CN111349933A - 一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法，即利用近恒间隙式沉积方法制备平面复杂曲线涂层。主要包括：利用电极在基体上进行直线沉积，获得相应的放电间隙和电极消耗规律，并借助Matlab软件算法，将二者带入参数化编程中，输出利用近恒间隙式沉积方法的数控沉积G代码程序；借助NURBS理论，设计一条NURBS曲线，以此为沉积对象，利用近恒间隙式沉积方法在平面上制备复杂曲线涂层。本发明所述一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法，既能实现对平面复杂曲线涂层制备过程的精确控制，又可提高沉积效率，从而解决点焊式沉积方法在沉积过程中带来的因空行程较多而效率较低的问题，具有极为广阔的工业应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及高能微弧火花数控沉积领域，具体地，涉及一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法。
背景技术
航空发动机和燃气轮机关键部件表面功能涂层的精确化制备一直是表面工程技术的难题，高能微弧火花沉积工艺，因其对基体表面热输入低、电极材料选择范围广、涂层-基体间冶金结合，以及可实现对所有导电、可熔的陶瓷和金属材料间的沉积与焊接，且具有省材、节能、环保等优点，使该工艺在航空发动机和燃气轮机功能涂层制备中具有广阔应用前景。该工艺与激光熔覆相比，具有成本低廉优点；与热喷涂相比，具有涂层-基体冶金结合优点；与磁控溅射相比，具有涂层制备效率高优点。因此可望在航空发动机和燃气轮机领域获得一种高效低成本且结合性能优良的功能涂层制备方法。然而，一直以来，电极旋转式高能微弧火花沉积采用手工操作方式，人为因素的介入造成沉积工艺过程可控性和再现性极差，更无法实现工业中越来越多复杂曲线曲面涂层的精确制备，如何实现复杂曲线涂层进而实现复杂曲面涂层的制备，从而满足航空发动机和燃气轮机复杂形状零件表面功能涂层的精确化制备，是该工艺面临的一项难题。已有的高能微弧火花点焊式数控沉积方法虽实现了对复杂曲线涂层制备过程的精确控制，但因沉积过程中具有较多的空行程，沉积效率有待进一步提高。因此，针对复杂曲线涂层高效数控沉积问题，本发明提出一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法，以实现在对复杂曲线涂层制备过程的精确控制，可以效率更高地完成复杂曲线涂层的沉积。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案主要包括：
a、利用电极在基体上进行直线或折线沉积，获得相应的放电间隙和电极消耗规律，并借助Matlab软件算法，将二者带入参数化编程中，输出利用近恒间隙式沉积方法的数控沉积G代码程序；
b、借助NURBS理论，设计一条NURBS曲线，以此为沉积对象，利用近恒间隙式沉积方法在平面上制备复杂曲线涂层。
进一步地，在步骤a中，近恒间隙式沉积方法如图1所示，实施过程为：(1)数控沉积程序控制电极以定位速度快速定位至B点；(2)再以接近速度下行至A点处接触工件后以提升速度回到B点完成引弧；(3)然后保持电极与基体之间间隙近似恒定维持持续放电过程以沉积速度实施沉积直至完成所有沉积点的沉积；(4)沉积完成后以返回速度返回至数控机床参考点。沉积试验中，定位速度范围为F1000～F9000，接近速度范围为F100～F500，提升速度范围为F100～F200，沉积速度范围为F10～F100，返回速度范围为F1000～F9000。
与点焊式沉积方法相比，近恒间隙式沉积方法具有以下几个特点：(1)在整个沉积过程中，近恒间隙式沉积一次引弧后电弧持续燃烧实施沉积，而点焊式沉积需要在一系列沉积点处执行“接近→接触(短路)放电→离开”的循环过程实施沉积；(2)近恒间隙式沉积没有多余的空行程，具有更高的沉积效率；(3)在近恒间隙式沉积方法中，电极-基体间隙要能满足放电条件才能保证电弧稳定持续放电。
高能微弧火花数控沉积工艺中，电压为20～240V，要实现电极-基体间氩气击穿放电，则需要严格控制电极-基体间隙，这使图1所示间隙a成为保证引弧和维弧的一个关键参数。另外，电极和基体材料不同则放电间隙范围也不同。本发明中，电极和基体材料为金属材料即可。试验表明，沉积电压选择20～240V时，放电间隙a的取值范围在0.01～0.2mm为宜。
沉积过程中，电极长度消耗直接影响到电极-基体间隙大小，从而对电弧持续燃烧条件产生重大影响，在沉积过程中保持电极-基体间隙近似恒定是近恒间隙式沉积方法的核心问题。通过在沉积过程中对Z轴进行补偿，使电极-基体间隙维持在保证电弧稳定燃烧范围，则需要掌握电极长度消耗规律。
本发明采用棒状电极，在优化工艺参数下，在基体上沉积直线或折线(如图2所示)，然后通过在线测量找出10mm长度上电极长度消耗规律，将此消耗规律补偿到Z轴控制中，完成Z轴在线实时补偿维持电弧稳定燃烧。
进一步地，在步骤b中，对于NURBS曲线的计算具体包括：
式(1)中，需要定义的NURBS曲线参数有：{Pi}：控制点的集合，按照顺序连接形成NURBS曲线的控制多边形；{Ni,p(u)}：定义在节点矢量U＝{a,…,a,up+1,…,um-p-1,b,…,b}(a,b的数量均为p+1个，m是U中节点下标的最大值，共有m+1个节点)上的p次规范B样条基函数，如式(2)所示；{ωi}：控制点Pi对应的权因子，连续p个权因子不能同时为零。除特殊说明，一般取a＝0，b＝1，并且ωi＞0。
采用上述NURBS曲线模型设计一条如图3所示的复杂NURBS曲线，并以此为沉积对象，制备平面复杂曲线涂层，该曲线设计参数依据工程实际要求确定。
运用Matlab软件，采用等弧长插补算法逼近该NURBS曲线，可以获得该曲线的一系列逼近微直线段，对处于XY平面的NURBS曲线以G01完成插补并将电极消耗规律补偿在Z轴从而输出数控沉积G代码，将数控沉积程序输入FNAUC 0i-MB数控系统，其在线沉积轨迹仿真结果如图4所示。
运用近恒间隙式沉积方法，采用优化沉积参数和数控参数实施沉积，沉积过程如图5所示，图6位NURBS曲线涂层近恒间隙式沉积结果。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为近恒间隙式沉积方法示意图；图中：A为引弧点；B为沉积高度，也是近恒间隙式沉积中电极高度位置；a为电极与工件间隙距离；①为定位速度；②为接近速度；③为提升速度；④为沉积速度；⑤为返回参考的速度；
图2为折线式电极长度消耗试验；
图3为一条NURBS曲线示意图；
图4为NURBS曲线在线沉积轨迹仿真图；
图5为沉积过程；
图6为蝶形NURBS曲线试验结果。
具体实施方式
具体实施方式一：本发明针对复杂曲线涂层点焊式沉积方法因沉积过程中具有较多的空行程，沉积效率有待进一步提高的问题，提出了一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法，包括以下步骤：
步骤一：装夹电极和试验件；
步骤二：编制近恒间隙(如图1所示)数控沉积直线或折线(如图2所示)数控沉积程序；
步骤三：设计并实施正交试验，找出满足工程要求显微结构、相组成、厚度和粗糙度的优化工艺参数；
步骤四：以如图1所示近恒间隙式沉积方法进行不同工艺参数下的直线或折线出沉积，找出每10mm长度上电极长度消耗规律；
步骤五：设计复杂NURBS曲线涂层(如图3所示)，借助MATLAB将电极长度消耗规律编入数控沉积程序中；
步骤六：卸下试验件，装夹上待沉积工件，将沉积程序上传到数控系统中实施沉积；
步骤七：沉积完成，机床回零，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电极和工件均为导电金属，电极为棒状电极，电极为CoCuFeNiCr高熵合金电极，工件为YL12铝合金。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二不同的是所述步骤二中编制直线或折线数控沉积程序的目的在于确定电极长度消耗规律，为Z补偿提供数据。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是所述步骤二中直线或折线数控程序可以采用手工编程方式获得，也可以采用宏程序编程方式获得。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是所述步骤三中，对涂层的评估从工程应用目标所需出发采用XRD、SEM、光学显微镜、耐磨性和耐蚀性等进行评估。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是在步骤三中，优化的工艺参数如表1所示，沉积电压选择20～240V时，放电间隙a的取值范围在0.01～0.2mm为宜。
表1高能微弧火花数控制备CoCuFeNiCr高熵合金涂层工艺参数
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是在步骤二和四中，近恒间隙式沉积方法如下(如图1所示)：
步骤A：数控程序控制电极以定位速度运行到B点；
步骤B：数控程序控制电极以接近速度运行到A点引弧，电弧起燃；
步骤C：数控程序控制电极以提升速度运行到B点，电弧稳定燃烧；
步骤D：数控程序控制电极以沉积速度沿着既定NURBS曲线实施沉积，电弧稳定燃烧，数控程序根据预定电极长度消耗规律实施补偿Z轴，以保证电极-工件间隙近似恒定，确保电弧能持续稳定燃烧。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是所述步骤A～步骤D中，定位速度范围为F1000～F9000，接近速度范围为F100～F500，提升速度范围为F100～F200，沉积速度范围为F10～F100，返回速度范围为F1000～F9000。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是所述步骤五复杂曲线采用NURBS模型描述，图3所示为一条复杂NURBS曲线，呈蝶形，但重点不在蝶形NURBS曲线的形状，而在其反映出的复杂性，图3所示蝶形NURBS曲线设计参数如下：
控制点：
P＝{[0 10.2 0],[1.2 9.6 0],[1.8 8.4 0],[2.4 7.2 0],[4.8 9 0],[9.6 12 0],[14.4 20.4 0],[20.4 19.2 0],[19.2 9.6 0],[16.8 4.8 0],[12 0 0],[15.84 -2.40],[15 -7.2 0],[13.2 -14.4 0],[14.4 -20.4 0],[12.6 -16.8 0],[12 -15 0],[10.8-17.4 0],[8.4 -14.4 0],[6 -12 0],[3.6 -8.4 0],[1.2 2.4 0],[1.8 -5.4 0],[2.4 -7.2 0],[0 -9.2 0],[-2.4 -7.2 0],[-1.8 -5.4 0],[-1.2 2.4 0],[-3.6 -8.4 0],[-6-12 0],[-8.4 -14.4 0],[-10.8 -17.4 0],[-12 -15 0],[-12.6 -16.8 0],[-14.4 -20.4 0],[-13.2 -14.4 0],[-15 -7.2 0],[-15.84 -2.4 0],[-12 0 0],[-16.8 4.8 0],[-19.2 9.6 0],[-20.4 19.2 0],[-14.4 20.4 0],[-9.6 12 0],[-4.8 9 0],[-2.4 7.20],[-1.8 8.4 0],[-1.2 9.6 0],[0 10.2 0]}；
权重向量：
w＝[1 1 4 4 3 5 3 5 4 4 3 3 3 3 3 5 3 3 1 1 1 3 1 1 11 1 3 1 1 1 3 3 5 33 3 3 3 4 4 5 3 5 3 4 4 1 1]；
节点向量：
U＝[0 0 0 0 1/46 2/46 3/46 4/46 5/46 6/46 7/46 8/46 9/46 10/46 11/46 12/46 13/46 14/46 15/46 16/46 17/46 18/46 19/46 20/46 21/46 22/46 23/46 24/4625/46 26/46 27/46 28/46 29/46 30/46 31/46 32/46 33/46 34/46 35/46 36/46 37/4638/46 39/46 40/46 41/46 42/46 43/46 44/46 45/46 1 1 1 1]；
次数：
p＝3。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九不同的是所述步骤五中电极长度消耗规律以恒定值近似非线性值，采用
棒状CoCuFeNiCr高熵合金电极和LY12铝合金、以及表1所示工艺参数下，电极长度消耗规律近似为：1μm/10mm；事实上，电弧是非线性，导致电极长度消耗也具有非线性特点，但以1μm/10mm的线性消耗规律对Z轴进行近似补偿可以维持电弧的稳定燃烧。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十不同的是所述近恒间隙式沉积方法与电焊式沉积方法相比具有如下优点：(1)在整个沉积过程中，近恒间隙式沉积一次引弧后电弧持续燃烧实施沉积，而点焊式沉积需要在一系列沉积点处执行“接近→接触(短路)放电→离开”的循环过程实施沉积；(2)近恒间隙式沉积没有多余的空行程，具有更高的沉积效率；(3)在近恒间隙式沉积方法中，电极-基体间隙要能满足放电条件才能保证电弧稳定持续放电。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一不同的是复杂NURBS曲线涂层沉积程序通过MATLAB软件获得，采用等弧长插补算法逼近蝶形NURBS曲线，可以获得该曲线的一系列逼近微直线段，对处于XY平面的NURBS曲线以G01完成插补并将电极消耗规律补偿在Z轴从而输出数控沉积G代码，将数控沉积程序输入FNAUC 0i-MB数控系统，其在线沉积轨迹仿真结果如图4所示。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二不同的是运用近恒间隙式沉积方法，采用表1工艺参数实施沉积(如图5所示)，可获得平面蝶形NURBS曲线涂层(如图6所示)。
Claims (6)
1.一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法，主要包括：
a、利用电极在基体上进行直线沉积，获得相应的放电间隙和电极消耗规律，并借助Matlab软件算法，将二者带入参数化编程中，输出利用近恒间隙式沉积方法的数控沉积G代码程序；
b、借助NURBS理论，设计一条NURBS曲线，以此为沉积对象，利用近恒间隙式沉积方法在平面上制备复杂曲线涂层。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法，其特征在于，在步骤a中，电极和基体材料分别为金属材料，沉积电压选择20～240V时，放电间隙取值范围在0.01～0.2mm。
3.根据权利要求1-2所述的一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法，其特征在于，在步骤a中，电极采用棒状金属电极，沉积参数利用正交试验方法多次试验后取最佳参数值。
4.根据权利要求1-3所述的一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法，其特征在于，在最佳工艺参数下，电极长度消耗规律采用直线或折线沉积试验法确定。
5.根据权利要求1-4所述的一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法，其特征在于，在步骤b中，对于NURBS曲线的计算具体包括：
根据权利要求1-5所述的一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法，其特征在于，在步骤b中，采用NURBS曲线模型描述复杂曲线，并以此为沉积对象，制备平面复杂曲线涂层，该曲线设计参数为如附录所示。
6.根据权利要求1-6所述的一种航空发动机与燃气轮机平面复杂曲线涂层高能微弧火花数控沉积控制方法，其特征在于，在步骤b中，运用Matlab软件，采用等弧长插补算法逼近复杂NURBS曲线，可以获得该曲线的一系列逼近微直线段，对处于XY平面的NURBS曲线以G01完成插补并将电极消耗规律补偿在Z轴从而输出数控沉积G代码，将数控沉积程序输入FNAUC 0i-MB数控系统，其在线沉积可获得平面复杂曲线涂层。
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2018
- 2018-12-20 CN CN201811566882.2A patent/CN111349933A/zh active Pending
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