CN112307621B - 一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计及性能预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于热喷涂领域，涉及一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计及性能预测方法，设计合理的过渡区结构，包括以下步骤：步骤1：确定涂层生长率分布函数和道宽；步骤2：基于道宽与道距约束，确定过渡区多道距搭接结构，具体包括确定道距、过渡区宽度、搭接层数；步骤3：利用面积加权法计算过渡区各位置处涂层的当量复合比，预测过渡区各位置处涂层的抗冲蚀性能。采用本发明制备的切向功能梯度涂层过渡区，涂层各过渡区遵循一致的过渡规律，过渡区抗冲蚀性能过渡平稳、可预测。

Description

一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计及 性能预测方法

技术领域

本发明涉及热喷涂技术领域，具体涉及一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计及性能预测方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

叶片类零部件服役时受气固两相流冲击作用，粉尘、微粒的冲蚀磨损易造成减薄损伤。金属陶瓷涂层在低冲击角度下具有优异的耐磨损性能，但叶片类零部件型面复杂，冲击角度变化范围大，金属陶瓷涂层在中、高冲击角度下的存在抗冲蚀性能短板。利用按需增韧理念，结合延性金属材料在中、高冲击角度下优异的抗冲蚀性能，不同冲击角度处匹配所需复合比的涂层，在叶片类零部件表面制备切向功能梯度金属陶瓷涂层，可有效降低涂层的冲蚀率。

发明人发现，与法向功能梯度涂层、均质涂层不同，沿切向方向，切向功能梯度涂层的各区域涂层的复合比渐变，且各区域间的过渡区设计涉及喷涂道宽、道距及涂层搭接策略，过渡区设计不合理可能导致过渡区抗冲蚀性能过渡不平稳，存在出现应力集中或抗冲蚀性能过渡不稳定的风险，另外，切向功能梯度涂层过渡区的设计及性能预测存在技术空白。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计及性能预测方法，设计合理的过渡区结构，保证喷涂表面各过渡区遵循一致的过渡规律，实现过渡区抗冲蚀性能的平稳过渡与预测。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计方法，包括：

确定涂层生长率分布函数和道宽；

基于道宽与道距约束，确定过渡区多道距搭接结构，包括：道距、过渡区宽度、搭接层数。

本发明的第二个方面，提供了任一上述的方法设计/制造的涂层。

本发明的第三个方面，提供了一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区的性能的预测方法，包括：

基于上述涂层的生长率分布函数，利用面积加权法计算过渡区各位置处涂层的当量复合比k；

确定涂层的复合比k、冲击角度α、冲蚀率ε三者的对应关系；

根据当量复合比，计算其在冲击角度α下的当量冲蚀率ε，从而预测过渡区的抗冲蚀性能。

本发明的第四个方面，提供了一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计和/或性能预测装置，所述装置包括控制器；

所述控制器被配制为执行上述基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计方法的步骤，并基于所述方法所确定过渡区的多道距搭接结构而设计涂层；

和/或所述控制器被配制为执行上述基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区性能的预测的步骤，并基于所述方法所确定抗冲蚀性能而输出预测结果。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明建立了一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计及性能预测方法，填补了切向功能梯度涂层过渡区的设计空白，实现了过渡区抗冲蚀性能的平稳过渡和预测。

(2)本发明的设计、预测方法简单、操作方便、实用性强，易于推广。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为涂层生长率分布函数示意图；

图2为道宽与道距关系示意图；

图3为过渡前区、过渡中区与过渡后区示意图；

图4为过渡区涂层叠加示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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各区域沿切向渐变，且各区域之间的过渡区设计涉及到喷涂道宽、道距及涂层搭接策略，过渡区设计不合理可能导致过渡区抗冲蚀性能不平稳，出现应力集中或抗冲蚀性能不稳定，针对上述问题，本申请提出了一种切向功能梯度涂层过渡区设计及性能预测方法。

本发明中所述的“复合比”是指复合材料中某种成份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，“道宽”是指单道喷涂时涂层沿喷涂路径法向的宽度，“道距”是指多道喷涂时道与道之间的距离。

本发明提供了一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计及性能预测方法，包括以下具体步骤：

步骤1：确定涂层生长率分布函数和道宽。

步骤2：基于道宽与道距约束，确定过渡区多道距搭接结构，具体包括确定道距、过渡区宽度、搭接层数。

步骤3：利用面积加权法计算过渡区各位置处涂层的当量复合比，预测过渡区各位置处涂层的抗冲蚀性能。

进一步的，所述步骤1中，截取单道喷涂涂层切面，利用图像识别工具提取涂层轮廓高度值，并拟合涂层轮廓函数，即为涂层生长率分布函数。

进一步的，所述步骤1中，生长率分布函数取决于喷涂工艺及工艺参数，其拟合可采用正态分布函数模型、β分布函数模型等，取拟合优度佳者。

进一步的，所述步骤1中，生长率分布函数的截距即为单道喷涂的道宽。

进一步的，所述步骤2中，为保证喷涂表面各过渡区遵循一致的过渡规律，基于道宽与道距约束，选择道宽为偶数倍道距，且过渡区宽度为奇数倍道距。

进一步的，所述步骤3中，过渡区当量复合比采用涂层面积的加权平均计算。

进一步的，所述步骤3中，涂层的复合比、冲击角度、冲蚀率三者对应可根据专利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，根据当量复合比，可计算得到当量冲蚀率，从而预测过渡区的抗冲蚀性能。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

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-NiCr涂层(其中“Cr₃C₂”为脆性陶瓷材料、“NiCr”为韧性金属材料，以“NiCr”在复合涂层中的质量占比为复合比)的设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：截取单道喷涂涂层切面，利用图像识别工具提取涂层轮廓高度值，并拟合涂层轮廓函数。其中，h＝f(x)即为涂层生长率分布函数，即道宽为2x₀，如图1所示。

步骤2：为保证喷涂表面各过渡区遵循一致的过渡规律，基于道宽与道距约束，选择道宽为2m倍道距，则道距为x₀/m(记为δ)，如图2所示；选择过渡区宽度为2n+1倍道距，过渡区宽度为(2n+1)x₀/m(即(2n+1)δ)，搭接层数为2m。其中，m和n为正整数，δ＝x₀/m。

步骤3：利用面积加权法计算过渡区各位置处涂层的当量复合比，预测过渡区各位置处涂层的抗冲蚀性能。

进一步的，所述步骤1中，利用线切割技术截取单道喷涂涂层切面，并利用水磨砂纸对表面进行打磨剖光。

进一步的，所述步骤1中，利用显微镜拍照，获取单道喷涂的界面轮廓。

进一步的，所述步骤1中，利用ImageJ软件，提取各位置{x_-i,……x_-3,x_-2,x_-1,x₀,x₁,x₂,x₃,……x_i}所对应的涂层高度值{h_-i,……h_-3,h_-2,h_-1,h₀,h₁,h₂,h₃,……h_i}，并将所识别出的数据点坐标{(x_-i,h_-i),……(x_-3,h_-3),(x_-2,h_-2),(x_-1,h_-1),(x₀,h₀),(x₁,h₁),(x₂,h₂),(x₃,h₃),……(x_i,h_i)}导入Matlab软件，利用Curve fitting工具箱进行函数曲线拟合，经拟合优度优选涂层生长率分布函数h＝f(x)。

进一步的，所述步骤2中，过渡区前后两组涂层的复合比分别为k₁和k₂，过渡区各位置处的叠加总层数均为2m。

进一步的，所述步骤2中，过渡区宽度小于道宽，即2n+1<2m。

进一步的，所述步骤3中，各叠加涂层在当前位置所沉积量可利用涂层生长率分布函数在当前位置的面积积分获得。

进一步的，所述步骤3中，过渡区分为过渡前区、过渡中区和过渡后区三个部分。其中，过渡前区指第1到第n倍道距之间的区域，过渡中区指第n+1倍道距区域，过渡后区指第n+1到第2n+1倍道距之间的区域，如图3所示。

进一步的，所述步骤3中，过渡中区共1倍道距，区间范围为[x₁,x₂]的过渡中区由复合比为k₁的涂层和复合比为k₂的涂层各叠加m道而成，共叠加2m层，如图4所示，其当量复合比为：

进一步的，所述步骤3中，过渡前区共n倍道距，其中，区间范围为[x₁-iδ,x₁-(i-1)δ]的由过渡中区向过渡前区平移第i倍道距处，由复合比为k₁的涂层和复合比为k₂的涂层各叠加m+i道和m-i道而成，共叠加2m层，如图4所示，其当量复合比为：

进一步的，所述步骤3中，过渡后区共n倍道距，其中区间范围为[x₂+(i-1)δ,x₂+iδ]的由过渡中区向过渡后区平移第i倍道距处，由复合比为k₁的涂层和复合比为k₂的涂层各叠加m-i道和m+i道而成，共叠加2m层，如图4所示，其当量复合比为：

进一步的，所述步骤3中，涂层的复合比k、冲击角度α、冲蚀率ε三者对应可根据专利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，根据当量复合比k，可计算其在冲击角度α下的当量冲蚀率ε，从而预测过渡区的抗冲蚀性能。

采用本实施例的方法制备的涂层过渡区，喷涂表面内各过渡区遵循一致的过渡规律，减小了出现应力集中或抗冲蚀性能过渡不平稳的风险，同时，过渡区各位置处的当量冲蚀率可计算，抗冲蚀性能可预测。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然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 (9)

1.一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计方法，其特征在于，包括：

确定涂层生长率分布函数和道宽；

基于道宽与道距约束，确定过渡区多道距搭接结构，包括：道距、过渡区宽度、搭接层数；

所述确定涂层生长率分布函数的具体步骤为：截取单道喷涂涂层切面，利用图像识别工具提取涂层轮廓高度值，并拟合涂层轮廓函数；

所述生长率分布函数的截距即为单道喷涂的道宽。

2.如权利要求1所述的基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计方法，其特征在于，所述生长率分布函数的拟合采用正态分布函数模型或β分布函数模型。

3.如权利要求1所述的基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计方法，其特征在于，道宽为偶数倍道距，且过渡区宽度为奇数倍道距。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法设计/制造的涂层。

5.一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区的性能的预测方法，其特征在于，包括：

基于权利要求4所述涂层的生长率分布函数，利用面积加权法计算过渡区各位置处涂层的当量复合比k；

确定涂层的复合比k、冲击角度α、冲蚀率ε三者的对应关系；

根据当量复合比，计算其在冲击角度α下的当量冲蚀率ε，从而预测过渡区的抗冲蚀性能。

6.如权利要求5所述的基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区性能的预测方法，其特征在于，所述过渡区分为过渡前区、过渡中区和过渡后区三个部分。

7.如权利要求6所述的基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区性能的预测方法，其特征在于，所述过渡中区共1倍道距，区间范围为[x₁,x₂]的过渡中区由复合比为k₁的涂层和复合比为k₂的涂层各叠加m道而成，共叠加2m层，其当量复合比为：

或所述过渡前区共n倍道距，区间范围为[x₁-iδ,x₁-(i-1)δ]的由过渡中区向过渡前区平移第i倍道距处，由复合比为k₁的涂层和复合比为k₂的涂层各叠加m+i道和m-i道而成，共叠加2m层，其当量复合比为：

或所述过渡后区共n倍道距，区间范围为[x₂+(i-1)δ,x₂+iδ]的由过渡中区向过渡后区平移第i倍道距处，由复合比为k₁的涂层和复合比为k₂的涂层各叠加m-i道和m+i道而成，共叠加2m层，其当量复合比为：

8.一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计装置，其特征在于，所述装置包括控制器；

所述控制器被配制为执行上述权利要求1-3任一项所述的基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区设计方法的步骤，并基于所述方法所确定过渡区的多道距搭接结构而设计涂层。

9.一种基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区性能预测装置，其特征在于，所述装置包括控制器；

所述控制器被配制为执行上述权利要求5-7任一项所述的基于道宽与道距约束的切向功能梯度涂层过渡区性能的预测的步骤，并基于所述方法所确定抗冲蚀性能而输出预测结果。

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