编号：FTJS107900
篇名： 复杂曲面碳化钨增强难熔高熵合金涂层等离子熔覆工艺及性能研究
作者： 王朝琴
关键词： 等离子熔覆; 复杂曲面; 插补算法; NURBS模型; 路径规划;
机构：兰州理工大学
摘要： 钛及钛合金因其比强度高、热强度高和耐腐蚀性好等优异性能,成为航空工业和轻量化装备行业的重要材料。然而,钛合金常温和高温耐磨性不足,需要通过表面工程技术以协调表面耐磨性和基体性能的和谐统一。以航空发动机叶片为代表的具有复杂型面零件的钛合金高温防护涂层制备技术,是航空界实现新品制造和旧品再制造的关键技术,我国航空工业一直以来采用手工等离子弧焊以进口焊材完成叶片高温耐磨涂层制备,面临着工艺过程自动化和涂层材料成分配方两大技术门槛和“卡脖子”难题。 在诸如叶片等复杂曲面零件上制备高温耐磨防护涂层,如何实现等离子熔覆路径规划是一个难题,有别于切片再叠加的增材制造技术,虽然后者的研究成果极为丰富,但其在2D切片中的路径规划无法应用到复杂曲面涂层的3D随形等离子熔覆路径规划中。另外,新材料的出现一直是等离子熔覆工艺发展的动力之一,随着(难熔)高熵合金的提出,这种因高熵效应表现出良好高温耐磨性和高温热稳定性的新型金属,成为具有高价值应用前景的航空高温耐磨防护涂层新材料。尽快开展难熔高熵合金涂层新材料及其在复杂零件表面的等离子熔覆制备技术基础研究,是我国航空工业实现高温防护涂层制备技术自主的重要和紧迫工作。针对以上问题,本文主要研究内容如下: (1)本文以Nb、Zr Al、Mo、Ni和WC粉末,基于机器人等离子熔覆系统在TC11钛合金基体上制备出WC增强Ti-Nb-Zr-Mo-Ni-Al-Si难熔高熵合金等离子熔覆层,采用控制变量法研究了工艺参数对等离子熔覆层成形质量的影响规律,即试验中将送粉气流量和送粉转速分别设定在最大值(即6L/min和100r/min)保持不变以确保获得高熵状态熔覆层,并控制其它某一工艺参数不变,分别采用熔覆速度、焊枪高度、电流和离子气流量进行熔覆试验。试验结果表明:熔覆速度过小会导致粉末注入过量形成大宽度和大余高熔覆层,出现许多焊瘤造成成形不良;熔覆速度过大会在起弧处出现弧坑;熔覆速度为2.5mm/s和5mm/s时焊缝成形良好。焊枪高度在5mm时熔覆层成形连续性和余高圆滑性更好;焊枪高度继续增大,熔覆层成形质量变差,出现裂纹和气孔;当焊枪高度太高,会导致基体熔融状态不良。电流70A时熔覆层窄而高且连续性较差;电流增加熔覆层成形质量变好,当电流90～125A时,焊缝成形良好。离子气流量在0.5～2L/min时,熔覆层成形质量较好;但过大的离子气流量会恶化熔覆层成形质量。通过工艺参数试验研究获得优化工艺参数为:送粉气流量6L/min、送粉转速100r/min、熔覆速度2.5mm/s、焊枪高度5mm、电流120A、离子气流量1.6L/min。以该优化参数制备出了x%WC(x=10,30,50)增强难熔高熵合金等离子熔覆层,熔覆层成形良好。 (2)复杂曲线插补是复杂曲线/曲面等离子熔覆层制备工艺过程控制的基础问题,针对复杂曲线插补问题,本文首先采用NURBS模型描述复杂曲线,结合6DOF工业机器人运动学,建立起了针对机器人等离子熔覆系统的计算模型。然后在对比固定步长插补、等弦长插补和等弧长插补三种基本插补方法基础上,以ADAMS弓高控制插补方法实现了平面复杂NURBS曲线等离子熔覆层插补点的精度可控分布,克服了三种基本插补方法不足。在此基础上,进一步提出一种弓高控制二分法逆向搜索插补方法,在重新定义弓高含义的基础上,以二分法逆向搜索加快搜索效率,试验验证获得了良好效果。 (3)平面复杂NURBS曲线即可作为平面复杂曲线熔覆层等距偏置基曲线,也可作为复杂NURBS曲面熔覆层熔覆路径规划曲线,是复杂曲线/曲面熔覆层工艺过程控制的核心问题之一。本文以平面复杂曲线等离子熔覆层路径规划问题为切入点,提出以平面NURBS曲线作为基曲线,对其插补点实施等距偏置,并进一步对偏置点实施NURBS曲线反求,获得平面NURBS曲线等距偏置曲线路径规划方法,该方法一可以为平面复杂NURBS曲线熔覆层直接提供熔覆路径或等距偏置熔覆路径,二可以为复杂NURBS曲面熔覆层提供熔覆路径规划曲线。为解决复杂NURBS曲线等距偏置出现的自交叉点引起的熔覆层成形质量恶化问题,本文以曲率预判自交叉点移除NURBS曲线等距偏置等离子熔覆路径规划方法,获得无自交叉点的反求NURBS曲线,从而改善等离子熔覆层成形质量。 (4)本文针对复杂NURBS曲面等离子熔覆层制备的路径规划问题,将平面复杂NURBS基曲线及其等距偏置曲线,作为NURBS复杂曲面熔覆层的路径规划曲线,采用不同映射/投影方法生成复杂NURBS曲面的熔覆路径。为此提出NURBS函数开环/闭环映射路径规划、参数曲线到参数曲面平行投影路径规划和有限点平行投影反求NURBS曲线路径规划三种等离子熔覆路径规划方法。NURBS函数开环/闭环映射路径规划,可实现对熔覆路径在约束下的精确控制,但在XY视图上3D熔覆路径轮廓与2D熔覆路径规划曲线具有本征性的偏差。参数曲线到参数曲面平行投影路径规划方法,结合蚁群算法,可以在XY视图上获得与2D熔覆路径规划曲线高度重合的3D熔覆路径轮廓。在平行投影路径规划和NURBS反求算法基础上,提出有限点平行投影反求NURBS曲线路径规划方法,当有限个插补点/投影点数量增加时,反求NURBS曲线越来越接近理论投影曲线,此时可以将反求NURBS曲线等同理论投影曲线充当3D熔覆路径,克服了平行投影路径规划方法计算量过大的问题。试验验证表明,上述三种方法能很好的解决复杂曲面等离子熔覆层路径规划问题。 (5)本文对采用优化工艺参数制备的x%WC(x=0,10,30,50)增强难熔高熵合金等离子熔覆层进行表征,研究表明,WC增强难熔高熵合金等离子熔覆层从熔合线向熔池中心的过渡中,具有平面晶→定向胞状晶→胞状树枝晶→胞状树枝晶+等轴胞状晶转变的凝固学特征。熔覆层由BCC相和C14 Laves组成,在金相上包含α相(贫Nb/Mo和富Zr/Ni相)、β相(贫Zr/Ni/Al和富Nb/Mo相)和γ相(贫Nb/Mo/Al和富Ti相)。摩擦磨损试验表明,常温和400℃磨损下,10%WC熔覆层拥有最低平均摩擦系数和最低体积磨损率。800℃磨损下,10%WC、30%WC和50%WC熔覆层拥有低平均摩擦系数和低体积磨损率。