CN109261466B - 一种考虑沉积率修正的功能梯度涂层设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑沉积率修正的功能梯度涂层设计方法，其根据塑性材料与脆性材料的沉积率差异，修正双路送粉热喷涂设备的各送粉速率，以保证塑脆比实际值与理论值吻合，其技术方案为：确定工件表面抗冲蚀涂层的塑脆比理论值与冲击角度的对应关系；由该对应关系，对工件表面进行热喷涂，测试得出工件表面在各冲击角度下的塑脆比实际值；由塑脆比设定值、塑脆比实际值，结合塑脆比理论值与冲击角度的对应关系，得出抗冲蚀涂层修正的塑脆比设定值与冲击角度的对应关系，从而修正塑脆比设定值；由修正的塑脆比设定值，对工件表面进行热喷涂，得到修正的塑脆比实际值，验证修正的塑脆比实际值与理论值是否吻合。

Description

一种考虑沉积率修正的功能梯度涂层设计方法

技术领域

本发明涉及热喷涂技术领域，特别是涉及一种考虑沉积率修正的功能梯度涂层设计方法。

背景技术

叶轮叶片作为气体增压设备的关键零部件，空间几何结构复杂，服役中，受气固两相流冲蚀磨损，叶片减薄是其重要损伤形式，利用热喷涂技术制备抗冲蚀涂层，是修复减薄损伤及新品表面强化的重要途径之一。

叶轮叶片型面复杂，冲击角度变化范围大，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，均质脆性或均质塑性涂层都无法满足其在变冲击角度下的抗冲蚀性能需求。

以脆性金属陶瓷材料为主材，添加塑性金属材料为改性辅材，设计一种功能梯度涂层，与常见功能梯度涂层材料成分沿涂层法向渐变不同，该涂层材料成分(塑脆比，即塑性金属材料在金属-金属陶瓷混合涂层材料中的质量占比)沿涂层切向渐变，以匹配叶片各区域变冲击角度下抗冲蚀性能需求。

在实际应用中，金属材料与金属陶瓷材料因材料属性及热熔融状态不一致等原因，沉积率有显著差异。利用双路送粉热喷涂设备开展热喷涂，若设备的塑脆比设定值与塑脆比理论值一致，分别进行金属粉末、金属陶瓷粉末喂料，会导致所制备涂层的塑脆比实际值失真，与塑脆比理论值差异较大，无法满足抗冲蚀性能要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种考虑沉积率修正的功能梯度涂层设计方法，其根据塑性材料与脆性材料的沉积率差异，通过修正双路送粉热喷涂设备的各送粉速率来修正塑脆比设定值，以保证塑脆比实际值与理论值吻合；

进一步的，本发明采用下述技术方案：

一种考虑沉积率修正的功能梯度涂层设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定工件表面抗冲蚀涂层的塑脆比理论值与冲击角度的对应关系；

步骤2：由步骤1的对应关系，利用塑脆比理论值作为塑脆比设定值，对工件表面进行热喷涂，测试得出工件表面在各冲击角度下的塑脆比实际值；

步骤3：拟合步骤2中的塑脆比实际值与塑脆比设定值关系，结合步骤1的对应关系，得出抗冲蚀涂层修正的塑脆比设定值与冲击角度的对应关系，从而修正塑脆比设定值；

步骤4：由步骤3修正的塑脆比设定值，对工件表面进行热喷涂，得到修正后的塑脆比实际值，验证修正后的塑脆比实际值与理论值是否吻合。

步骤1中的对应关系，采用申请人已经申报的申请号为2017112982315的专利中的方法得出。

进一步的，所述步骤2的具体步骤为：

由步骤1的对应关系，得出抗冲蚀涂层各冲击角度所对应的塑脆比理论值，利用塑脆比理论值作为双路送粉热喷涂设备的塑脆比设定值，计算得出各冲击角度下双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的转速，进而对工件表面进行热喷涂，测试得出工件表面塑性材料和脆性材料的沉积质量，进而计算得出工件表面在各冲击角度下的塑脆比实际值。

进一步的，所述步骤2中，送粉电机转速的得出步骤为：

根据抗冲蚀涂层的总送粉速率、双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的送粉速率，由送粉电机转速与塑脆比设定值、总送粉速率、每一路的送粉速率的关系，计算得出各冲击角度下路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的转速。

进一步的，所述步骤2中，塑脆比实际值的得出步骤为：

分别测量工件在热喷涂前、后的质量，得出塑性材料、脆性材料的沉积总质量；采用原子发射光谱法分析工件表面抗冲蚀涂层中的元素构成及含量；由抗冲蚀涂层中设定元素的含量，以及该设定元素在塑性材料、脆性材料中的质量占比，得出塑性材料、脆性材料的沉积质量，进而得出工件表面在各冲击角度下的塑脆比实际值。

进一步的，所述步骤3的具体步骤为：

利用Matlab软件，导入各冲击角度下塑脆比设定值和塑脆比实际值数据，进而拟合得到塑脆比设定值和塑脆比实际值之间的函数关系；令塑脆比实际值与塑脆比理论值相等，结合步骤1中塑脆比理论值与冲击角度的对应关系，得出修正的塑脆比设定值与冲击角度的对应关系。

进一步的，所述步骤4的具体步骤为：

由步骤3中各冲击角度所对应的修正的塑脆比设定值，计算得出各冲击角度下双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的转速，进而对工件表面进行热喷涂，测试得出工件表面塑性材料和脆性材料的沉积质量，进而计算得出工件表面在各冲击角度下的修正后的塑脆比实际值，验证修正后的塑脆比实际值与塑脆比理论值是否吻合，若不吻合，则重复步骤3-4，直至二者吻合。

进一步的，所述步骤4中，送粉电机转速的得出步骤为：

根据抗冲蚀涂层的总送粉速率、双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的送粉速率，由送粉电机转速与修正的塑脆比设定值、总送粉速率、每一路的送粉速率的关系，计算得出各冲击角度下路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的转速。

进一步的，所述步骤4中，修正的塑脆比实际值的得出步骤为：

分别测量工件在热喷涂前、后的质量，得出塑性材料、脆性材料的沉积总质量；采用原子发射光谱法分析工件表面抗冲蚀涂层中的元素构成及含量；由抗冲蚀涂层中设定元素的含量，以及该设定元素在塑性材料、脆性材料中的质量占比，得出塑性材料、脆性材料的沉积质量，进而得出工件表面在各冲击角度下的修正后的塑脆比实际值。

进一步的，所述步骤4中，验证修正的塑脆比实际值与塑脆比理论值是否吻合的条件为：

计算修正后的塑脆比实际值与塑脆比理论值的误差，若误差低于既定值，判定二者吻合；若误差高于既定值，则判定二者不吻合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用塑性材料与脆性材料的沉积率差异，通过修正双路送粉热喷涂设备的各送粉速率来修正塑脆比设定值，保证最终得到的切向渐变功能梯度涂层的塑脆比实际值与塑脆比理论值一致，从而使涂层抗冲蚀性能有效匹配冲击角度变化。

对于冲击角度变化范围大的复杂型面零部件，本发明引入实际应用中塑性材料、脆性材料沉积率差异，修正双路送粉热喷涂设备的各送粉速率，可以保证所制备涂层的塑脆比实际值与理论设计值吻合，对实际功能梯度涂层的热喷涂具有重要的指导意义。

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为入射粒子冲击角度示意图；

图2为不同材料冲蚀率与冲击角度关系示意图；

图3为各改性涂层示意图；

图4为切向渐变功能梯度涂层的冲击角度-塑脆比-冲蚀率三者关系示意图。

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，在实际应用中，塑性材料与脆性材料因材料属性及热熔融状态不一致，沉积率有明显差异，所制备的切向渐变功能梯度涂层塑脆比实际值失真，无法匹配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，本申请提出了一种考虑沉积率修正的功能梯度涂层设计方法，考虑塑性材料与脆性材料沉积率差异，利用塑脆比实际值与塑脆比设定值关系，通过修正双路送粉热喷涂设备的各送粉速率来修正塑脆比设定值，修正后，实现塑脆比实际值与塑脆比理论值吻合。而现有切向渐变功能梯度涂层设计与制备技术中未考虑沉积率影响因素，本发明方案中双路送粉热喷涂设备的各送粉速率经沉积率修正，得到的塑脆比实际值与理论值可以达到吻合。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种考虑沉积率修正的功能梯度涂层设计方法，包括以下步骤：

(1)根据申请人已经申报的申请号为2017112982315的专利中的方法，得出工件表面抗冲蚀涂层的塑脆比-冲击角度的对应关系，此处得到的塑脆比即为抗冲蚀涂层的塑脆比理论值。

(2)采用(1)中的各冲击角度所对应的塑脆比理论值，利用塑脆比理论值作为双路送粉热喷涂设备的塑脆比设定值，计算并设定各冲击角度下双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的转速；本发明中对工件进行热喷涂得到功能梯度涂层采用的是双路送粉热喷涂设备，该设备可以采用申请人已经申报的申请号为2017112970943的专利中所给出的装置，该设备具有两个送粉器分别送塑性材料和脆性材料，送粉器可以采用刮板式送粉器，每一送粉器均由一电机带动送粉，电机的转速即可决定每一材料的送粉量。本发明中并不对双路送粉热喷涂设备的结构进行改进。

(3)在工件表面开展热喷涂试验，测试、计算各冲击角度下塑脆比实际值。

(4)利用各冲击角度下塑脆比设定值与所测塑脆比实际值数据，拟合塑脆比设定值-塑脆比实际值对应关系，并结合步骤1中塑脆比-冲击角度关系，获得抗冲蚀涂层修正的塑脆比设定值与冲击角度的对应关系，从而修正塑脆比设定值。

(5)利用(4)中修正后的塑脆比设定值，按照(2)所述的计算方法，计算修正后各冲击角度下双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的电机转速。

(6)利用(5)中修正后的电机转速对工件表面进行热喷涂，验证所获得的修正后的塑脆比实际值与塑脆比理论值是否吻合。

进一步的，(1)的具体步骤为：

利用正交试验法，测试各冲击角度[0°,90°]、各塑脆比[0,1]涂层的冲蚀率，并利用Matlab软件拟合“冲击角度-塑脆比-冲蚀率”三者关系；结合工件的冲蚀率阈值约束条件，确定工件表面抗冲蚀涂层的塑脆比-冲击角度对应关系，该塑脆比即为塑脆比理论值。

进一步的，(2)的具体步骤为：

根据塑性材料与脆性材料总送粉速率、双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机单位转速下的送粉速率，计算各冲击角度下每一路送粉电机的转速，并通过双路送粉热喷涂设备控制面板设置各路送粉电机转速。

(2)中，总送粉速率由设备参数及涂层性能要求综合决定，其中，设备制造商给出了各种粉末材料热喷涂的总送粉速率推荐值，结合涂层应用的性能需求，通过试验进行工艺优化，确定总送粉速率优化值。在已知采用何种塑性材料、脆性材料的前提下，根据以上内容即可得知总送粉速率。

(2)中，以刮板式送粉器为例，每一路的送粉速率由刮板式送粉器单位转速内刮粉体积、粉末密度共同决定。确定送粉器以及粉末密度后，即可确定每一路的送粉速率。

进一步的，(3)中的具体步骤为：

开展热喷涂试验，测试样件工件喷涂前、喷涂后质量，计算粉末沉积总质量；利用原子发射光谱AES分析涂层中元素构成及其含量；根据涂层中关键元素的含量，反求塑性材料与脆性材料的沉积质量，计算各冲击角度下塑脆比实际值。

进一步的，(4)的具体步骤为：

利用Matlab软件，导入各冲击角度下塑脆比设定值与步骤2所测得的塑脆比实际值数据，拟合二者之间函数关系；为修正差异，令塑脆比实际值与塑脆比理论值相等，复合步骤1中塑脆比-冲击角度关系，获得抗冲蚀涂层修正的塑脆比设定值与冲击角度的对应关系，从而修正塑脆比设定值。

进一步的，(5)中的具体步骤为：

利用(4)中修正后的塑脆比设定值，按照(2)所述计算方法，计算修正后各冲击角度下双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的电机转速，并通过双路送粉热喷涂设备控制面板设置各路送粉电机转速，进行修正。

进一步的，(6)的具体步骤为：

利用修正后的送粉电机转速，对另一同等工件进行热喷涂，利用(3)所述方法，计算、测试利用修正后的塑脆比设定值喷涂所获得的修正后的塑脆比实际值，并计算修正后的塑脆比实际值与理论值的误差。若误差低于既定值，则判定二者数据吻合，反之若误差高于既定值，则判定二者不吻合，则重复步骤4-步骤6继续修正，直至误差低于既定值。具体实施时，既定值可根据实际需求进行选择，既定值可在3％-5％范围内选择。

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，塑性材料选择金属材料CrNi，脆性材料选择金属陶瓷材料Cr₃C₂-CrNi，二者沉积率差异大，考虑沉积率修正的功能梯度热喷涂涂层的设计方法，具体包括下列步骤：

(1)确定涂层塑脆比-冲击角度关系：采用CrNi、Cr₃C₂-CrNi涂层体系，利用正交试验法获取冲击角度α[0°,90°]、塑脆比k[0,1]、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；以各冲击角度下冲蚀率平均值最小

为优化目标，以额定寿命约束下的ε_max为冲蚀率阈值、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、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λ_i，从而获得塑脆比与冲击角度关系k＝f(α)，该塑脆比即为塑脆比理论值k_理论。

(2)计算、设定送粉电机转速：利用塑脆比理论值作为热喷涂设备的塑脆比设定值，即k_设定＝k_理论，形成塑脆比设定值集K_设定＝{k_设定1，k_设定2，...k_设定i，...，k_设定n}；根据各冲击角度下塑脆比设定值k_设定i、CrNi与Cr₃C₂-CrNi涂层总送粉速率v、双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机单位转速下的送粉速率v₁与v₂，计算各冲击角度下每一路送粉电机的转速n_i1＝k_iv/v₁，n_i2＝k_iv/v₂，并通过双路送粉热喷涂设备控制面板设置每一路送粉电机转速n_i1、n_i2。

(3)试验、测试、计算塑脆比实际值：开展热喷涂试验，测试CrNi、Cr₃C₂-CrNi涂层总沉积质量m_i；利用原子发射光谱AES分析涂层中元素构成及其含量；根据涂层中关键元素Cr的质量占比、元素Cr分别在CrNi和Cr₃C₂-CrNi中的质量占比，计算CrNi材料沉积质量m_i1、Cr₃C₂-CrNi材料沉积质量m_i2及塑脆比实际值k_实际i，形成塑脆比实际值集K_实际＝{k_实际1，k_实际2，...k_实际i，...，k_实际n}。

(4)塑脆比修正：利用Matlab软件，导入塑脆比设定值集K_设定与步骤(3)所测得的塑脆比实际值集K_实际数据，拟合二者之间函数关系k_实际＝g(k_设定)；为修正差异，令塑脆比实际值与塑脆比理论值相等(此处相等的含义为赋值的概念，即为将塑脆比理论值赋给塑脆比实际值)，即k_实际＝k_理论，则获得k_理论＝g(k_设定)；复合(1)中塑脆比理论值-冲击角度k-α关系k＝f(α)，则f(α)＝g(k_设定)，整理后获得修正后的塑脆比设定值与冲击角度的关系

(5)计算、设定修正后的送粉电机转速：利用(4)中的修正后的塑脆比设定值与冲击角度关系

按照(2)所述计算方法，计算修正后各冲击角度下双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的转速n′_i1、n′_i2。

(6)试验验证与误差评价：利用(5)中修正后的电机转速进行热喷涂，利用(3)方法计算修正后所获得的塑脆比实际值k′_实际，并计算塑脆比实际值与塑脆比理论值的误差Δ＝(k′_实际-k_理论)/k_理论。若Δ＞3％，则重复步骤4-步骤6继续修正，直至Δ＜3％。

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)

1.一种考虑沉积率修正的功能梯度涂层设计方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：确定工件表面抗冲蚀涂层的塑脆比理论值与冲击角度的对应关系；

步骤2：由步骤1的对应关系，利用塑脆比理论值作为塑脆比设定值，对工件表面进行热喷涂，测试得出工件表面在各冲击角度下的塑脆比实际值；

步骤3：由步骤2的塑脆比实际值与塑脆比设定值关系，结合步骤1的对应关系，得出抗冲蚀涂层修正的塑脆比设定值与冲击角度的对应关系，从而修正塑脆比设定值；

步骤4：由步骤3修正的塑脆比设定值，对工件表面进行热喷涂，得到修正后的塑脆比实际值，验证修正后的塑脆比实际值与理论值是否吻合；

所述步骤1具体为：利用正交试验法，测试各冲击角度[0°,90°]、各塑脆比[0,1]涂层的冲蚀率，并利用Matlab软件拟合“冲击角度-塑脆比-冲蚀率”三者关系；结合工件的冲蚀率阈值约束条件，确定工件表面抗冲蚀涂层的塑脆比-冲击角度对应关系，该塑脆比即为塑脆比理论值。

2.如权利要求1所述的功能梯度涂层设计方法，其特征是，所述步骤2的具体步骤为：

由步骤1的对应关系，得出抗冲蚀涂层各冲击角度所对应的塑脆比理论值，利用塑脆比理论值作为双路送粉热喷涂设备的塑脆比设定值，计算得出各冲击角度下双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的转速，进而对工件表面进行热喷涂，测试得出工件表面塑性材料和脆性材料的沉积质量，进而计算得出工件表面在各冲击角度下的塑脆比实际值。

3.如权利要求2所述的功能梯度涂层设计方法，其特征是，所述步骤2中，送粉电机转速的得出步骤为：

根据抗冲蚀涂层的总送粉速率、双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的送粉速率，由送粉电机转速与塑脆比设定值、总送粉速率、每一路的送粉速率的关系，计算得出各冲击角度下路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的转速。

4.如权利要求2所述的功能梯度涂层设计方法，其特征是，所述步骤2中，塑脆比实际值的得出步骤为：

分别测量工件在热喷涂前、后的质量，得出塑性材料、脆性材料的沉积总质量；采用原子发射光谱法分析工件表面抗冲蚀涂层中的元素构成及含量；由抗冲蚀涂层中设定元素的含量，以及该设定元素在塑性材料、脆性材料中的质量占比，得出塑性材料、脆性材料的沉积质量，进而得出工件表面在各冲击角度下的塑脆比实际值。

5.如权利要求1所述的功能梯度涂层设计方法，其特征是，所述步骤3的具体步骤为：

利用Matlab软件，导入各冲击角度下塑脆比设定值和塑脆比实际值数据，进而拟合得到塑脆比设定值和塑脆比实际值之间的函数关系；令塑脆比实际值与塑脆比理论值相等，结合步骤1中塑脆比理论值与冲击角度的对应关系，得出修正的塑脆比设定值与冲击角度的对应关系。

6.如权利要求1所述的功能梯度涂层设计方法，其特征是，所述步骤4的具体步骤为：

由步骤3中各冲击角度所对应的修正的塑脆比设定值，计算得出各冲击角度下双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的转速，进而对工件表面进行热喷涂，测试得出工件表面塑性材料和脆性材料的沉积质量，进而计算得出工件表面在各冲击角度下的修正后的塑脆比实际值，验证修正后的塑脆比实际值与塑脆比理论值是否吻合，若不吻合，则重复步骤3-4，直至二者吻合。

7.如权利要求6所述的功能梯度涂层设计方法，其特征是，所述步骤4中，送粉电机转速的得出步骤为：

根据抗冲蚀涂层的总送粉速率、双路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的送粉速率，由送粉电机转速与修正的塑脆比设定值、总送粉速率、每一路的送粉速率的关系，计算得出各冲击角度下路送粉热喷涂设备每一路送粉电机的转速。

8.如权利要求6所述的功能梯度涂层设计方法，其特征是，所述步骤4中，修正的塑脆比实际值的得出步骤为：

分别测量工件在热喷涂前、后的质量，得出塑性材料、脆性材料的沉积总质量；采用原子发射光谱法分析工件表面抗冲蚀涂层中的元素构成及含量；由抗冲蚀涂层中设定元素的含量，以及该设定元素在塑性材料、脆性材料中的质量占比，得出塑性材料、脆性材料的沉积质量，进而得出工件表面在各冲击角度下的修正后的塑脆比实际值。

9.如权利要求1或6所述的功能梯度涂层设计方法，其特征是，所述步骤4中，验证修正的塑脆比实际值与塑脆比理论值是否吻合的条件为：

计算修正后的塑脆比实际值与塑脆比实际值的误差，若误差低于既定值，判定二者吻合；若误差高于既定值，则判定二者不吻合。

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