本發(fā)明涉及工裝設(shè)計(jì)，特別是涉及一種等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法及工裝，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)多聯(lián)葉片試驗(yàn)件等工件的等離子物理氣相沉積處理。

背景技術(shù)：

1、等離子物理氣相沉積(ps-pvd)是一種先進(jìn)的熱障涂層制備技術(shù)，它結(jié)合了等離子噴涂的高能特性和物理氣相沉積的精密控制優(yōu)勢，通過高能等離子射流將涂層材料加熱、蒸發(fā)并輸運(yùn)到基體表面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)涂層的沉積。然而，由于等離子焰流在工件表面的流動(dòng)狀態(tài)難以精確控制，焰流的流動(dòng)速度、溫度和成分分布等參數(shù)的變化會(huì)影響工件表面涂層沉積厚度的均勻性。然而目前對于噴涂電流、送粉量等工藝參數(shù)的調(diào)控，依賴于試錯(cuò)法，這導(dǎo)致工藝穩(wěn)定性不足，涂層厚度均勻性依然難以保證。

2、發(fā)明人知曉的一種等離子物理氣相沉積用多工位回轉(zhuǎn)工裝裝置，通過公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工件在噴涂過程中的均勻旋轉(zhuǎn)，有望提升工件涂層厚度的均勻性，但這種方式容易受到工件形狀、尺寸和噴涂角度等因素的限制，無法精確調(diào)控等離子焰流在工件表面的流動(dòng)狀態(tài)，因此無法從根本上解決涂層厚度不均一化的問題。

3、通過增加噴涂厚度和延長噴涂時(shí)間，雖然可以實(shí)現(xiàn)等離子焰流流動(dòng)狀態(tài)的優(yōu)化，改善涂層的均勻性，但帶來了額外的成本和時(shí)間消耗。

4、針對當(dāng)前等離子焰流在工件表面流動(dòng)狀態(tài)難以控制的主要缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種新型的等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法及工裝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種新型的等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法及工裝，通過有限元模擬的方法，能夠準(zhǔn)確預(yù)測等離子焰流在工件表面的流動(dòng)行為特征，完成優(yōu)選工藝參數(shù)的選擇，從而有利于主動(dòng)且精確調(diào)控等離子焰流的流動(dòng)狀態(tài)，保證工件涂層的厚度均勻性，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的等離子焰流流動(dòng)狀態(tài)無法精確調(diào)控，加工成本高，耗時(shí)長，工作效率低等問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、本發(fā)明提供一種等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法，包括步驟：

4、s1、建立工件有限元幾何模型；

5、s2、對所述工件有限元幾何模型進(jìn)行有限元流場數(shù)值模擬，以對工件表面流動(dòng)分析；

6、s3、根據(jù)有限元模擬分析得到的流體力學(xué)模擬結(jié)果，獲取工件中等離子焰流速度較小區(qū)域以及陰影區(qū)，并針對工件中等離子焰流速度較小區(qū)域以及陰影區(qū)，在工裝中增設(shè)導(dǎo)流件并再次進(jìn)行有限元模擬分析，直至工裝初步定型；

7、s4、工裝初步定型后，對工件進(jìn)行等離子物理氣相沉積噴涂；

8、s5、測量工件表面的沉積涂層厚度均勻性，并根據(jù)所測涂層厚度和涂層微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化工裝幾何外形與噴涂參數(shù)，若工件表面的涂層厚度、微觀結(jié)構(gòu)均達(dá)到預(yù)設(shè)要求，執(zhí)行步驟s6，若工件表面的涂層厚度和微觀結(jié)構(gòu)中至少一者未達(dá)到預(yù)設(shè)要求，重復(fù)步驟s3～s5；

9、s6、對工裝定型，設(shè)計(jì)完成。

10、優(yōu)選地，步驟s1中，建立工件有限元幾何模型的同時(shí)，在工件外周模擬建立外流場。

11、優(yōu)選地，步驟s1中，還將工件和外流場的有限元幾何模型導(dǎo)入有限元網(wǎng)格劃分軟件icem，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。

12、優(yōu)選地，步驟s2中，采用有限元模擬軟件fluent對工件表面流動(dòng)分析。

13、優(yōu)選地，步驟s5中的噴涂參數(shù)包括噴涂距離、送粉量、基體轉(zhuǎn)速和噴涂電流中的至少一者。

14、優(yōu)選地，所述工件為多聯(lián)葉片試驗(yàn)件。

15、本發(fā)明還提出一種等離子物理氣相沉積用的工裝，采用上述任意一項(xiàng)所述的等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)而成，包括：

16、上殼體，用于與工件的第一端貼合布置；

17、下殼體，用于與所述工件的第二端貼合布置；

18、導(dǎo)流件，可拆卸連接于所述上殼體和所述下殼體之間，以使所述上殼體和所述下殼體夾持所述工件，且所述導(dǎo)流件能夠改變等離子焰流在工件表面的流動(dòng)狀態(tài)，以使工件表面涂層均勻化。

19、優(yōu)選地，所述上殼體和所述下殼體的兩側(cè)邊緣均設(shè)置有安裝滑槽，所述導(dǎo)流件能夠沿所述安裝滑槽移動(dòng)，并通過螺絲與所述安裝滑槽相連。

20、優(yōu)選地，所述上殼體和所述下殼體均為平板結(jié)構(gòu)；或者，所述上殼體和所述下殼體均為具有凹腔的殼蓋結(jié)構(gòu)。

21、優(yōu)選地，所述導(dǎo)流件為導(dǎo)流柱或?qū)Я髌?/p>

22、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下技術(shù)效果：

23、本發(fā)明提出的等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法，通過有限元模擬的方法得到等離子焰流在工件表面的流動(dòng)行為特征并進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，通過引入導(dǎo)流件的方式對焰流的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)控制，可使噴涂工藝更加精確可控，提高涂層厚度均勻性與微觀結(jié)構(gòu)可控性，能夠節(jié)省前期試錯(cuò)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)和穩(wěn)定性。

24、本發(fā)明提出的等離子物理氣相沉積用工裝，采用上述等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)而成。該工裝結(jié)構(gòu)新穎合理，通過設(shè)置導(dǎo)流件，可在噴涂時(shí)改變等離子焰流的流動(dòng)方向，進(jìn)而對焰流的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)控制，使噴涂工藝更加精確可控，從而可提高工件表面涂層的厚度均勻性，改善涂層微觀結(jié)構(gòu)，提升工件噴涂品質(zhì)。適用于提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)多聯(lián)葉片試驗(yàn)件的等離子物理氣相沉積涂層厚度均一性，并優(yōu)化涂層微觀結(jié)構(gòu)。

1.一種等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟s1中，建立工件有限元幾何模型的同時(shí)，在工件外周模擬建立外流場。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟s1中，還將工件和外流場的有限元幾何模型導(dǎo)入有限元網(wǎng)格劃分軟件icem，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟s2中，采用有限元模擬軟件fluent對工件表面流動(dòng)分析。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟s5中的噴涂參數(shù)包括噴涂距離、送粉量、基體轉(zhuǎn)速和噴涂電流中的至少一者。

6.根據(jù)權(quán)利要求1～5任意一項(xiàng)所述的等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述工件為多聯(lián)葉片試驗(yàn)件。

7.一種等離子物理氣相沉積用的工裝，采用權(quán)利要求1～6任意一項(xiàng)所述的等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)而成，其特征在于，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的等離子物理氣相沉積用的工裝，其特征在于，所述上殼體和所述下殼體的兩側(cè)邊緣均設(shè)置有安裝滑槽，所述導(dǎo)流件能夠沿所述安裝滑槽移動(dòng)，并通過螺絲與所述安裝滑槽相連。

9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的等離子物理氣相沉積用的工裝，其特征在于，所述上殼體和所述下殼體均為平板結(jié)構(gòu)；或者，所述上殼體和所述下殼體均為具有凹腔的殼蓋結(jié)構(gòu)。

10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的等離子物理氣相沉積用的工裝，其特征在于，所述導(dǎo)流件為導(dǎo)流柱或?qū)Я髌?/p>
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種等離子物理氣相沉積用工裝設(shè)計(jì)方法及工裝，通過有限元模擬的方法得到等離子焰流在工件表面的流動(dòng)行為特征并進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，通過引入導(dǎo)流件的方式對焰流的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)控制，可使噴涂工藝更加精確可控，提高涂層厚度均勻性與微觀結(jié)構(gòu)可控性，能夠節(jié)省前期試錯(cuò)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)和穩(wěn)定性。工裝結(jié)構(gòu)新穎合理，通過設(shè)置導(dǎo)流件，可在噴涂時(shí)改變等離子焰流的流動(dòng)方向，進(jìn)而對焰流的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)控制，使噴涂工藝更加精確可控，從而可提高工件表面涂層的厚度均勻性，改善涂層微觀結(jié)構(gòu)，提升工件噴涂品質(zhì)。本發(fā)明適用于提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)多聯(lián)葉片試驗(yàn)件的等離子物理氣相沉積涂層厚度均一性，并優(yōu)化涂層微觀結(jié)構(gòu)。

技術(shù)研發(fā)人員：裴延玲,張?jiān)鴦P,蘇杭,王一帆,劉原,張恒,李樹索,宮聲凱
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/22