CN112765741B - 一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法，属于热喷涂技术领域。在切向功能梯度涂层设计方法指导下，将切向功能梯度涂层各位置处复合比的独立约束整合为均质涂层整个复杂型面复合比的综合约束，并建立相应的评价模型，从理论方法层面进行材料配伍优化，优化了传统均质涂层材料配伍，提升了涂层的整体抗冲蚀性能，解决了小型复杂零部件表面因局部冲蚀磨损严重而过早报废的问题。本发明开辟了切向功能梯度涂层设计方法在均质涂层配伍优化设计上的新应用，涂层抗冲蚀性能有效提升。

Description

一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法

技术领域

本发明属于热喷涂技术领域，具体涉及一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法。

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。

风机叶片广泛应用于石化、冶金与天然气输运等领域，服役中受气固两相流冲击作用，易产生冲蚀磨损损伤。利用热喷涂技术在制备脆性金属陶瓷涂层是增强表面抗冲蚀性能的重要手段之一。对于复杂型面零部件，其各位置处的冲击角度差异大，而脆性材料、塑性材料的抗冲蚀性能受冲击角度影响敏感，导致不同位置处冲蚀率迥异，涂层因局部冲蚀磨损严重而过早报废。根据不同复合比金属陶瓷涂层在不同冲击角度下的抗冲蚀性能差异，优化匹配零部件表面各位置处的复合比，制备切向功能梯度涂层，是提升复杂型面零部件抗冲蚀性能的有效手段。

发明人发现，与3D打印、激光熔覆等点增材技术不同，热喷涂是面积增材技术，其喷涂半径大，无法实现复杂型面各位置处材料配伍的逐点沉积。因此，对于小型复杂型面零部件，切向功能梯度涂层理论上可以显著提升抗冲蚀性能，而实际上无法在小型表面实现切向功能梯度涂层的制备。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法，利用切向功能梯度涂层设计方法，优化设计了传统均质涂层的材料配伍，降低了涂层的当量冲蚀率，提升了小型复杂型面零部件表面均质涂层的抗冲蚀性能。

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，提供了一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法，包括：

根据复杂型面工件结构、工况条件，确定复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律；

根据使用工况需求选择抗冲蚀涂层材料，包括脆性材料与塑性材料；

获得涂层冲击角度-复合比-冲蚀率三者对应关系；

将复杂型面进行离散化，以各离散区域的面积为权重，与各离散区域的冲蚀率进行加权平均，建立涂层当量冲蚀率计算模型；

以冲蚀率阈值为约束条件，确定复合比的约束条件；

采用所述复合比的约束条件评估不同复合比的均质涂层的当量冲蚀率，确定优选复合比；

基于优选复合比，对小型复杂型面零部件表面进行热喷涂。

传统上，小型复杂型面零部件涂层材料配伍的优化，往往采用试错法进行试验测试，而未考虑冲击角度对冲蚀率的影响，成为制约小型零部件表面均质涂层材料配伍优化的关键。为此，本发明在切向功能梯度涂层设计方法指导下，将切向功能梯度涂层各位置处复合比的独立约束整合为均质涂层整个复杂型面复合比的综合约束，并建立相应的评价模型，从理论方法层面进行材料配伍优化，降低了均质涂层的当量冲蚀率，提升了小型复杂型面零部件表面涂层的抗冲蚀性能。

本发明的第二个方面，提供了一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计系统，被配置为执行以下步骤：

根据复杂型面工件结构、工况条件，确定复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律；

根据使用工况需求选择抗冲蚀涂层材料，包括脆性材料与塑性材料；

获得涂层冲击角度-复合比-冲蚀率三者对应关系；

将复杂型面进行离散化，以各离散区域的面积为权重，与各离散区域的冲蚀率进行加权平均，建立涂层当量冲蚀率计算模型；

以冲蚀率阈值为约束条件，确定复合比的约束条件；

采用所述复合比的约束条件评估不同复合比的均质涂层的当量冲蚀率，确定优选复合比；

基于优选复合比，对小型复杂型面零部件表面进行热喷涂。

本发明利用切向功能梯度涂层设计方法，优化设计了传统均质涂层的材料配伍，降低了涂层整体的当量冲蚀率，提升了涂层的抗冲蚀性能。

本发明的第三个方面，提供了一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计装置，所述装置包括：控制器，所述控制器被配置为执行上述任一所述的小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法的步骤，并基于所述方法所确定复合比，对小型复杂型面零部件表面进行热喷涂。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明建立了一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法，优化了传统均质涂层材料配伍，提升了涂层的抗冲蚀性能，解决了小型复杂零部件表面因局部冲蚀磨损严重而过早报废的问题；

(2)本发明利用切向功能梯度涂层设计方法来优化设计均质涂层，开辟了切向功能梯度涂层设计方法在均质涂层配伍优化设计上的新应用；

(3)本发明的方法简单、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为本发明设计方法流程图。

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，对于受气固两相流冲蚀的小型复杂型面零部件，存在传统均质涂层无法满足服役需求，而热喷涂技术无法实现切向功能梯度涂层制备的问题。针对上述问题，本申请提出了一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法。

本发明中所述的“复合比”是指金属陶瓷涂层材料中金属材料的质量占比，“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，“切向功能梯度涂层”是指涂层的复合比沿着切向方向呈梯度变化。

本发明提供了一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法，将切向功能梯度涂层设计方法应用在均质涂层配伍优化设计上，优化了传统均质涂层材料配伍，提升了小型复杂型面零部件涂层的抗冲蚀性能。

包括：

根据复杂型面工件结构、工况条件，确定复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律；

根据使用工况需求选择抗冲蚀涂层材料，包括脆性材料与塑性材料；

获得涂层冲击角度-复合比-冲蚀率三者对应关系；

将复杂型面进行离散化，以各离散区域的面积为权重，与各离散区域的冲蚀率进行加权平均，建立涂层当量冲蚀率计算模型；

以冲蚀率阈值为约束条件，确定复合比的约束条件；

采用所述复合比的约束条件评估不同复合比的均质涂层的当量冲蚀率，确定优选复合比；

基于优选复合比，对小型复杂型面零部件表面进行热喷涂。

具体包括以下具体步骤：

步骤1：根据复杂型面工件结构、工况条件，确定复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律；

步骤2：根据使用工况需求选择抗冲蚀涂层材料，包括脆性材料与塑性材料；

步骤3：获得涂层冲击角度-复合比-冲蚀率三者对应关系；

步骤4：将复杂型面进行离散化，以各离散区域的面积为权重，与各离散区域的冲蚀率进行加权平均，建立涂层当量冲蚀率计算模型；

步骤5：以冲蚀率阈值为约束条件，确定复合比的约束条件；

步骤6：采用所述复合比的约束条件评估不同复合比的均质涂层的当量冲蚀率，确定优选复合比；

步骤7：基于优选复合比，对小型复杂型面零部件表面进行热喷涂。

在一些实施例中，所述步骤1中，复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律可根据专利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。

在一些实施例中，所述步骤3中，涂层冲击角度-复合比-冲蚀率三者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。

在一些实施例中，所述步骤4的具体步骤为：根据步骤1所得到的复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律，将复杂型面表面离散化成若干区域，并根据步骤3所得到的冲击角度-复合比-冲蚀率三者关系，计算各区域在既定复合比下的冲蚀率，再以各区域的面积为权重，加权平均得到复杂型面整体的当量冲蚀率计算模型。本领域技术人员可根据实际工况进行确定离散化冲击角度区间的数量。

在一些实施例中，所述步骤5中，以冲蚀率阈值为约束条件，根据冲击角度-复合比-冲蚀率三者关系反求，确定各冲击角度下的复合比的取值范围集合，则复合比的取值范围集合为各复合比取值范围集合的交集，即为复合比的约束条件。

在一些实施例中，所述步骤6的具体步骤为：利用当量冲蚀率计算模型，评估各复合比下的涂层当量冲蚀率，再根据步骤5确定的复合比的约束条件，以当量冲蚀率最小为优化目标优选复合比。

在一些实施例中，所述零部件为离心式压缩机叶片、大型鼓风机叶片或燃气轮机叶片等。

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：

以在高温环境下服役的某型号小型复杂型面叶片(基体材料为FV520B)为例，服役中受气固两相流冲蚀磨损，表面制备金属陶瓷Cr₃C₂-NiCr涂层(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：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复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律，获取冲击角度与叶片极坐标的关系α＝g(θ)。

其中θ是关于叶片位置的变量，α为冲击角度。

步骤2：根据服役条件，涂层需具有抗冲蚀磨损和耐高温的特性，选择金属陶瓷涂层Cr₃C₂-NiCr。

步骤3：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冲击角度α-复合比k-冲蚀率ε三者对应关系ε＝f(k,α)。

步骤4：根据步骤1所得到的复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律α＝g(θ)，将复杂型面表面离散化成若干区域A₁，A₂，A₃，……，A_i，……，A_n，各区域所对应的冲击角度分别为α₁，α₂，α₃，……，α_i，……，α_n。根据步骤3所得到的冲击角度-复合比-冲蚀率三者关系ε＝f(k,α)，计算各区域在既定复合比k_j下的冲蚀率ε_j1，ε_j2，ε_j3，……，ε_ji，……，ε_jn，再以各区域的面积S₁，S₂，S₃，……，S_i，……，S_n为权重，加权平均得到复杂型面整体的当量冲蚀率计算模型

本领域技术人员可根据实际工况进行确定离散化冲击角度区间的数量。

步骤5：以冲蚀率阈值ε_max为约束条件，根据冲击角度-复合比-冲蚀率三者关系ε＝f(k,α)反求k＝f^-1(ε,α)，确定各冲击角度下的复合比的取值范围集合k_ji∈[k_ji1,k_ji2]，记为B_i，则复合比k_j的取值范围集合为各复合比取值范围集合的交集

即为复合比的约束条件。

步骤6：利用步骤4建立的当量冲蚀率计算模型，评估各均质涂层的复合比涂层的当量冲蚀率，并根据步骤5确定的复合比约束条件，以当量冲蚀率最小为优化目标ε_优＝min{ε₁,ε₂,ε₃,…ε_j…,ε_m,}(j＝1,2,3……，m)，获取最小当量冲蚀率ε_优及所优选的复合比k_j。

基于优选复合比k_j，对小型复杂型面零部件表面进行热喷涂。

采用本实施例的方法优化设计的涂层，优化了传统均质涂层材料配伍，提升了涂层的整体抗冲蚀性能，解决了小型复杂零部件表面因局部冲蚀磨损严重而过早报废的问题，同时，利用切向功能梯度涂层设计方法来优化设计均质涂层，开辟了切向功能梯度涂层设计方法在均质涂层配伍优化设计上的新应用。

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 (8)

1.一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法，其特征在于，包括：

根据复杂型面工件结构、工况条件，确定复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律；

根据使用工况需求选择抗冲蚀涂层材料，包括脆性材料与塑性材料；

获得涂层冲击角度-复合比-冲蚀率三者对应关系；

根据所得到的复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律，将复杂型面表面离散化成若干区域，并根据所得到的冲击角度-复合比-冲蚀率三者关系，计算各区域在既定复合比下的冲蚀率，再以各区域的面积为权重，加权平均得到复杂型面整体的当量冲蚀率计算模型；

根据涂层冲击角度-复合比-冲蚀率三者对应关系以冲蚀率阈值为约束条件，确定复合比的约束条件；利用当量冲蚀率计算模型，评估各复合比下的涂层当量冲蚀率；

采用所述复合比的约束条件评估不同复合比的均质涂层的当量冲蚀率，确定优选复合比；

基于优选复合比，对小型复杂型面零部件表面进行热喷涂。

2.如权利要求1所述的小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法，其特征在于，获得复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律的具体方法为：分析复杂型面工件服役工况，理论计算并提取气相边界条件与颗粒边界条件，采用流体仿真软件仿真分析得出复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律。

3.如权利要求1所述的小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法，其特征在于，获得涂层冲击角度-复合比-冲蚀率三者对应关系的具体方法为采用涂层材料对工件进行喷涂，并进行冲蚀试验，测试得到涂层的冲击角度-复合比-冲蚀率三者对应关系。

4.如权利要求1所述的小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法，其特征在于，以冲蚀率阈值为约束条件，根据冲击角度-复合比-冲蚀率三者关系反求，确定各冲击角度下的复合比的取值范围集合，则复合比的取值范围集合为各复合比取值范围集合的交集，即为复合比的约束条件。

5.如权利要求1所述的小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法，其特征在于，利用当量冲蚀率计算模型，评估各复合比下的涂层当量冲蚀率，再根据确定的复合比的约束条件，以当量冲蚀率最小为优化目标优选复合比。

6.如权利要求1所述的小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法，其特征在于，所述部件具有小型复杂型面，服役中受气固两相流冲蚀磨损。

7.如权利要求6所述的小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法，其特征在于，所述部件为离心式压缩机叶片、大型鼓风机叶片或燃气轮机叶片。

8.一种小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计装置，其特征在于，所述装置包括控制器，所述控制器被配置为执行上述权利要求1-6任一项所述的小型复杂型面零部件涂层配伍优化设计方法的步骤，并基于所述方法所确定复合比，对小型复杂型面零部件表面进行热喷涂。

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