[发明专利]一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法

说明书

技术领域

本发明涉及防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法。

背景技术

钛及钛合金由于比强度、比模量高、密度低、抗破坏能力强，作为高强轻质材料在航空、航天、船舶工业、军事工业方面已获得了广泛的应用。特别是在航空航天领域，为了提高推重比、效率以及有效承载，高性能的轻金属材料钛合金被广泛应用于制作航空发动机压气机机匣、转子盘、转子叶片、静子叶片和风扇叶片等关键部件。目前，现代航空发动机结构质量的1/3左右为钛合金。如美国F22四代战斗机用钛用量为41％，其F119发动机用钛量为39％。

在正常的情况下，航空发动机上钛合金的使用情况良好。然而，当钛合金用作旋转部件时，容易发生钛火故障，这种情况主要由转子叶片与机匣内壁摩擦导致叶片尖端局部受热而引起。钛火的范围可以从轻微的叶尖燃烧、后缘区燃烧，发展到大范围燃烧，在高压压气机中，钛着火约5～10s后就能将钛机匣烧穿。

钛火故障在国外民用和军用航空发动机上都曾发生过。仅1987年一年美海军就损失了9架F/A-18，其中4架便是因为其动力装置F404发动机中钛着火而引起，着火原因是：高压压气机中的一级和三级工作叶片折断，卡在转子和钛合金机匣之间，机匣由于摩擦着火被烧穿，又将外函道机匣烧穿引起飞机着火。1977～1988年间，苏联民用发动机(如HK-8、HK-86、Д-30、AИ-25)发生了30余起钛着火事故，着火主要原因是：叶片断片卡在转子与静子之间、转子止推轴承损坏、转子与静子相碰以及轮盘破裂等因素导致钛零件相互摩擦。由于钛火故障危害巨大，钛合金阻燃技术已成为各国航空发动机研发领域亟待解决的难题。

解决钛火故障的方法主要有三个：(1)更改结构设计或使用替代材料。使用合金钢取代钛合金机匣或在钛合金件内衬合金钢衬套，或者增加钛合金叶片叶尖和静子之间的间隙，这种技术途径的缺点是增加了重量、降低压气机效率；(2)研制阻燃钛合金。阻燃钛合金是利用钛合金不同的阻燃机理，增加一元或多元组分或设计新型的钛合金材料，利用高温下阻燃层形成的吸热反应等达到钛火防止的目的；(3)使用阻燃涂层。阻燃涂层可以有效的解决“钛火”问题，可在不改变现有结构的基础上进行涂敷，降低设计成本，同时具有良好的使用维护性和低的使用成本。

阻燃涂层采用先进的涂层制备工艺，在钛合金零部件表面(尤其是易发生摩擦的表面)涂覆一层难于燃烧的材料，以便在一定的温度和能量冲击下，阻止摩擦热的积累，起到阻燃防护的作用。基于此目的，钛合金阻燃涂层应具有良好的导热性、可磨性和低的摩擦系数，以及良好的抗氧化性和低的燃烧热值。

在诸多表面改性技术中，高能微弧火花沉积(也称为电火花沉积)工艺以其独特优点(如：强化过程中对工件表面热输入量低，强化层与基体间冶金结合，容易实现异种材料焊接，电极材料选择容易等)，建立了其在再制造技术领域中的特殊地位，尤其是该工艺对基体在冶金、力学、疲劳等方面影响极小，使其成为防钛火涂层制备工艺的最佳选择，加上该工艺对操作条件要求低和低成本，使其具有广阔的工业应用前景。

然而，传统的高能微弧火花沉积工艺制备效率低，无法实现对沉积层表观特征(厚度、粗糙度)、涂层结构和涂层性能的精确控制，且涂层表观特征/结构/性能的再现性很差。并且，随着现代航空工业的发展，航空零部件越来越复杂，具有复杂曲面的零件已经广泛应用于工业各领域，这使得传统手工式高能微弧火花工艺已经越来越不能适应工件涂层制备的要求。传统高能微弧火花工艺的升级改造成为工业发展的必然要求。

发明内容

本发明是为了解决传统的高能微弧火花沉积工艺制备效率低，对涂层表观特征、结构、和性能无法实现精确控制的问题，而提出的防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法。

一种防钛火涂层的高能微弧火花数控化沉积方法按以下步骤实现：

步骤一：构建高能微弧火花数控化沉积设备；

在三轴数控铣床基础上，通过一种数控电火花沉积刀柄，将三轴数控铣床和高能微弧火花电源集成在一起，构建起高能微弧火花数控化沉积设备；

步骤二：在步骤一构建的设备上进行防钛火涂层高能微弧火花数控化沉积采用参数化编程方式以点焊式沉积策略进行沉积；

点焊式沉积策略具体步骤为：

步骤二一：数控铣床将电极定位到钛合金工件表面上方；

步骤二二：数控铣床控制电极接近钛合金工件表面；

步骤二三：数控铣床控制电极减速定位在钛合金工件表面上方；

步骤二四：数控铣床控制电极接触工件放电实施单沉积点的沉积；