CN110032798B - 一种双向功能梯度涂层设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向功能梯度涂层设计方法，在基体与功能层之间设计呈双向梯度的过渡层，包括以下步骤：步骤1：确定功能层的复合比与冲击角度的对应关系；步骤2：得到功能层的复合比切向梯度分布形式；步骤3：对过渡层的复合比法向梯度分布形式进行设计；步骤4：得到过渡层复合比的双向梯度分布形式；步骤5：计算步骤4得到的由功能层和过渡层构成的涂层的各项性能参数；步骤6：分析过渡层的复合比法向梯度分布形式对热应力影响；步骤7：改变步骤3中进行过渡层法向梯度分布形式设计时的设计参数，迭代步骤3‑步骤6，直至热应力达到设定值，得到满足需要的涂层，采用本发明设计方法的涂层综合服役性能高。

Description

一种双向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，具体涉及一种双向功能梯度涂层设计方法。

背景技术

针对涂层与基体间存在的热物理性能差异，一般的，通过设计过渡层，实现材料性能的过渡，缩小涂层与基体材料间性能差异，减小层间热应力。

切向功能梯度涂层由两种或两种以上材料复合而成，如图1所示，其材料配伍沿零部件表面切向方向梯度变化，能有效提高涂层的抗冲蚀性能。

发明人发现，与传统均质涂层不同，切向功能梯度涂层的材料配伍是沿切向呈梯度变化，采用传统切向功能梯度涂层设计方法得到的涂层喷涂到基体后热应力显著，容易开裂和剥落，传统过渡层设计方法得到的过渡层无法适应切向功能梯度涂层的热应力缓和需求，导致涂层热应力显著。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种双向功能梯度涂层设计方法，在功能层与基体间设计一种沿法向和切向呈双向梯度变化的过渡层，克服了切向功能梯度涂层热应力显著的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种双向功能梯度涂层设计方法，在基体与用于抗冲蚀的功能层之间设计呈双向梯度的过渡层，具体包括以下步骤：

步骤1：以工件的冲蚀率阈值为约束条件，确定功能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及步骤1得到的复合比与冲击角度的对应关系，得到功能层的复合比切向梯度分布形式。

步骤3：对过渡层的复合比法向梯度分布形式进行设计。

步骤4：根据步骤2和步骤3得到的功能层复合比切向梯度分布形式及过渡层复合比的法向梯度分布形式，得到过渡层复合比的双向梯度分布形式。

步骤5：计算步骤4得到的由功能层和过渡层构成的涂层的各项性能参数。

步骤6：基于步骤5得到的涂层的各项性能参数，分析过渡层的复合比法向梯度分布形式对热应力影响。

步骤7：改变步骤3中进行过渡层法向梯度分布形式设计时的设计参数，迭代步骤3-步骤6，直至热应力达到设定值，得到满足需要的涂层。

本发明得到的双向功能梯度涂层，考虑了切向方向复合比梯度变化，制备切向与法向双向功能梯度涂层，功能层的切向梯度保障涂层优异的抗冲蚀性能，过渡层的双向梯度适应功能层的切向梯度变化，以缓和热应力，能提升涂层综合服役性能。

本发明的有益效果：

本发明在切向功能梯度的功能层与基体间制备呈双向梯度变化的过渡层，克服了涂层材料与基体材料因热膨胀系数、弹性模量与热导率等性能差异较大而造成的应力集中问题，避免了涂层的开裂和剥落。

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限定。

图1为切向功能梯度涂层示意图；

图2为本实施例设计方法流程图；

图3为采用本实施例设计方法得到的涂层示意图；

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，切向功能梯度涂层的材料配伍沿切向呈梯度变化，法向梯度变化的传统过渡层无法适应切向功能梯度涂层的热应力缓和需求，导致涂层热应力显著，针对上述问题，本申请提出了一种双向功能梯度涂层设计方法。

本发明中所述的“复合比”是指：复合材料中某种成分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，“功能层”是指主要起抗冲蚀作用的涂层部分，“双向梯度分布”是指沿涂层切向和法向的梯度分布。

本发明提供了一种双向功能梯度涂层设计方法，在基体与用于抗冲蚀的功能层之间设计呈双向梯度的过渡层，包括以下具体步骤：

步骤1：以工件基体的冲蚀率阈值为约束条件，确定功能层的复合比与冲击角度的对应关系。

步骤2：根据工件基体表面冲击角度分布规律及步骤1得到的复合比与冲击角度的对应关系，得到功能层的复合比切向梯度分布形式。

步骤3：对过渡层的复合比法向梯度分布形式进行设计。

步骤4：根据步骤2和步骤3得到的功能层复合比切向梯度分布形式及过渡层复合比的法向梯度分布形式，得到过渡层复合比的双向梯度分布形式。

步骤5：计算步骤4得到的由功能层和过渡层构成的涂层的各项性能参数。

步骤6：基于步骤5得到的涂层的各项性能参数，分析过渡层的复合比法向梯度分布形式对热应力影响。

步骤7：改变步骤3中进行过渡层法向梯度分布形式设计时的设计参数，迭代步骤3-步骤6，直至热应力达到设定值，得到满足需要的涂层。

进一步的，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。

功能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，首先确定工件与冲蚀粒子间的冲击角度变化规律，然后对工件进行喷涂，并进行冲蚀实验，得到涂层冲击角度-复合比-冲蚀率三者之间关系，再根据冲蚀率阈值约束条件，确定涂层复合比与冲击角度对应关系。

进一步的，所述步骤2的具体步骤为：将功能层区域沿切向进行离散化，将连续的工件与冲击角度的对应关系转变为多个离散化区域与多个冲击角度的对应关系，根据步骤1得到的复合比与冲击角度的对应关系，得到不同离散化区域对应的复合比。本领域技术人员可根据实际工况进行确定离散化区域的数量。

进一步的，所述步骤3的具体步骤为：将过渡层区域沿法向进行离散化，在一个区域内取一点，利用幂函数法

得到该点的组分配伍；

其中，y为点到基体的距离，d为过渡层的厚度，p为涂层组分的分布指数；

在不同区域内取点，得到过渡层沿法向方向不同区域内的组分配伍。

本领域技术人员可根据实际情况确定过渡层的厚度及过渡层沿法向离散化区域的数量(3层、5层等)，涂层组分的分布指数可由本领域技术人员进行选取(1、2、1/2等)。

进一步的，所述步骤4的具体步骤为：计算过渡层沿法向各个区域的F(y)值与功能层沿切向不同区域的复合比的乘积，得到过渡层沿切向不同区域的复合比，进而过渡层双向梯度分布形式。

进一步的，所述步骤5中，涂层的各项性能参数包括弹性模量、泊松比、密度、切变模量及屈服极限。得到涂层各项性能参数可采用现有的材料参数计算方法，在此不进行详细叙述。

进一步的，所述步骤6中，利用有限元仿真软件分析过渡层的复合比法向梯度分布形式对热应力影响。

进一步的，所述步骤6中，在有限元仿真软件中利用生死单元法分析过渡层的法向梯度分布形式对热应力分布的影响。

进一步的，所述步骤7中，改变涂层组分的分布指数p，反复迭代步骤3-步骤6，直至热应力达到设定值，得到满足需要的涂层。

进一步的，所述过渡层与工件基体之间设置粘结层，增强过渡层与基体的结合强度。

下面结合具体实施例1对本发明作详细说明：

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-M涂层(其中“Cr₃C₂”为脆性陶瓷材料、“M (Metal)”为韧性金属材料，以“M”在复合涂层中的质量占比为复合比)的设计方法，如图2所示，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k＝w(a)。

其中k为功能层的复合比，α为冲击角度。

步骤2：将功能层区域沿切向进行离散化，将连续的工件与冲击角度的对应关系α＝g(θ)(θ为叶片表面的位置参数)转变为多个离散化区域与多个冲击角度的对应关系，根据步骤1得到的复合比与冲击角度的对应关系，得到不同离散化区域对应的复合比(k₁、k₂、k₃…)，实现了功能层的复合比切向功能梯度分布形式的设计。

步骤3：将过渡层按照法向方向进行离散化，根据实际工况划分为三层，每层中取一个点(取中间部位点)，利用幂函数法

设计涂层各过渡层中金属材料的法向梯度分布形式，其中F(y)为过渡层中该点位置的组分配伍，d为过渡层厚度，y为该点到工件基体的距离，p为涂层组分的分布指数。

得到三层的某点处的组分配伍分别为F₁(y)、F₂(y)、F₃(y)。

步骤4：计算过渡层沿法向各个区域的F(y)值与功能层沿切向不同区域的复合比的乘积，得到过渡层沿切向不同区域的复合比，得到过渡层双向梯度分布形式。具体的：

F₁(y)对应的过渡层处沿切向不同区域的复合比为F₁(y)*k₁、 F₁(y)*k₂、F₁(y)*k₃……

F₂(y)对应的过渡层处沿切向不同区域的复合比为F₂(y)*k₁、F₂(y)*k₂、F₂(y)*k₃……

F₃(y)对应的过渡层处沿切向不同区域的复合比为F₃(y)*k₁、 F₃(y)*k₂、F₃(y)*k₃……

进而得到过渡层复合比的双向梯度分布形式。

步骤5：基于上述步骤得到的功能层及过渡层，利用现有的材料计算方法，得到涂层的弹性模量、泊松比、密度、切变模量及屈服极限。

步骤6：将步骤5得到的涂层各项参数输入到有限元仿真软件中，利用生死单元法分析过渡层复合比的法向梯度分布形式对热应力分布的影响。

步骤7：改变涂层组分的分布指数p，迭代步骤3-步骤6，直至有限元仿真软件中得到的热应力值减小至设定值，使涂层满足设计需求。

本实施例中，过渡层和工件基体之间还可以设置粘结层，用于增强过渡层与工件基体的粘结强度，粘结层采用现有粘结层用材料即可，在此不进行详细叙述。

采用本实施例的涂层设计方法得到的涂层，如图3所示，功能层的切向梯度保障涂层优异的服役性能，过渡层的双向梯度缓和热应力，能提升涂层综合服役性能。

通过在功能层及工件基体之间增设复合比呈双向梯度分布的过渡层，解决了金属陶瓷材料涂层与金属基体因热膨胀系数、弹性模量与热导率等性能差异较大而造成的应力集中的问题，避免了涂层开裂和剥落现象。

上述虽然结合附图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)

1.一种双向功能梯度涂层设计方法，其特征在于，在基体与用于抗冲蚀的功能层之间设计呈双向梯度的过渡层，包括以下具体步骤：

步骤1：以工件基体的冲蚀率阈值为约束条件，确定功能层的复合比与冲击角度的对应关系,具体为：首先确定工件与冲蚀粒子间的冲击角度变化规律，然后对工件进行喷涂，并进行冲蚀实验，得到涂层冲击角度-复合比-冲蚀率三者之间关系，再根据冲蚀率阈值约束条件，确定涂层复合比与冲击角度对应关系；

步骤2：根据工件基体表面冲击角度分布规律及步骤1得到的复合比与冲击角度的对应关系，得到功能层的复合比切向梯度分布形式；

步骤3：对过渡层的复合比法向梯度分布形式进行设计；

步骤4：根据步骤2和步骤3得到的功能层复合比切向梯度分布形式及过渡层复合比的法向梯度分布形式，得到过渡层复合比的双向梯度分布形式；

步骤5：计算步骤4得到的由功能层和过渡层构成的涂层的各项性能参数；

步骤6：基于步骤5得到的涂层的各项性能参数，分析过渡层的复合比法向梯度分布形式对热应力影响；

步骤7：改变步骤3中进行过渡层法向梯度分布形式设计时的设计参数，迭代步骤3-步骤6，直至热应力达到设定值，得到满足需要的涂层。

2.如权利要求1所述的一种双向功能梯度涂层设计方法，其特征在于，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。

3.如权利要求1所述的一种双向功能梯度涂层设计方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：将功能层区域沿切向进行离散化，将连续的工件与冲击角度的对应关系转变为多个离散化区域与多个冲击角度的对应关系，根据步骤1得到的复合比与冲击角度的对应关系，得到不同离散化区域对应的复合比。

4.如权利要求1所述的一种双向功能梯度涂层设计方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤为：将过渡层区域沿法向进行离散化，在一个区域内取一点，利用幂函数法

得到该点的组分配伍；

其中，y为点到基体的距离，d为过渡层的厚度，p为涂层组分的分布指数；

在不同区域内取点，得到过渡层沿法向方向不同区域内的组分配伍。

5.如权利要求4所述的一种双向功能梯度涂层设计方法，其特征在于，所述步骤4的具体步骤为：计算过渡层沿法向各个区域的F(y)值与功能层沿切向不同区域的复合比的乘积，得到过渡层沿切向不同区域的复合比，进而得到过渡层双向梯度分布形式。

6.如权利要求1所述的一种双向功能梯度涂层设计方法，其特征在于，所述步骤5中，涂层的各项性能参数包括弹性模量、泊松比、密度、切变模量及屈服极限。

7.如权利要求4所述的一种双向功能梯度涂层设计方法，其特征在于，所述步骤6中，利用有限元仿真软件分析过渡层的复合比法向梯度分布形式对热应力影响。

8.如权利要求7所述的一种双向功能梯度涂层设计方法，其特征在于，在有限元仿真软件中利用生死单元法分析过渡层的法向梯度分布形式对热应力分布的影响。

9.如权利要求7所述的一种双向功能梯度涂层设计方法，其特征在于，所述步骤7中，改变涂层组分的分布指数p，反复迭代步骤3-步骤6，直至热应力达到设定值，得到满足需要的涂层。

10.如权利要求1所述的一种双向功能梯度涂层设计方法，其特征在于，所述过渡层与工件基体之间设置粘结层。

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