CN112267110B - 一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统及使用方法 - Google Patents

一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统及其使用方法，属于材料表面改性和涂层技术领域。一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统包括叶片固定模块、第一感应加热头和第二感应加热头，第一感应加热头和第二感应加热头，位于叶片固定木块的正上方和侧面，通过控制第一感应加热头、第二感应加热头与叶片基体的距离，对叶片基体的不同部位实现不同温度的梯度预热，从而减缓残余应力，防止叶片根部过热影响其力学行为。此外制冷模块可以保护电路控制模块和第一感应加热头、第二感应加热头不被烧坏。

Description

一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统及使用 方法
技术领域
本发明涉及材料表面改性和涂层技术领域，具体涉及一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统及使用方法。
背景技术
随着航空工业对涡轮发动机的推力、推重比及燃油效率的要求越来越高，发动机的进口温度和燃气压力逐渐增大，发动机的压气机及涡轮叶片部分服役环境更加恶劣，特别是叶尖部分。一方面，叶尖为发生摩擦的主要部位，压气机在高速旋转过程中，在间隙偏差、超转等工况条件下都会导致叶尖与机匣内壁发生强烈摩擦，造成摩擦热积累及叶尖磨损等问题。另一方面，发动机工作时，在高速燃气流的作用下，叶尖端面受到振动应力，整个叶片的温度分布不均匀，叶尖温度高，叶片根部温度低，温度分布不同，又形成了温差应力，会使得叶尖端面在长时间工作产生裂纹。这些问题可以通过在叶尖端面制备具有减缓应力作用的切削涂层得到解决，从而充分保护叶尖端面。但目前尚未有制备具有减缓应力作用的叶尖切削涂层的相关设备。因此，亟待开发一种可用来制备一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出了一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统及使用方法，该系统可以用于制备具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层，从而解决了叶尖端面各处由于存在温差使得叶尖端面易产生裂纹的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统，包括叶片固定模块、第一感应加热头、第二感应加热头、制冷模块、电路控制模块，所述第一感应加热头和第二感应加热头分别位于叶片固定模块的上方和侧面，所述第一感应加热头、第二感应加热头均与电路控制模块通信连接，所述第一感应加热头、第二感应加热头、电路控制模块均与制冷模块管路连接；
所述叶片固定模块用于固定叶片基体，所述第一感应加热头和第二感应加热头分别对叶片基体的叶尖端面和叶身进行加热，所述电路控制模块用于控制第一感应加热头和第二感应加热头的加热参数，所述制冷模块为第一感应加热头、第二感应加热头、电路控制模块进行制冷。
进一步地，还包括两组调速模块，第一感应加热头、第二感应加热头分别固定安装在调速模块上。
进一步地，调速模块包括滑轨底座、皮带、电动滑块、电机、控制器，第一感应加热头或第二感应加热头固定安装在电动滑块上，电动滑块固定安装在皮带上，皮带传动安装在滑轨底座上，电机固定安装在滑轨底座上，电机与控制器通信连接；电机带动皮带移动时，皮带带动第一感应加热头或第二感应加热头移动。
进一步地，第二感应加热头为长条体形状，第二感应加热头的长度与叶片基体的高度相等，宽度为0.3-1cm；第二感应加热头倾斜放置在叶身的左侧，第二感应加热头的上端与叶尖端面齐平，倾斜角度为5-10°。
进一步地，第一感应加热头为长条体形状，第一感应加热头的宽度与第二感应加热头的宽度相等；第一感应加热头平行放置在叶尖端面正上方。
一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统的使用方法，包括以下步骤：
S1、将涂覆有粘结合金层和撒布有硬质陶瓷颗粒的叶片基体固定在叶片固定模块上，其中叶尖端面朝上；
S2、分别将第一感应加热头和第二感应加热头移动至叶尖端面的正上方和叶身左侧；
S3、启动制冷模块；
S4、启动电路控制模块，调整第一感应加热头和第二感应加热头的工作参数，对叶片基体进行加热，重熔粘结合金层，在叶片基体表面形成减缓残余应力的叶尖切削涂层。
进一步地，步骤S2中，通过调速模块将第一感应加热头和第二感应加热头移动至叶尖端面的正上方和叶身左侧。
进一步地，调速模块移动第一感应加热头和第二感应加热头时，第一感应加热头和第二感应加热头的移动方向相同，移动速度相同，移动速度为0.2-2cm/s。
进一步地，调速模块移动第一感应加热头、第二感应加热头时，第一感应加热头比第二感应加热头先移动1-3s。
进一步地，步骤S4中，第一感应加热头的工作参数为：功率20-30kW，电流25-40A；第二感应加热头的工作参数为：功率40-50kW，电流50-80A。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统，通过设置第一感应加热头、第二感应加热头、电路控制模块，电路控制模块对第一感应加热头、第二感应加热头的工作参数进行控制，对叶片基体的不同部位实现不同温度的梯度预热，减缓了叶片的残余应力，防止叶片根部过热影响其力学行为。通过设置制冷模块，对电路控制模块和第一感应加热头、第二感应加热头进行制冷，保护电路控制模块和第一感应加热头、第二感应加热头不被烧坏。
进一步地，本申请中还包括调速模块，调速模块可精准控制第一感应加热头、第二感应加热头的移动速度，从而控制叶尖和叶身的加热速度。
进一步地，本申请中调速模块包括滑轨底座、皮带、电动滑块、电机、控制器、感应加热器，电机带动皮带移动时，皮带带动第一感应加热头、第二感应加热头移动，通过控制器调节电机的转速，皮带的速度也会发生变化，从而使第一感应加热头、第二感应加热头的移动速度可调。
进一步地，本申请中第二感应加热头倾斜放置在叶身左侧，使叶片尖端和叶身根部有不同的感应加热距离，叶片尖端离第二感应加热头距离近，叶身根部离第二感应加热头距离远，实现叶片尖端到根部的梯度预热。
进一步地，第一感应加热头平行放置在叶尖端面的正上方，保证熔化粘结合金层时，叶尖端面各部位受热均匀，粘结合金和硬质陶瓷颗粒之间形成牢固结合。
本发明还提供了一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统的使用方法，是基于上述装置进行的。首先将叶片基体固定在叶片固定模块上，然后将第一感应加热头、第二感应加热头移动至指定位置，启动制冷模块，预先在管道中通有冷却水后，再启动电路控制模块、第一感应加热头和第二感应加热头的，通过调整第一感应加热头和第二感应加热头的工作参数对叶片基体进行加热，重熔粘结合金，得到残余应力小的叶尖切削涂层。本方法简单、易操作，通过控制第一感应加热头和第二感应加热头的的工作参数，可对不同成分、不同厚度的粘结合金层和不同成分、粒径的硬质陶瓷颗粒进行加热，实现粘结合金层与硬质陶瓷颗粒、叶片基体之间的牢固结合，在叶片基体表面形成了减缓残余应力的叶尖切削涂层。
进一步地，使用调速模块控制第一感应加热头、第二感应加热头移动时，第一感应加热头比第二感应加热头先移动1-3s，保证叶片基体预热后立即对涂层进行重熔，减少热量损失。
附图说明
图1为本发明实施例1一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统的结构示意图；
图2为本发明实施例2中的调速模块的结构示意图；
其中：1-第一电路控制模块；2-第二电路控制模块；3-第一制冷模块；4-第二制冷模块；5-叶片固定模块；6-叶片基体；7-第一感应加热头；8-第二感应加热头；9-进水管路；10-出水管路；11-第一电缆线，12-第二电缆线，13-滑轨底座，14-皮带，15-电动滑块，16-电机，17-控制器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
参见图1，一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统，包括叶片固定模块5、第一感应加热头7和第二感应加热头8、制冷模块、电路控制模块。
叶片固定模块5包括固定块和销钉，固定块为电绝缘的胶木板，通过销钉和固定块实现叶片基体6的固定；第一感应加热头7位于叶片基体6的叶尖端面正上方，第二感应加热头8位于叶片基体6的叶身左侧且与叶尖端面平齐。
电路控制模块包括第一电路控制模块1和第二电路控制模块2，第二感应加热头8的一端通过第一电缆线11与第一电路控制模块1的输出端连接，第二感应加热头8的另一端通过第二电缆线12与第一电路控制模块1的输入端连接；同理，第一感应加热头7的一端通过第一电缆线11与第二电路控制模块2的输出端连接，第一感应加热头7的另一端通过第二电缆线12与第二电路控制模块2的输入端连接。在交流电源的作用下，分别调整第一电路控制模块1和第二电路控制模块2的工作参数，可使得第二感应加热头8和第一感应加热头7实现不同的加热功率。
制冷模块包括第一制冷模块3和第二制冷模块4，第一制冷模块3配合第二感应加热头8工作、第一电路控制模块1工作，实现对第二感应加热头8和第一电路控制模块1预冷及实时冷却；第二制冷模块4配合第一感应加热头7、第二电路控制模块2工作，实现对第一感应加热头7和第二电路控制模块2预冷及实时冷却。
本实施例中，第一感应加热头7与第二制冷模块4和第二电路控制模块2之间通过进水管路9和出水管路10实现冷却水的实时输运，且它们之间通过一个三通管道实现水路分流；第二感应加热头8与第一制冷模块3和第一电路控制模块1之间通过进水管路9和出水管路10实现冷却水的实时输运，且它们之间通过一个三通管道实现水路分流。
本实施例上述具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统的使用方法，包括以下步骤：
S1、固定叶片基体：通过叶片固定模块5将涂覆有Ni71CrSi粘结合金层和撒布有金刚石颗粒的叶片基体6进行固定，其中叶尖端面朝上；
S2、分别将第一感应加热头7和第二感应加热头8固定在叶片基体6的正上方左端和叶身方向最左侧；
S3、设置第一制冷模块3和第二制冷模块4的工作参数为：压力1Mpa，制冷量16kW/h，冷水流速30L/min；启动第一制冷模块3和第二制冷模块4，使得进水管路9提前通有冷却水；
S4、启动第一电路控制模块1和第二电路控制模块2，设定第一感应加热头7的工作参数为：功率20kW、电流30A，第二感应加热头8的工作参数为：功率40kW、电流50A；启动第一感应加热头7和第二感应加热头8，对叶片基体6进行加热，重熔Ni71CrSi，在叶片基体6表面形成残余应力小的叶尖切削涂层。
实施例2
在实施例1的基础上，一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备装系统还包括两组调速模块。参见图2，速模块包括滑轨底座13、皮带14、电动滑块15、电机16、控制器17、感应加热器18，第一感应加热头7或第二感应加热头8固定安装在电动滑块15上，电动滑块15固定安装在皮带14上，皮带14传动安装在滑轨底座13上，电机16固定安装在滑轨底座13上，电机16与控制器17通信连接；电机16带动皮带14移动时，皮带14带动第一感应加热头7或第二感应加热头8移动。通过控制器17调节电机16的转速，可以改变电动滑块15的转速，从而使第一感应加热头7或第二感应加热头8的移动速度可调。
一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统的使用方法，包括以下步骤：
S1：固定叶片基体：通过叶片固定模块5将涂覆有Ni71CrSi粘结合金层和撒布有金刚石颗粒的叶片基体6进行固定，其中叶尖端面朝上；
S2：通过控制器17设定皮带14的运行速度为0.5cm/s，电动滑块15分别将第一感应加热头7和第二感应加热头8移动至叶尖端面的正上方和叶身最左侧；
S3：设置第一制冷模块3和第二制冷模块4的工作参数为：压力1Mpa，制冷量16kW/h，冷水流速30L/min；启动第一制冷模块3和第二制冷模块4，使得进水管路9提前通有冷却水；
S4：启动第一电路控制模块1和第二电路控制模块2，设定第一感应加热头7的工作参数为：功率20kW、电流30A，第二感应加热头8的工作参数为：功率40kW、电流50A；启动第一感应加热头7和第二感应加热头8，对叶片基体6进行加热，重熔Ni71CrSi，在叶片基体6的表面形成残余应力小的叶尖切削涂层。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例中，第二感应加热头8为长条体形状，第二感应加热头8的长度与叶片基体的高度相等，宽度为0.3cm；第二感应加热头8倾斜放置在叶身的左侧，倾斜角度为5°(第二感应加热头8的上端靠近叶片尖端，第二感应加热头8的下端远离叶身根部)；第一感应加热头7为长条体形状，第一感应加热头7的宽度与第二感应加热头8的宽度相等；第一感应加热头7平行放置在叶尖端面正上方。第一感应加热头7和第二感应加热头8的移动方向相同，移动速度相同，为0.5cm/s，且第二感应加热头8比第一感应加热头7先移动1s。
一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统的使用方法，包括以下步骤：
S1：固定叶片基体：叶片固定模块5通过销钉将涂覆有Ni82CrSiBFe粘结合金层和撒布有立方氮化硼陶瓷颗粒的叶片基体6进行固定，叶尖端面朝上固定；
S2：通过控制器17设定皮带14的运行速度为0.2cm/s，电动滑块15将宽带为0.3cm的长条体形状的第一感应加热头7移动至叶尖端面的正上方，将宽带为0.3cm的长条体形状的第二感应加热头8移动至叶身方向最左侧并与叶尖端面齐平，第二感应加热头8的倾斜角度为5°；
S3：设定第一制冷模块3和第二制冷模块4的制冷压力为1Mpa，制冷量为16kW/h，冷水流速为30L/min，启动第一制冷模块3和第二制冷模块4，使得进水管路9提前通有冷却水；
S4：启动第一电路控制模块1和第二电路控制模块2，设定第一感应加热头7的工作参数为：功率20kW、电流25A，第二感应加热头8的工作参数为：功率50kW、电流70A；启动第二感应加热头83s后启动第一感应加热头7，对叶片基体6进行加热，重熔Ni82CrSiBFe，在叶片基体6表面形成残余应力小的叶尖切削涂层。
实施例4
在实施例1的基础上，本实施例中，第二感应加热头8为长条体形状，第二感应加热头8的长度与叶片基体6的高度相等，宽度为1cm；第二感应加热头8倾斜放置在叶身的左侧，倾斜角度为10°；第一感应加热头7为长条体形状，其宽度为1cm；第一感应加热头7平行放置在叶尖端面正上方。第一感应加热头7和第二感应加热头8的移动方向相同，移动速度相同，为2cm/s，且第二感应加热头8比第一感应加热头7先移动3s。
一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统的使用方法，包括以下步骤：
S1：固定叶片基体：叶片固定模块通过销钉将涂覆有Ni71CrSi粘结合金层和撒布有立方氮化硼陶瓷颗粒的叶片基体6固定，其中叶尖端面朝上；
S2：：通过控制器17设定皮带14的运行速度为2cm/s；电动滑块15将宽度为1cm的长条体形状的第一感应加热头7移动至叶片尖端的正上方，将宽带为1cm的长条体形状的第二感应加热头8固定在叶身方向最左侧并与叶片尖端齐平，第二感应加热头8的倾斜角度为10°；
S3：设置第一制冷模块3和第二制冷模块4的制冷压力为1Mpa，制冷量为16kW/h，冷水流速为30L/min；开启第一制冷模块3和第二制冷模块4，使得进水管路9提前通有冷却水；
S4：启动第一控制模块1和第二控制模块2，设定第一感应加热头7的工作参数为：功率30kW、电流40A，第一感应加热头8的工作参数为：功率50kW、电流80A；启动第二感应加热头8，3s后启动第一感应加热头7，对叶片基体6进行加热，重熔Ni71CrSi，在叶片基体6表面形成残余应力小的叶尖切削涂层。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统，其特征在于，包括叶片固定模块(5)、第一感应加热头(7)、第二感应加热头(8)、制冷模块、和电路控制模块；所述第一感应加热头(7)和第二感应加热头(8)分别位于叶片固定模块(5)的上方和侧面，所述第一感应加热头(7)、第二感应加热头(8)均与电路控制模块通信连接，所述第一感应加热头(7)、第二感应加热头(8)、电路控制模块均分别与制冷模块管路连接；
所述叶片固定模块(5)用于固定叶片基体(6)，所述第一感应加热头(7)和第二感应加热头(8)分别用于对叶片基体(6)的叶尖端面和叶身进行加热，所述电路控制模块用于控制第一感应加热头(7)和第二感应加热头(8)的加热参数，所述制冷模块用于为第一感应加热头(7)、第二感应加热头(8)、电路控制模块进行制冷；
所述第二感应加热头(8)为长条体形状，第二感应加热头(8)的长度与叶片基体的高度相等，宽度为0.3-1cm；第二感应加热头(8)倾斜放置在叶身的左侧，第二感应加热头(8)的上端与叶尖端面齐平，倾斜角度为5-10°；
所述系统还包括两组调速模块，第一感应加热头(7)、第二感应加热头(8)分别固定安装在一组调速模块上；
调速模块包括滑轨底座(13)、皮带(14)、电动滑块(15)、电机(16)和控制器(17)，第一感应加热头(7)或第二感应加热头(8)固定安装在电动滑块(15)上，电动滑块(15)固定安装在皮带(14)上，皮带(14)传动安装在滑轨底座(13)上，电机(16)固定安装在滑轨底座(13)上，电机(16)与控制器(17)通信连接；电机(16)带动皮带(14)移动时，皮带(14)带动第一感应加热头(7)或第二感应加热头(8)移动。
2.根据权利要求1所述的一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统，其特征在于，第一感应加热头(7)为长条体形状，第一感应加热头(7)的宽度与第二感应加热头(8)的宽度相等；第一感应加热头(7)平行放置在叶尖端面正上方。
3.权利要求1-2中任意一项所述的具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将涂覆有粘结合金层和撒布有硬质陶瓷颗粒的叶片基体(6)固定在叶片固定模块(5)上，其中叶尖端面朝上；
S2、分别将第一感应加热头(7)和第二感应加热头(8)移动至叶尖端面的正上方和叶身方向左侧；
通过调速模块将第一感应加热头(7)和第二感应加热头(8)移动至叶尖端面的正上方和叶身左侧；
调速模块移动第一感应加热头(7)和第二感应加热头(8)时，第一感应加热头(7)和第二感应加热头(8)的移动方向相同，移动速度相同，移动速度为0.2-2cm/s；调速模块移动第一感应加热头(7)、第二感应加热头(8)时，第一感应加热头(7)比第二感应加热头(8)后移动1-3s；
S3、启动制冷模块；
S4、启动电路控制模块，调整第一感应加热头(7)和第二感应加热头(8)的工作参数，对叶片基体(6)进行加热，重熔粘结合金层，在叶片基体(6)表面形成具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层。
4.根据权利要求3所述的一种具有减缓残余应力作用的叶尖切削涂层制备系统的使用方法，其特征在于，步骤S4中，第一感应加热头(7)的工作参数为：功率20-30kW，电流25-40A；第二感应加热头(8)的工作参数为：功率40-50kW，电流50-80A。
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