放电辅助化学扫描加工气泡特性与工艺研究
发布时间：2021-09-18 13:58
进入21世纪以来,航空发动机的相关技术取得了长足的发展,气膜孔用以喷出冷却气体形成壁面气膜来隔热散热,保护航空发动机涡轮叶片在极端高温下工作。下一代航空发动机为达到更高推重比和效率,高温合金叶片上将设计为带有热障层（陶瓷覆层）的复合材料,传统方式难以实现绝缘材料的气膜孔加工。放电辅助化学加工（Spark Assisted Chemical Engraving,SACE）技术具有实现陶瓷热障层的气膜孔无损加工的可能性,本文对该工艺过程进行了实验研究及探讨。本文首先研究电解气泡生成过程的理论模型,分析了气膜形成的规律。利用高速摄像机观察气泡的运动规律,研究了电源特性、浸液深度和电解液浓度对气泡特性的影响。优化了实验参数并提出在电压90V、浸液深度2mm、电解液质量分数5%时,气膜能在加工过程中维持稳定,有利于提高加工质量。通过Comsol软件建立了等粒子碰撞反应模型,获得了加工间隙和电极形状对SACE加工放电的影响规律。搭建了扫描加工实验系统并对加工间隙进行了精确测定,研究了中空和实心圆柱电极对SACE扫描加工工艺的影响,综合考虑了加工质量和效率,选用中空电极扫描加工槽的质量较高。最后使用...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?ＳＡＣＥ加工原理示意图??－
辅助电极（阳极）：４０ｔＴ－４ｅ＿＝２Ｈ２０?＋?０２?Ｔ??工具电极（阴极）：２Ｈ２０?＋?２ｅ－＝２０Ｈ＿?＋?Ｈ２Ｔ??随着电解过程进行，如图１－３所示，工具电极表面产生的氢气逐渐积累，附着??在电极表面的氢气泡逐渐增多，累计到一定量以后，会在电极端部形成一层连续??的氢气膜，并包裹电极端部形成绝缘相。绝缘相形成后，电极与电解质溶液间存??在电压差。由＝?可知，当间隙ｄ极小时，氢气膜内存在很大的电场强度五，??若五超过临界值，便会在工具电极表面产生放电，氢气被放电击穿后产生大量的??热使得间隙内温度升高（最高温度可高达ｉ〇〇〇〇°ｃ以上），并且由于高温热膨胀会??产生高压。????ｊ?｜???ｍｍ?ｍｍ?ｍｕｍ?ｍｍ?ｍｍ?ｍｍ?ｍｍ?ｍｍ?ｍｍ?ｍｍ?ｔ＞??ｔ⑩ｍ／ｔ工具电极３！??Ｉ?１?；?１?、９?＆?｝?＊??冁碱溶液?｜?（ｊ）忘邊ｔ面＜ｇ）?ｊ?｜??＼?ｒ?＾?｜??Ｉ?Ａ温Ａｆｆｉ—ｘ件材料被蚀除??ＭＡＭ?ｗｔｔｉｔ?ｍｊｌ－ｉｍ?ｗｔｔＭ?ｔｔｄｕｉｔ?ａＭｔｔｗ?ｄａｄｌ??图１－３?ＳＡＣＥ加工原理电极内部放大示意图??Ｆｉｇ．?１－３?ＳＡＣＥ?ｍａｃｈｉｎｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｉｎｔｅｒｎａｌ?ｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔ??ＳＡＣＥ放电过程中击穿气体的瞬间高温高压条件（ｒ＊２ｘｌ〇４°Ｃ，Ｐ?＝?１００ＧＰａ），??能够使大多数的绝缘材料熔化或汽化，让陶瓷热障层２１〇２与电解液ＮａＯＨ形成锆??酸盐的化学反应成为可能［２４］。电解液内发生综合物理及化学的蚀除过程
出的经验方程式，利用随机模型搭配使用渗透理论（Ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ?Ｔｈｅｏｒｙ）的转换，提??出了较完整的模型，来推导气泡包裹电极的过程。??将圆柱工具电极表面划分网格如图１－４所示，每个网格代表气泡可能产生的位??置，用黑色圆点表示有气泡生成的地方，用ｐ表示网格中产生气泡的概率，ｐ值的??大小与电压和电流密度相关。随着电压增大ｐ值增大，相邻的气泡汇聚成“簇”，??电压大于临界电极值，电极表面的簇覆盖率达到某固定值时，工具电极与电解液??之间近似绝缘，形成气膜。将气膜形成作为随机放电过程的开始，使用渗透理论??建立了预测临界电压、电流和电阻的数学模型；与前人模型相比，优点是能够解??释临界电压与电极几何尺寸的相关性。同年，他们考虑电极释放气体量与电化学??产生的气体量相等，又对其模型进行了更新，该模型可以预测放电过程中的伏安??特性。??＿目．？丨ｎ關１??图１－４气膜形成的渗透模型［３８］??Ｆｉｇ．?１－４?Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｆｉｌｍ?ｆｏｒｍａｔｉｏｎ［３８］??２〇〇６年
【参考文献】：
期刊论文
[1]电火花放电辅助化学加工间隙实验研究[J]. 刘光,佟浩,何苏钦,李勇,李文卓. 电加工与模具. 2016(01)
[2]绝缘涂层构件电化学放电穿孔技术[J]. 张有,刘志东,邱明波,陈益飞. 电加工与模具. 2012(01)
[3]涡轮叶片冷却技术的发展及关键技术[J]. 卫海洋,徐敏,刘晓曦. 飞航导弹. 2012(02)
[4]混粉准干式电火花加工试验研究[J]. 高清,张勤河,张建华. 机械工程学报. 2009(11)
[5]集束电极电火花加工工艺[J]. 李磊,顾琳,赵万生. 上海交通大学学报. 2009(01)
[6]航空发动机的现状和发展[J]. 张宝诚. 沈阳航空工业学院学报. 2008(03)
[7]高性能航空发动机制造技术及其发展趋势[J]. 王增强. 航空制造技术. 2007(01)
[8]超声加工技术的研究现状及其发展趋势[J]. 曹凤国,张勤俭. 电加工与模具. 2005(S1)
[9]航空发动机涡轮叶片冷却技术综述[J]. 倪萌,朱惠人,裘云,许都纯,刘松龄. 燃气轮机技术. 2005(04)
[10]叶片气膜孔的电火花加工工艺研究[J]. 盛文娟. 电加工与模具. 2004(01)
硕士论文
[1]气膜冷却孔热障涂层SACE加工间隙优化及扫描工艺实验[D]. 刘光.烟台大学 2016
本文编号：3400264
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?ＳＡＣＥ加工原理示意图??－
辅助电极（阳极）：４０ｔＴ－４ｅ＿＝２Ｈ２０?＋?０２?Ｔ??工具电极（阴极）：２Ｈ２０?＋?２ｅ－＝２０Ｈ＿?＋?Ｈ２Ｔ??随着电解过程进行，如图１－３所示，工具电极表面产生的氢气逐渐积累，附着??在电极表面的氢气泡逐渐增多，累计到一定量以后，会在电极端部形成一层连续??的氢气膜，并包裹电极端部形成绝缘相。绝缘相形成后，电极与电解质溶液间存??在电压差。由＝?可知，当间隙ｄ极小时，氢气膜内存在很大的电场强度五，??若五超过临界值，便会在工具电极表面产生放电，氢气被放电击穿后产生大量的??热使得间隙内温度升高（最高温度可高达ｉ〇〇〇〇°ｃ以上），并且由于高温热膨胀会??产生高压。????ｊ?｜???ｍｍ?ｍｍ?ｍｕｍ?ｍｍ?ｍｍ?ｍｍ?ｍｍ?ｍｍ?ｍｍ?ｍｍ?ｔ＞??ｔ⑩ｍ／ｔ工具电极３！??Ｉ?１?；?１?、９?＆?｝?＊??冁碱溶液?｜?（ｊ）忘邊ｔ面＜ｇ）?ｊ?｜??＼?ｒ?＾?｜??Ｉ?Ａ温Ａｆｆｉ—ｘ件材料被蚀除??ＭＡＭ?ｗｔｔｉｔ?ｍｊｌ－ｉｍ?ｗｔｔＭ?ｔｔｄｕｉｔ?ａＭｔｔｗ?ｄａｄｌ??图１－３?ＳＡＣＥ加工原理电极内部放大示意图??Ｆｉｇ．?１－３?ＳＡＣＥ?ｍａｃｈｉｎｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｉｎｔｅｒｎａｌ?ｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔ??ＳＡＣＥ放电过程中击穿气体的瞬间高温高压条件（ｒ＊２ｘｌ〇４°Ｃ，Ｐ?＝?１００ＧＰａ），??能够使大多数的绝缘材料熔化或汽化，让陶瓷热障层２１〇２与电解液ＮａＯＨ形成锆??酸盐的化学反应成为可能［２４］。电解液内发生综合物理及化学的蚀除过程
出的经验方程式，利用随机模型搭配使用渗透理论（Ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ?Ｔｈｅｏｒｙ）的转换，提??出了较完整的模型，来推导气泡包裹电极的过程。??将圆柱工具电极表面划分网格如图１－４所示，每个网格代表气泡可能产生的位??置，用黑色圆点表示有气泡生成的地方，用ｐ表示网格中产生气泡的概率，ｐ值的??大小与电压和电流密度相关。随着电压增大ｐ值增大，相邻的气泡汇聚成“簇”，??电压大于临界电极值，电极表面的簇覆盖率达到某固定值时，工具电极与电解液??之间近似绝缘，形成气膜。将气膜形成作为随机放电过程的开始，使用渗透理论??建立了预测临界电压、电流和电阻的数学模型；与前人模型相比，优点是能够解??释临界电压与电极几何尺寸的相关性。同年，他们考虑电极释放气体量与电化学??产生的气体量相等，又对其模型进行了更新，该模型可以预测放电过程中的伏安??特性。??＿目．？丨ｎ關１??图１－４气膜形成的渗透模型［３８］??Ｆｉｇ．?１－４?Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｆｉｌｍ?ｆｏｒｍａｔｉｏｎ［３８］??２〇〇６年
【参考文献】：
期刊论文
[1]电火花放电辅助化学加工间隙实验研究[J]. 刘光,佟浩,何苏钦,李勇,李文卓. 电加工与模具. 2016(01)
[2]绝缘涂层构件电化学放电穿孔技术[J]. 张有,刘志东,邱明波,陈益飞. 电加工与模具. 2012(01)
[3]涡轮叶片冷却技术的发展及关键技术[J]. 卫海洋,徐敏,刘晓曦. 飞航导弹. 2012(02)
[4]混粉准干式电火花加工试验研究[J]. 高清,张勤河,张建华. 机械工程学报. 2009(11)
[5]集束电极电火花加工工艺[J]. 李磊,顾琳,赵万生. 上海交通大学学报. 2009(01)
[6]航空发动机的现状和发展[J]. 张宝诚. 沈阳航空工业学院学报. 2008(03)
[7]高性能航空发动机制造技术及其发展趋势[J]. 王增强. 航空制造技术. 2007(01)
[8]超声加工技术的研究现状及其发展趋势[J]. 曹凤国,张勤俭. 电加工与模具. 2005(S1)
[9]航空发动机涡轮叶片冷却技术综述[J]. 倪萌,朱惠人,裘云,许都纯,刘松龄. 燃气轮机技术. 2005(04)
[10]叶片气膜孔的电火花加工工艺研究[J]. 盛文娟. 电加工与模具. 2004(01)
硕士论文
[1]气膜冷却孔热障涂层SACE加工间隙优化及扫描工艺实验[D]. 刘光.烟台大学 2016
本文编号：3400264
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