CN112541253A - 一种电子束物理气相沉积热障涂层厚度预测计算方法 - Google Patents

Abstract

电子束物理气相沉积(EB‑PVD)是一种新型的一种新型的热障涂层工艺，该涂层有利于提高零件的抗热冲击性能，但其表面热障涂层厚度的大小和分布状况难以准确生成和预测。本发明提出基于传热原理的电子束物理气相沉积热障涂层厚度计算预测的方法，该方法适合于常规几何形状的基材工件与已知几何形状位置参数的复杂基材工件的表面热障涂层厚度预测，在对本发明实施例中的圆盘形基材工件、以及当前已完成的圆柱形基材工件以及航空发动机叶片表面热障涂层厚度大小及分布的计算预测结果，证明了本发明的计算预测方法的适用性EB‑PVD热障涂层工艺，本方法的预测计算效率和时间要求也为热障涂层工艺的改进提供技术依据。

Description

一种电子束物理气相沉积热障涂层厚度预测计算方法

技术领域

本发明属于基材工件表面涂层厚度预测技术领域，具体涉及一种高效和精确的电子束物理气相沉积热障涂层厚度预测计算方法。

背景技术

电子束物理气相沉积(EB-PVD)是一种新型的热障涂层工艺，应用于航空发动机叶片、隔热屏、喷嘴等。使用EB-PVD工艺进行表面热障涂层制备时，从电子枪发射高能量密度电子束轰击在基材上，基材表面材料会瞬间气化蒸发，原料气化后在偏转磁场的作用下以原子或者分子的形式沉积到基体上，最终形成柱状组织结构的涂层。

EB-PVD工艺制备出的表面涂层有利于提高涂层的抗热冲击性能，但其表面涂层厚度的大小和分布状况难以准确生成和预测。现有热障涂层厚度的方法主要有两种：一种以简单几何形状作为基体工件，基体工件表面以有限元网格划分表示，利用有限元法和射线投射算法计算每个单元的累积表面涂层厚度；另外一种方法基于电子束轰击基材表面气化蒸发的气相沉积通量进行分析，计算不同几何形状的基材部件表面热障涂层厚度分布，相较前述有限元计算模型方法可以应用于复杂几何体的基材工件。

本发明提出基于传热原理的热障涂层厚度计算预测的方法，该方法适合于常规几何形状的基材工件与已知几何形状位置参数的复杂基材工件的表面热障涂层厚度预测。对本发明实施例中的圆盘形基材工件、以及当前研究中已完成的圆柱形基材工件以及航空发动机叶片表面涂层厚度大小及分布的计算预测结果，证明了本发明的计算预测方法的适用性EB-PVD涂层工艺。应用本发明的电子束物理气相沉积热障涂层厚度预测计算预测结果与实验测量结果预测的结果一致，其预测计算效率和时间要求也为热障涂层工艺的改进提供技术依据。

发明内容

本发明的目的在于针对现有电子束物理气相沉积热障涂层厚度预测计算方法中的不足，提出一种新的电子束物理气相沉积热障涂层厚度预测方法，此方法基于高斯传热模型和热导方程，利用电子束对于基材加热过程的温度累积变化和热障涂层厚度的线性关系，对电子束物理气相沉积加工的热障涂层厚度值和分布情况进行计算预测。本发明的计算预测方法更为高效和精确，可以作为改善工件表面热障涂层过程的控制应用的关键技术。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电子束物理气相沉积热障涂层厚度预测计算方法，主要包括以下步骤：

S1：根据热障涂层加工的初始条件，确定电子射线功率P_r，加工基材的旋转速度u，及加工基材的旋转几何半径r；

S2：将电子束射线场几何关系与同高斯传热模型结合确定射线传热参数，使高斯函数型热源与射线场的射线强度相似，归一化的射线密度为：

式中，α为电子束热源发散角；n电子束强度分布系数，建议(n＝2-6)；

S3：在基材工件模型几何中心的正中方向放置电子束射线发射源，模拟电子枪发射高能量密度电子束轰击基材表面，使最终基体表面温度分布具有对称性，通过无量纲线性转换得到的归一化热障涂层厚度和分布也具有对称性。射线热通量以高斯分布的热通量源作为输入的表面涂层热源，可以用方程表示：

式中，Q是射线热通量值；P_r是射线的功率；r_b是射线束的半径；x_f是射线焦点的x坐标位置；y_f是为射线焦点的y坐标位置；r_f为射线发射源到焦点的距离，可表示为：

S4：然后以射线束作为热源对工件基体表面进行加热，模拟热障涂层工艺过程，工件基体表面任意涂层点的温度T可由由热场热传导方程求得，设定的初始温度和基材的密度和热导率等参数，可以得到温度T相对于初始温度T0的变化。在基材工件固体中的传热和温度的热传导方程可以表示为：

式中，Q₀是射线热通量，可以表示为：Q₀＝Q·ε；T₀为初始过程温度，T₀＝293.15K；u为基材工件材料表面的速度分量；ε为基材工件基体材料表面的发射率；K基材工件基材导热系数；ρ是基材工件材料的密度；C_p基材工件材料恒压下的热容量；

S5：由热障涂层的加工工艺机理，基材工件表面温度变化和涂层厚度呈线性关系；不同的射线功率和加工时间会产生不同的涂层厚度，因此利用基材工件表面温度变化和涂层厚度的线性关系将涂层厚度归一化，基体几何中心的厚度值归化为最大值；归一化以后的基体工件表面任意点的涂层厚度如下式所示：

式中，d_sd基材工件表面任意点的涂层厚度；d_s0为α＝0时最大涂层厚度；r_s为基材表面射线加工点上到最大厚度点的距离；h_v为基材表面距离射线束发射源上的高度；α为电子束源发散角；r为基体工件旋转的几何半径。

本发明利用了因为高斯函数型热源与电子射线场的射线强度相似的特性，基于高斯传热模型用基材表面温度变化和电子束物理气相沉积热障涂层厚度的关系，得到了电子束物理气相沉积热障涂层无量纲的厚度预测计算方法，可以预测得到无量纲的基材表面热障涂层厚度关系。这是归一化以后的基材工件表面任意点的涂层厚度与加工时间无关，基体表面几何中心的涂层厚度归化为1。

电子束物理气相沉积热障涂层厚度预测计算模型的预测结果与实验测量结果预测的结果一致，也表明本发明的热障涂层厚度预测计算方法可以通过模拟工件几何体的运动和运动方向来预测工件的涂层厚度，并且可以进一步改进方法来描述和预测工艺效率达到最小涂层厚度，以及提出新的改进涂层厚度均匀性的方法。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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。

在附图中：

图1旋转运动圆盘工件表面热障涂层预测计算原理图

图2是圆盘基材工件表面沿直径方向热障涂层厚度预测计算结果

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明的实施例中，确定热障涂层加工电子射线功率P_r为1000W，加工基材的旋转圆盘基材工件，选择铜作为基材工件的材料，圆盘基材工件的半径r为0.3m，圆盘厚度为0.05m；基材工件在表面涂层加工时绕其轴线旋转，旋转速度u为1/20rad/s，

将电子射线场几何关系同高斯热模型结合获得电子束传热模型参数，这是因为高斯函数型热源与射线场预测的射线强度相似，归一化的射线密度为：

式中，电子束强度分布系数n取4，

在圆盘工件几何中心的正下方向放置物理气相沉积热障涂层电子束射线发射源，使最终基体表面温度分布具有对称性。本发明方法应用旋转运动圆盘工件表面热障涂层预测计算原理图如说明书附图1所示。圆盘基材工件沿其轴线在电子束射线发射源正上方旋转，基材表面距离射线束发射源上的高度h_v为0.5m；射线热通量以高斯分布的热通量源作为输入的表面涂层热源，通常用于热源中，可以用方程表示：

式中，Q是射线热通量；P_r是射线的功率；r_b是光束的半径；x_f是射线焦点的x位置；y_f是为射线焦点的y坐标；r_f是到焦点的距离，可表示为：

S4：然后以射线束作为热源对工件基体表面进行加热，模拟涂层过程，工件基体表面T的温度可由式求得。在加热过程中，由热场所示的热传导方程决定，由设定的初始温度和基材的密度和热导率等参数，可以得到温度T相对于初始温度T0的变化。在基材工件固体中的传热和温度的热传导方程可以表示为：

式中，Q₀是射线热通量，可以表示为：Q₀＝Q·ε；T₀为初始过程温度，T₀＝293.15K；工件基体材料表面的速度分量u为1/20rad/s；工件基体材料表面的发射率ε取0.9；工件基材导热系数K为377W/(m·K)；ρ是工件材料的密度8960kg/m³；工件材料恒压下的热容量C_p为385J/(Kg·K)；

由热障涂层的加工机理，基材工件表面温度变化和涂层厚度呈线性关系；不同的射线功率和加工时间会产生不同的涂层厚度，因此利用基材工件表面温度变化和涂层厚度的线性关系将涂层厚度归一化，基体几何中心的厚度值归化为最大值；归一化以后的基体工件表面任意点的涂层厚度如下式所示：

式中主要参数在前述中已有说明，d_sd基体工件表面任意点的涂层厚度；d_s0为α＝0时最大涂层厚度；r_s为基材表面上到最大厚度点的距离，该距离由于电子束发散角的不同，在加工中不断变化；h_v为基体距离射线束发射源上的高度；α为电子束源发散角；r为基体工件旋转的几何半径。

此公式是通过温度的变化量和基材表面上到最大厚度点的距离积分的关系，得到电子束物理气相沉积热障涂层无量纲的厚度。通过带入上述的加工参数和材料参数，预测计算得到的圆盘基材工件表面沿直径方向分布的无量纲涂层厚度如说明书附图2所示。从计算结果上来看，在整个圆盘基材表面无量纲涂层厚度从0.8-1之间分布，厚度值相差不大。圆盘基材工件表面直径方向呈现中间厚两边薄的特性，其中涂层最厚的区域位于圆盘基材几何中心，也就是射线束发射源的正上方。

以上对本发明的具体实施进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例而已，并被认为不用于限制本发明的实施范围；对于本领域的技术人员来说，本发明可以将被实施的工件形体推广到其它例如圆柱、圆锥及球体的表面涂层厚度预测计算。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。

Claims (1)

1.一种电子束物理气相沉积热障涂层厚度预测计算方法，主要包括以下步骤：

S1：根据热障涂层加工的初始条件，确定电子射线功率P_r，加工基材的旋转速度u，及加工基材的旋转几何半径r；

S2：将电子束射线场几何关系与同高斯传热模型结合确定射线传热参数，使高斯函数型热源与射线场的射线强度相似，归一化的射线密度为：

式中，α为电子束热源发散角；n电子束强度分布系数，建议(n＝2-6)；

S3：在基材工件模型几何中心的正中方向放置电子束射线发射源，模拟电子枪发射高能量密度电子束轰击基材表面，使最终基体表面温度分布具有对称性，通过无量纲线性转换得到的归一化热障涂层厚度和分布也具有对称性；射线热通量以高斯分布的热通量源作为输入的表面涂层热源，可以用方程表示：

式中，Q是射线热通量值；P_r是射线的功率；r_b是射线束的半径；x_f是射线焦点的x坐标位置；y_f是为射线焦点的y坐标位置；r_f为射线发射源到焦点的距离，可表示为：

S4：然后以射线束作为热源对工件基体表面进行加热，模拟热障涂层工艺过程，工件基体表面任意涂层点的温度T可由由热场热传导方程求得，设定的初始温度和基材的密度和热导率等参数，可以得到温度T相对于初始温度T0的变化；在基材工件固体中的传热和温度的热传导方程可以表示为：

式中，Q₀是射线热通量，可以表示为：Q₀＝Q·ε；T₀为初始过程温度，T₀＝293.15K；u为基材工件材料表面的速度分量；ε为基材工件基体材料表面的发射率；K基材工件基材导热系数；ρ是基材工件材料的密度；C_p基材工件材料恒压下的热容量；

S5：由热障涂层的加工机理，基材工件表面温度变化和涂层厚度呈线性关系；不同的射线功率和加工时间会产生不同的涂层厚度，因此利用基材工件表面温度变化和涂层厚度的线性关系将涂层厚度归一化，基体几何中心的厚度值归化为最大值；归一化以后的基体工件表面任意点的涂层厚度如下式所示：

式中，d_sd基材工件表面任意点的涂层厚度；d_s0为α＝0时最大涂层厚度；r_s为基材表面射线加工点上到最大厚度点的距离；h_v为基材表面距离射线束发射源上的高度；α为电子束源发散角；r为基体工件旋转的几何半径。

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