[发明专利]一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法

说明书

本发明公开了一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法，它解决了均质材料涂层不能满足冲击角度大范围变化的复杂型面的抗冲蚀问题，其得出热喷涂涂层塑脆比和冲击角度变化的对应关系，使得复杂型面零部件表面的热喷涂涂层性能匹配各部位需求的抗冲蚀性能，其技术方案为：根据零部件运行环境条件，确定复杂型面零部件表面的冲击角度的变化规律；根据使用工况要求，选择抗冲蚀涂层材料；通过冲蚀试验获取涂层的冲击角度‑塑脆比‑冲蚀率关系；确定涂层的塑脆比与冲击角度的对应关系曲线；基于切向渐变涂层与表面冲击角度匹配关系，利用送粉量实时可调的双路送粉热喷涂设备，进行喷涂。

技术领域

本发明属于热喷涂技术领域，特别是涉及一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法。

背景技术

冲蚀工况下的复杂型面零部件广泛应用于石油、化工、冶金、天然气输送等行业，在国民经济发展及国防领域占有重要地位。大型离心式压缩机叶轮是典型复杂型面零部件，其一般采用超高强度材料制造，且空间几何结构复杂，材料成本及加工成本高昂。在西气东输服役环境中，受气固两相流冲蚀磨损，叶片减薄是其重要损伤形式，热喷涂技术是强化其表面抗冲蚀性能的重要技术之一。

冲蚀率作为衡量冲蚀磨损的重要指标，受入射粒子与复杂型面表面间的冲击角度和涂层材料的脆塑性影响较大，如图1、2所示，脆性涂层材料在中小角度下抗冲蚀性能良好，塑性材料在大角度下抗冲蚀性能良好，二者在冲击角度[0°,90°]变化范围内抗冲蚀性能迥异。

如图3所示，复杂型面表面受冲击时，因整体型面上冲击角度变化范围大，均质涂层无法满足其在各冲击角度下的抗冲蚀性能要求，因此，亟待开发脆塑性沿复杂型面表面变化的非均质切向渐变涂层，以匹配服役时表面的冲击角度变化，提高抗冲蚀能力。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法，根据塑性材料和脆性材料在不同冲击角度下表现出的抗冲蚀性能巨大差异，理论计算、软件仿真和试验相结合获取涂层的塑脆比(塑性材料占混合粉末的质量分数)、冲蚀率和冲击角度的对应关系，构建喷涂材料沿复杂型面表面渐变的涂层结构，使得涂层抗冲蚀性能匹配复杂型面各部位需求。

进一步的，本发明采用下述技术方案：

一种复杂型面工件切向渐变热喷涂涂层设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据复杂型面工件结构、工况条件，确定复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律；

步骤2：根据使用工况需求选择抗冲蚀涂层材料，包括脆性材料与塑性材料；

步骤3：采用步骤2的抗冲蚀涂层材料对工件进行喷涂，并进行冲蚀试验，测试得到抗冲蚀涂层的冲击角度-塑脆比-冲蚀率三者关系；

步骤4：根据步骤1和步骤3，结合复杂型面工件的冲蚀率阈值约束条件，确定抗冲蚀涂层的塑脆比与冲击角度的对应关系；

步骤5：由步骤4的对应关系，确定涂层塑脆比与复杂型面工件表面位置的对应关系，对复杂型面工件表面进行热喷涂。

进一步的，所述步骤1中，工况条件包括冲蚀粒子性能(种类、粒度、形状)和环境条件(气固两相流流速、压力和温度)。

进一步的，所述步骤1中，分析复杂型面工件服役工况，理论计算并提取气相边界条件与颗粒边界条件，采用流体仿真软件仿真分析得出复杂型面工件表面与冲蚀粒子间冲击角度的变化规律。

所述步骤2中，根据脆性材料和塑性材料的抗冲蚀性能，结合工件使用工况要求，具体确定抗冲蚀涂层材料中脆性材料和塑性材料的种类。

进一步的，所述步骤2中，抗冲蚀涂层材料由塑性材料和脆性材料机械混合而成。

进一步的，抗冲蚀涂层材料的塑脆比变化范围为[0,1]。