角度作为位置约束、设定塑脆比关于冲击角度的方程作为涂层塑脆比的连续性约束，最终获得工件表面不同位置、不同冲击角度下涂层的塑脆比，实现工件表面切向渐变涂层设计。
进一步的，所述步骤5中，利用送粉量实时可调的双路送粉热喷涂设备，通过控制器控制送粉量来实现塑脆比控制，对复杂型面工件表面进行热喷涂。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明能够在复杂型面表面设计出抗冲蚀性能匹配冲击角度变化的涂层，解决了均质材料涂层不能满足冲击角度大范围变化的复杂型面的抗冲蚀问题。
对于冲击角度变化范围大的复杂型面零部件，本发明得到的切向渐变涂层冲蚀更均匀，整体平均冲蚀率更低，可用于新品强化及损伤件尺寸修复，能有效提升使用寿命。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为入射粒子与复杂型面表面冲击角度示意图；
图2为脆性材料、塑性材料和改性材料的冲蚀率随冲击角度变化规律；
图3为涂层改性示意图；
图4为冲击角度-塑脆比-冲蚀率关系曲面。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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，采用均质脆性涂层强化或修复复杂型面零部件，无法满足涂层在各冲击角度下的抗冲蚀性能要求。为了解决如上技术问题，本申请提出了一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法，面向复杂型面不同区域抗冲蚀性能需求，依据脆性、塑性材料在不同冲击角度下抗冲蚀性能的差异(如图2所示)，构建基于性能驱动的切向渐变涂层体系，即在脆性涂层材料喷涂过程中混入塑性材料，通过改变塑脆比，使涂层性能匹配各部位的抗冲蚀性能，进而提高复杂型面零部件的使用寿命。现有技术中多是采用脆性材料制成单一均质脆性涂层，本发明方案中涂层塑脆比沿表面冲击角度的变化而变化。
本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据复杂型面工件结构、工况条件，确定复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律；
步骤2：根据使用工况需求选择抗冲蚀涂层材料，包括脆性材料与塑性材料；
步骤3：采用步骤2的抗冲蚀涂层材料对工件进行喷涂，并进行冲蚀试验，测试得到抗冲蚀涂层的冲击角度-塑脆比-冲蚀率三者关系；
步骤4：根据步骤1和步骤3，结合复杂型面工件的冲蚀率阈值约束条件，确定抗冲蚀涂层的塑脆比与冲击角度的对应关系；
步骤5：由步骤4的对应关系，确定涂层塑脆比与复杂型面工件表面位置的对应关系，对复杂型面工件表面进行热喷涂。
步骤1中，工况条件包括冲蚀粒子性能(种类、粒度、形状)和环境条件(气固两相流流速、压力和温度)。
步骤1中，分析复杂型面工件服役工况，理论计算并提取气相边界条件与颗粒边界条件，采用流体仿真软件仿真分析得出复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律。
所述步骤2中，根据脆性材料和塑性材料的抗冲蚀性能，结合工件使用工况要求，具体确定抗冲蚀涂层材料中脆性材料和塑性材料的种类。
步骤2中，抗冲蚀涂层材料由塑性材料和脆性材料机械混合而成。抗冲蚀涂层材料的塑脆比变化范围为[0,1]。
步骤3的具体步骤为：
采用步骤2选择的脆性材料和塑性材料以不同混合比例配比得到的抗冲蚀涂层材料，对工件进行喷涂，采用正交试验法，设计多因素(冲击角度、塑脆比)冲蚀试验，得到冲击角度、塑脆比和冲蚀率的试验数据，并利用Matlab拟合得到三者关系曲面。
步骤4中，复杂型面工件的冲蚀率阈值约束条件根据复杂型面工件使用工况要求及额定寿命计算得出。
步骤5中，以各冲击角度下冲蚀率平均值最小为优化目标，以步骤3确定的三者关系作为约束条件、以复杂型面工件表面各点所对应的冲击角度作为位置约束、设定塑脆比关于冲击角度的方程为多项式函数作为涂层塑脆比的连续性约束，最终获得工件表面不同位置、不同冲击角度下涂层的塑脆比，实现零部件表面切向渐变涂层设计。
步骤5中，利用送粉量实时可调的双路送粉热喷涂设备，通过控制器控制送粉量来实现塑脆比控制，对复杂型面工件表面进行热喷涂。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
以西气东输工程中常用的压缩机叶片(基体材料为FV520B)为例，表面喷涂TiB2-M涂层(其中“TiB2”为脆性陶瓷材料、“M(Metal)”为塑性金属材料，以“M”与“TiB2”的质量比为塑脆比)的设计方法，具体包括下列步骤：
(1)明确压缩机叶片型号、工况、额定寿命；
(2)确定压缩机叶片表面冲击角度变化规律：根据叶片的运行环境条件(气固两相流流速、压力和温度等)和冲蚀粒子特征(种类、粒度、形状)，理论计算并提取气相边界条件与颗粒边界条件，利用Fluent等流体仿真软件模拟分析叶片表面冲击角度变化规律，获取冲击角度与叶片极坐标的关系α＝g(θ)；
(3)确定抗冲蚀涂层材料：分析压缩机叶片使用工况(如温度、湿度、风速、颗粒物大小等)、涂层性能要求(对涂层的耐腐蚀性、耐高温、耐冲蚀性的要求等)、涂层与基体材料的结合特性(对结合强度的要求等)等，选择TiB2-M涂层体系。根据M与TiB2润湿性能，选取金属Ni、Co、Fe或Cr为塑性材料；
(4)确定涂层“冲击角度-塑脆比-冲蚀率”关系：采用上一步骤确定的TiB2-M涂层体系，利用正交试验法获取冲击角α(0°-90°)、塑脆比k(0％-100％)、冲蚀率ε三者试验数据，利用Matlab软件拟合三者关系方程ε＝f(k,α)及响应曲面，如图4所示。
(5)切向渐变涂层与叶片表面冲击角度的匹配：以各冲击角度下冲蚀率平均值最小为优化目标，以冲蚀率关于塑脆比和冲击角度的方程ε＝f(k,α)作为约束条件、以叶片表面上各点的冲击角度方程α＝g(θ)作为位置约束、设定塑脆比关于冲击角度的方程为多项式函数作为涂层塑脆比的连续性约束，求解各项系数mi。从而获得叶片表面不同位置、不同冲击角度下涂层的塑脆比，实现叶片表面切向渐变涂层设计。
(6)喷涂涂层：基于切向渐变涂层与叶片表面冲击角度匹配关系，利用送粉量实时可调的双路送粉热喷涂设备，进行喷涂。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1：根据复杂型面工件结构、工况条件，确定复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律；
所述步骤1中，分析复杂型面工件服役工况，理论计算并提取气相边界条件与颗粒边界条件，采用流体仿真软件仿真分析得出复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律；
步骤2：根据使用工况需求选择抗冲蚀涂层材料，包括脆性材料与塑性材料；
步骤3：采用步骤2的抗冲蚀涂层材料对工件进行喷涂，并进行冲蚀试验，测试得到抗冲蚀涂层的冲击角度-塑脆比-冲蚀率三者关系；
步骤4：根据步骤1和步骤3，结合复杂型面工件的冲蚀率阈值约束条件，确定抗冲蚀涂层的塑脆比与冲击角度的对应关系；
步骤5：由步骤4的对应关系，确定涂层塑脆比与复杂型面工件表面位置的对应关系，对复杂型面工件表面进行热喷涂。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征是，所述步骤1中，工况条件包括冲蚀粒子性能和环境条件。
3.如权利要求1所述的设计方法，其特征是，所述步骤2中，根据脆性材料和塑性材料的抗冲蚀性能，结合工件使用工况要求，具体确定抗冲蚀涂层材料中脆性材料和塑性材料的种类。
4.如权利要求1所述的设计方法，其特征是，所述步骤2中，抗冲蚀涂层材料由塑性材料和脆性材料机械混合而成。
5.如权利要求4所述的设计方法，其特征是，抗冲蚀涂层材料的塑脆比变化范围为[0,1]。
6.如权利要求1所述的设计方法，其特征是，所述步骤3的具体步骤为：
采用步骤2选择的脆性材料和塑性材料以不同混合比例配比得到的抗冲蚀涂层材料，对工件进行喷涂，采用正交试验法，设计多因素冲蚀试验，得到冲击角度、塑脆比和冲蚀率的试验数据，并拟合得到三者关系曲面。
7.如权利要求1所述的设计方法，其特征是，所述步骤4中，复杂型面工件的冲蚀率阈值约束条件根据复杂型面工件使用工况要求及额定寿命计算得出。
8.如权利要求1所述的设计方法，其特征是，所述步骤5中，以各冲击角度下冲蚀率平均值最小为优化目标，以步骤3确定的三者关系作为约束条件、以复杂型面工件表面各点所对应的冲击角度作为位置约束、设定塑脆比关于冲击角度的方程作为涂层塑脆比的连续性约束，最终获得工件表面不同位置、不同冲击角度下涂层的塑脆比。
9.如权利要求1所述的设计方法，其特征是，所述步骤5中，利用送粉量实时可调的双路送粉热喷涂设备，通过控制器控制送粉量来实现塑脆比控制，对复杂型面工件表面进行热喷涂。
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