论文部分内容阅读
高能微弧火花沉积工艺以其独特的工艺特点（如热输入量低、冷却速度快、涂层与基体间冶金结合、电极材料选择容易等）使其在再制造技术领域中获得了特殊地位,然而传统高能微弧火花沉积工艺为手工操作,人工因素的介入无法实现涂层显微结构、成分、性能和表观特征的精确可控,更无法实现对复杂曲线曲面涂层的精确制备。如何实现高能微弧火花沉积工艺自动化和数控化成为该工工艺满足工业界对复杂曲线曲面均质涂层制备需求亟待解决的问题。为此本文以数控铣床为平台,通过设计特殊专用沉积刀柄,构建起高能微弧火花—计算机集成沉积系统,实现了 CIMS技术与传统高能微弧火花电源的无缝集成,开发出了高能微弧火花数控沉积新工艺,完成传统高能微弧火花沉积工艺的自动化和数控化。针对复杂曲线曲面涂层高能微弧火花数控化制备难题,本文以NURBS理论为基础设计构建复杂曲线/曲面涂层,开发出点焊式沉积策略,提出等弦长和等弧长NURBS曲线/曲面涂层沉积插补方法,并以等弦长和等弧长沉积方法成功制备出NURBS曲线/曲面涂层,证实了高能微弧火花数控沉积工艺在复杂曲线/曲面涂层制备上是可行有效的。为实现复杂曲面涂层沉积过程的精确控制,提出NURBS函数映射曲线沉积轨迹规划和控制方法,该方法可将任意预定义平面曲线投影到待沉积NURBS曲面上,借助高能微弧火花数控沉积工艺,完成在此既定NURBS曲面上任意复杂曲线涂层的制备。研究表明通过NURBS函数映射曲线控制曲面涂层沉积轨迹可行有效,为曲面涂层沉积路径规划与控制提供了理论基础。分别借助Matlab软件和FANUC数控系统参数化编程功能开发出高能微弧火花数控沉积离线和在线软件系统,实现复杂曲线/曲面涂层设计、验证和程序生成,通过在线参数赋值可实现任意复杂曲线/曲面涂层制备。自多元高熵合金概念提出以来,已成为全球材料学界研究前沿,多元高熵合金成分设计一直是学界研究的热点和难点问题。针对高能微弧火花数控沉积工艺用多元高熵合金系电极成分设计,本文提出混合焓矩阵,并将传统多元高熵合金热力学改写为矩阵形式,进一步面向多元高熇合金系将矩阵形式改写为函数形式,基于Matlab开发出多元高熵合金电极计算机辅助设计系统软件。针对E1…E2…En-1Exn型多元高熵合金系,提出一种基于热力学参数曲线特征点的多元高熵合金系电极成分设计方法,该方法使设计人员能从整体上把握和预测多元高熵合金系热力学特征,并通过对特征点（即极大/小值点）成分多元高熵合金的配比、熔炼、表征和分析,获得并掌握特征点对应多元高熵合金显微结构,通过对整体（多元高熵合金系热力学参数曲线）和个体（特征点成分多元高熵合金显微结构）综合分析,可便捷把握多元高熵合金系电极显微结构随成分变量的变化规律。针对航空发动机阻燃涂层制备,对由具有一定阻燃性能元素组成的CoCuFeNiCrx（x∈[0 4]）多元高熵合金系进行成分设计与表征分析,证明本文所提出的基于热力学参数曲线特征点的多元高熵合金系成分设计方法可行有效。以CoCuFeNiCrx（x∈[0 4]）多元高熵合金系对应特征点成分配比制备多元高熵合金电极,采用高能微弧火花数控沉积工艺,在TC11钛合金基体上制备出了不同熵值状态（低熵、中熵和高熵）Ti-Co-Cu-Fe-Ni-Cr多元合金涂层,分析了高能微弧火花数控沉积质量过渡特性及规律,阐明了正负极热源形成及其机理,解明了不同熵值状态Ti-Co-Cu-Fe-Ni-Cr多元合金涂层形成固溶体结构的质量过渡规律、热源机制和热力学机理。研究表明,TC11基体质量过渡的非线性增长特性可有效增加Ti-Co-Cu-Fe-Ni-Cr涂层中电极元素含量,使涂层合金体系混合熵由低熵态转变为中熵态进而转变为高熵态,涂层显微结构均为固溶体结构（BCC或BCC+FCC）,高能微弧火花数控沉积工艺极高冷却速度使不满足热力学条件的Ti-Co-Cu-Fe-Ni-Cr多元合金涂层形成了固溶体显微结构。由于涂层显微结构强烈依赖于电极成分,本文再以CuNiSiTiZr和CuNiTiZr为电极,在TC11基体上成功制备出多尺度微纳晶涂层和非晶涂层。激光烧蚀试验表明,Ti-Co-Cu-Fe-Ni-Cr涂层、Cu-Ni-Si-Ti-Zr微纳晶涂层和Cu-Ni-Ti-Zr非晶涂层可有效提高TC11钛合金基体抗烧蚀性能。上述各类涂层的成功制备,体现出高能微弧火花数控沉积工艺在制备特殊显微结构涂层方面具有巨大潜力,数控化工艺过程使其在工业界易于推广,具有广阔应用前景。