热障涂层金属构件的磨料水射流与电火花组合制孔基础研究

发布时间：2020-10-23 01:40

　　 在航空发动机热端金属构件表面涂覆热障涂层可以提高构件的承温能力、延长构件服役寿命、降低发动机油耗。但是,热障涂层的使用给金属构件上微小孔的电火花加工带来困难。为了有效解决这一难题,本文开展了磨料水射流与电火花组合制孔方法的可行性研究,利用磨料水射流冲蚀去除热障涂层,然后采用电火花加工方法完成微小孔结构加工。首先,开展了热障涂层的磨料水射流冲蚀加工试验研究。对电子束物理气相沉积法(EB-PVD)及等离子喷涂法(APS)制备的热障涂层进行磨料水射流冲蚀加工试验,分析射流压力、靶距、磨料浓度、冲击时间、磨粒粒径以及磨料种类等因素对冲蚀孔形的影响规律,探明合理的冲蚀加工参数范围。试验结果表明,EB-PVD热障涂层冲蚀孔型呈“W”型,而APS热障涂层冲蚀孔型多呈“U”型,APS热障涂层的冲蚀去除速率高于EB-PVD热障涂层。两种热障涂层冲蚀表面均没有发现明显微观裂纹。其次,针对APS热障涂层开展了冲蚀孔形几何特征建模研究。选择磨料浓度、靶距和冲孔时间三个参数设计了正交试验,分析了各参数对孔径和孔深的影响显著性。采用幂函数模型和二次多项式回归模型对孔径与孔深进行建模,结果发现,二次多项式模型预测精度要高于幂函数模型。针对APS热障涂层喷涂厚度不均匀的问题,提出在模型预测基础上增加冲孔时间的解决方法,试验发现,增加时间为5s时基本可以去除孔底部多余的热障涂层材料,且对孔径的影响最小。最后,在磨料水射流冲蚀孔形上进行了电火花穿孔加工试验研究。分析了管电极直径大小对冲孔后电火花可加工性的影响,研究了热障涂层去除后金属基体裸露率与电火花可加工性之间的关联,探讨了电火花放电参数对热障涂层的影响。结果发现,采用较小直径的管电极进行加工可减少热障涂层表面微裂纹的产生,过大的峰值电流、脉冲宽度以及冲液压力会对已冲蚀成型的热障涂层产生二次蚀除的风险,且易出现分层开裂现象。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V263
【部分图文】：

这一发展方向的主要技术手段之一[1-2]。已知的国内外新型军用燃气涡轮发动机的燃气 1538~1871℃，而航空发动机的耐高温材料的许用温度均在 1100℃以下，因此，为了叶片长寿命和高可靠性的需求，需要在高性能的航空发动机涡轮叶片表面涂覆热障ermal barrier coatings, TBCs)[3-4]。热障涂层主要由一层导热系数较低的陶瓷面层和一层抗氧化腐蚀性能良好的金属粘结。在粘结底层氧化的过程中，底层和陶瓷面层之间存在一层生长的氧化层，并在涂层命周期中持续增长[1-2]。热障涂层的制备方法主要包括两种，分别为等离子喷涂法(AP束物理气相沉积法(EB-PVD)。两种制备方法各有优缺点，APS 方法喷涂速度快，生产成本较低，多用于喷涂厚度要求较高的燃烧室部件；缺点是喷涂厚度不均匀，表面较粗涂的过程中容易使叶片上的气膜孔堵塞，涂层抗冲蚀性能差，应变容限低。EB-PVD 层结构较为致密，与基体结合强度较高，具有较好的应变容限和抗冲蚀性能，且喷涂洁度高，耐磨性好；缺点是喷涂工艺相对复杂，喷涂速度慢、效率低，原材料利用率较较高[1],[5-8]。图 1.1 所示是 APS 和 EB-PVD 方法制备的热障涂层的微观结构。从图(aAPS 热障涂层呈典型的片层状结构，具有多孔、多裂纹等缺陷；而图(b)中 EB-PVD 陶典型的柱状晶结构[9-11]。

带热障涂层和气膜冷却孔道的航空发动机涡轮构的制造，多采用电火花加工技术。电火花被加工材料强度、硬度、脆性、韧性、熔点9]。但是由于热障涂层不导电，故这种方法不方法是：先用电火花在金属基体上制孔，再可避免地沉积在气膜孔表面，导致气膜孔孔膜孔孔径的大小直接决定了冷却介质的流通会导致气膜孔缩孔现象，严重影响涡轮叶片气涂层再制孔的方法与工艺具有重要的理论与堵塞的气膜孔500μm

质为陶瓷涂层，具有陶瓷的硬脆特性，所以层的航空发动机金属构件上的气膜孔直径一上加工直径小于 2mm 的小孔时，会因钻头过且高温合金中应用最广泛的为镍基高温合金使得钻头很容易产生磨损；同时因为切削力具磨损严重[21-22]。加工航空制孔领域的应用十分广泛，国内外航空发阳黎明航空发动机公司等广泛采用电火花加工不能直接用于加工热障涂层金属构件上。199辅助电极法加工绝缘陶瓷的技术[25]。该技术助电极，在煤油中进行电火花加工辅助电极电极被逐渐蚀除后，这些颗粒附着在陶瓷表进行，利用电火花的高温放电蚀除陶瓷层，
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本文编号：2852380