一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植方法与流程

本发明涉及一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植方法，属航空发动机涡轮叶片耐磨涂层技术领域。

背景技术：

航空发动机的封严密封是影响发动机效率的重要因素。目前低温段的风扇叶片与压气机涡轮叶片均采用叶尖耐磨涂层与机匣内表面可磨耗封严涂层组成封严密封对，以提高气密性。随着发动机性能越来越高，高温段叶片叶尖耐磨涂层逐渐引起重视。高温段（大于850℃）叶片通常采用单晶高温合金以获取更优异的高温使用性能。相对于低温段叶片，高温段叶片叶尖所承受的工作应力和温度更高，且变化比较频繁和剧烈，对磨的氧化锆基、mcraly基可磨耗封严涂层硬度较高、润滑性较差。因此，高温段叶片叶尖耐磨涂层必须具备优良的抗热腐蚀和抗高温氧化性、界面稳定性、高温耐磨性、抗热震性等。

叶尖耐磨涂层的主要设计思路之一是将耐磨颗粒（粒径75~500μm）部分露出涂层表面，使颗粒顶部在叶片旋转时能够切入对磨的可磨耗封严涂层形成沟槽（称为“外露式”叶尖耐磨涂层），这样不仅能使涂层耐磨性能提高，也能进一步减小叶尖机匣之间的间隙，提高效率。然而，目前高温段叶片叶尖耐磨涂层的制备工艺（主要为电沉积、钎焊、火花放电种植等）还存在不少问题有待深入研究，如结合力不足、制备过程对母材组织性能影响大、效率低等，开发新的涂层制备工艺也成为高温段叶尖耐磨涂层成熟应用的必要途径。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为了改善涡轮叶片叶尖耐磨涂层性能、延长涡轮叶片使用寿命、提升航空发动机气密性和燃油效率，提出一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植方法，以获得颗粒与工件产生冶金牢固结合的耐磨涂层。

实现本发明的技术方案如下，

一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植方法，包括以下步骤：

（1）将待种植工件表面打磨平整去除表面氧化膜和其他杂质，然后在无水乙醇或丙酮中清洗干净，吹干备用；

（2）在待种植陶瓷颗粒表面采用化学镀制备金属导电层；

（3）将工件接入精密脉冲电弧点焊设备的负极并调整水平，钨电极接入正极，表面金属化的陶瓷颗粒均匀预置于工件待种植表面，开启精密脉冲电弧点焊设备，设置颗粒种植参数；

（4）在电极与颗粒之间引入焊丝，焊丝材料为镍基高温合金，焊丝、颗粒、工件相互接触，电极与工件距离0.5~2mm之间时通电，形成脉冲电弧，同时熔化焊丝、陶瓷颗粒表面金属层、陶瓷颗粒底部附近部分工件材料，其中熔化焊丝形成熔滴滴落在陶瓷颗粒表面并流动至陶瓷颗粒底部，陶瓷颗粒表面金属层熔化直接流动至陶瓷颗粒底部，陶瓷颗粒底部附近熔化形成凹坑，三者在颗粒底部混合后填满凹坑并逐渐凝固形成对陶瓷颗粒底部的牢固包埋，完成脉冲点焊颗粒种植过程；

（5）通过逐点种植的方式完成大面积的陶瓷颗粒种植，从而形成耐磨涂层。

所述陶瓷颗粒为氧化物、碳化物、氮化物或硼化物；所述陶瓷颗粒为无规则棱角多边形，粒径为200~700μm。

所述金属导电层材料为镍及镍合金、铜及铜合金、铝及铝合金，厚度为10μm~500μm。

所述颗粒种植参数为：脉冲电流2~500a，脉冲频率1~5hz，脉冲时间1~150ms，电极与工件之间距离0.5~3mm。

所述焊丝直径1~4mm；所述陶瓷颗粒底部包埋深度为陶瓷颗粒粒径的30%~70%。

所述精密脉冲电弧点焊设备为电容储能脉冲电弧焊机。

所述形成耐磨涂层的单点脉冲点焊种植颗粒数为1~400颗。

本发明的有益效果是，本发明利用精密脉冲电弧的高温熔化焊丝、陶瓷颗粒表面金属层、工件材料，可实现对陶瓷颗粒的包埋，界面为牢固的冶金结合。本发明方法通过改变调节工艺参数，如焊丝直径、进给速度、脉冲电流、脉冲时间等，可方便实现对单点脉冲种植面积、包埋深度的调整，也可实现大面积颗粒种植，甚至实现自动化；本发明方法对设备成本投入小，颗粒种植效率高，焊丝可选范围大，且有较为齐全的标准牌号可供选择。

附图说明

图1为精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植工艺示意图；

图2为精密脉冲电弧点焊种植ni包覆al2o3颗粒的形貌图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植工艺如下：

（1）将待种植工件表面打磨平整去除表面氧化膜和其他杂质，然后在无水乙醇或丙酮中清洗干净，吹干备用。

（2）陶瓷颗粒选用氧化物、碳化物、氮化物或硼化物，颗粒为无规则棱角多边形，粒径为200~700μm；在待种植陶瓷颗粒表面采用化学镀工艺制备镍及镍合金、铜及铜合金、铝及铝合金导电层，厚度为10μm~500μm。

（3）将工件接入精密脉冲电弧点焊设备的负极并调整水平，钨电极接入正极，表面金属化的陶瓷颗粒均匀预置于工件待种植表面，开启精密脉冲电弧点焊设备，设置相应参数：脉冲电流2~500a，脉冲频率1~5hz，脉冲时间1~150ms，电极与工件之间距离0.5~3mm。

（4）将钨电极与金属表面化的陶瓷颗粒接触，形成的脉冲电弧产生高温熔化陶瓷颗粒表面金属层，使其流动至颗粒底部，同时脉冲电弧的高温也熔化陶瓷颗粒底部附近部分工件材料形成凹坑，二者混合并填满凹坑后逐渐凝固形成对陶瓷颗粒底部的牢固包埋，完成脉冲点焊颗粒种植过程；或者，在钨电极与陶瓷颗粒之间引入焊丝，焊丝材料为镍基高温合金，直径1~4mm，在电极、焊丝、颗粒、工件同时接触形成电流回路的瞬间形成脉冲电弧，同时熔化焊丝、陶瓷颗粒表面金属层、陶瓷颗粒底部附近部分工件材料，其中熔化焊丝形成熔滴滴落在陶瓷颗粒表面并流动至陶瓷颗粒底部，陶瓷颗粒表面金属层熔化直接流动至陶瓷颗粒底部，陶瓷颗粒底部附近熔化形成凹坑，三者在颗粒底部混合后填满凹坑并逐渐凝固形成对陶瓷颗粒底部的牢固包埋，完成脉冲点焊颗粒种植过程。通过调节焊丝直径、进给速度、脉冲电流、脉冲时间，可控制颗粒包埋深度为30%~70%，单点脉冲点焊可同时种植陶瓷颗粒1~400颗。

（5）通过逐点种植的方式完成大面积的陶瓷颗粒种植，从而可形成耐磨涂层。

实施例1

选用镍基单晶高温合金pwa1484作为工件材料，工件表面经打磨平整后采用无水乙醇清洗干净并吹干。陶瓷颗粒选用al2o3颗粒，粒径180μm~380μm，采用化学镀工艺在al2o3颗粒表面制备ni-p合金导电层，层厚50μm。

将工件接入精密脉冲点焊机的负极并调整水平，钨电极接正极，带导电层的al2o3陶瓷颗粒均匀铺放在工件表面。

焊丝选用ni基高温合金，焊丝直径1.6mm。调整点焊参数：脉冲电流80a，脉冲时间40ms，脉冲频率1hz，电极与工件之间距离2mm。将焊丝放置于al2o3颗粒顶部保持接触，将钨电极与焊丝接触完成脉冲点焊。焊丝熔化后形成熔滴迅速包裹住陶瓷颗粒，陶瓷颗粒包埋深度为40%~60%，单点脉冲可包埋约20颗陶瓷颗粒。

精密脉冲电弧点焊种植ni包覆al2o3颗粒的形貌如图2所示。

技术特征：

1.一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）将待种植工件表面打磨平整去除表面氧化膜和其他杂质，然后在无水乙醇或丙酮中清洗干净，吹干备用；

（2）在待种植陶瓷颗粒表面采用化学镀制备金属导电层；

（3）将工件接入精密脉冲电弧点焊设备的负极并调整水平，钨电极接入正极，表面金属化的陶瓷颗粒均匀预置于工件待种植表面，开启精密脉冲电弧点焊设备，设置颗粒种植参数；

（4）在电极与颗粒之间引入焊丝，焊丝材料为镍基高温合金，焊丝、颗粒、工件直接接触，电极与工件存在一定距离时接通电源形成脉冲电弧，同时熔化焊丝、陶瓷颗粒表面金属层、陶瓷颗粒底部附近部分工件材料，其中熔化焊丝形成熔滴滴落在陶瓷颗粒表面并流动至陶瓷颗粒底部，陶瓷颗粒表面金属层熔化直接流动至陶瓷颗粒底部，陶瓷颗粒底部附近熔化形成凹坑，三者在颗粒底部混合后填满凹坑并逐渐凝固形成对陶瓷颗粒底部的牢固包埋，完成脉冲点焊颗粒种植过程；

（5）通过逐点种植的方式完成大面积的陶瓷颗粒种植，从而形成耐磨涂层。

2.根据权利要求1所述的一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒为氧化物、碳化物、氮化物或硼化物；所述陶瓷颗粒为无规则棱角多边形，粒径为200~700μm。

3.根据权利要求1所述的一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植方法，其特征在于，所述金属导电层材料为镍及镍合金、铜及铜合金、铝及铝合金，厚度为10μm~500μm。

4.根据权利要求1所述的一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植方法，其特征在于，所述颗粒种植参数为：脉冲电流2~500a，脉冲频率1~5hz，脉冲时间1~150ms，电极与工件距离0.5~3mm。

5.根据权利要求1所述的一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植方法，其特征在于，所述焊丝直径1~4mm；所述陶瓷颗粒底部包埋深度为陶瓷颗粒粒径的30%~70%。

6.根据权利要求1所述的一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植方法，其特征在于，所述形成耐磨涂层的单点脉冲点焊种植颗粒数为1~400颗。

7.根据权利要求1所述的一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植方法，其特征在于，所述精密脉冲电弧点焊设备为电容储能脉冲电弧焊机。

技术总结
一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植方法，包括以下步骤：（1）将待种植工件表面打磨平整清洗干净；（2）在待种植陶瓷颗粒表面镀制备金属导电层；（3）将工件接入点焊设备的负极，钨电极接入正极，表面金属化的陶瓷颗粒均匀预置于工件待种植表面，开启精密脉冲电弧点焊设备，设置颗粒种植参数；（4）在电极与颗粒之间引入焊丝，焊丝、颗粒、工件直接接触，电极与工件存在一定距离时接通电源形成脉冲电弧，完成脉冲点焊颗粒种植过程；（5）通过逐点种植的方式完成大面积的陶瓷颗粒种植，从而形成耐磨涂层。本发明可实现大面积陶瓷颗粒种植。

技术研发人员：王德;王文琴;程东海;熊震宇;江淑园;刘频;胡德安
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：2020.04.21
技术公布日：2020.07.31