磨料水射流去除等离子喷涂法热障涂层的试验研究

发布时间：2021-02-11 01:05

　　热障涂层技术在航空发动机中具有延长热端部件使用寿命、提高功率和减少燃油消耗的优点。对热障涂层金属构件进行电火花小孔加工时,需要先去除金属基体表面的热障涂层。针对等离子喷涂法（Air plasma spray,APS）制备的热障涂层进行了磨料水射流去除加工试验。采用直径为300μm的低压磨料水射流,在室温下开展APS涂层的盲孔加工试验,以期为后续的电火花穿孔加工提供可能性。结果表明,冲蚀孔径和孔深随磨料浓度、射流压力、冲孔时间和靶距的增加而增大,涂层去除速率随磨粒硬度和粒径的增加而提高,APS涂层的冲蚀效率明显高于EB-PVD涂层。 

【文章来源】：南京航空航天大学学报. 2020,52(05)北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

磨料水射流冲蚀APS热障涂层示意图

图2所示为白刚玉及石榴石两种磨粒冲蚀加工结果的对比情况。图2中Dt为冲蚀孔的最大直径，Lmax为冲蚀孔的最大深度。工艺条件见表1中的试验A编号所示。如图2所示，白刚玉磨粒的冲蚀孔径为527μm，石榴石磨粒的冲蚀孔径为570μm，石榴石磨粒的冲孔直径比白刚玉的冲蚀孔径增加了8%。但是，白刚玉磨粒的冲蚀孔深比用石榴石的冲蚀孔深增加了190%，其原因与这两种磨粒之间的硬度差别密切相关。石榴石的主要成分为含Al、Mg、Fe或Mn等的硅酸盐，密度约为3.5～4.3 g/cm3，维氏硬度通常在6.5～7.5 GPa之间；而白刚玉的主要成分为Al2O3，密度约为3.8 g/cm3，维氏硬度通常在23～24 GPa之间[17?18]。从热障涂层冲蚀破坏的机理中可知，热障涂层在硬质颗粒的冲击作用下，处于作用区域的陶瓷层会形成裂纹，裂纹的进一步扩展导致涂层剥落。冲击裂纹的生成及扩展与冲击粒子的质量及硬度关联较大，磨粒硬度越大则冲蚀速率越快。因而，在相同的加工时间内，白刚玉磨粒的材料去除速率明显大于石榴石磨粒。此外，石榴石的冲蚀孔底呈“W”形，具体成因在2.2节中讨论。2.2 磨粒粒径对冲蚀孔形的影响

图3为磨粒粒径对冲蚀孔形的影响情况。工艺参数见表1中试验编号B所示。如图3所示，2 500目的白刚玉加工下的孔形呈明显的“W”形，这一结果与文献[16]中的研究结果吻合，即在磨料颗粒的动能较低时，热障涂层的冲蚀孔呈“W”形[16]。从图3中可知，2 500目的白刚玉冲蚀的孔深比1 200目冲蚀的孔深小61%，这是由于磨粒粒径越小，所拥有的动能也就越小，所以2 500目的白刚玉冲蚀的孔深比1 200目的要小，这点也与Kara?kurt采用磨料水射流加工花岗岩的研究结果一致[19],2.1节中石榴石磨粒的冲蚀孔底出现“W”形也是这个原因。但是，2 500目白刚玉的冲蚀孔径却比1 200目的大出40%。Zhang等的研究结果可以很好地解释这一现象[20]。他们通过计算流体力学的方法模拟了磨料水射流场，研究了不同粒径、不同密度的磨粒对磨料水射流加工质量和效率的影响，如图4所示[20]，其中dp为磨粒粒径的大小。他们发现，粒径较大的粒子运动方向难以改变，碰撞速度也较高，对纵向深度上冲蚀影响较大。同时他们还考虑了径向位置的影响，粒径越小的磨粒越容易改变为沿平行于工件的方向喷射，从而越容易扩宽孔径。从他们的研究结论中可知，由于2 500目的磨粒粒径小于1 200目，在撞击热障涂层时所拥有的动能较小，在径向方向的改变量较1 200目大，所以冲蚀的孔径比1 200目的大40%。图4 不同磨粒粒径在流场中的轨迹分布图

【参考文献】：
期刊论文
[1]热障涂层的冲蚀破坏机理研究进展[J]. 杨丽,周益春,齐莎莎.  力学进展. 2012(06)



本文编号：3028269