磨料水射流沖蝕熱障涂層實(shí)驗(yàn)研究

趙 凱 ，劉 壯 ，高長(zhǎng)水 ，郭 超

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016；2.江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210016）

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面涂覆熱障涂層，對(duì)提高葉片承溫能力有非常直接的效果，且對(duì)短時(shí)間的超溫有很好的緩解作用，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)大推重比要求[1-3]。但是，由于熱障涂層不導(dǎo)電，給帶涂層葉片的氣膜冷卻孔的電火花加工帶來了難題。對(duì)此，一種可行的解決方法是：先用磨料水射流加工方法在熱障涂層上沖蝕出盲孔，使金屬基體裸露出來，再用常規(guī)的高速電火花小孔加工方法在金屬基體上制孔，從而獲得理想的高精度孔型。

利用高壓磨料水射流加工熱障涂層已有研究報(bào)道。Hashish[4]采用139 MPa磨料水射流（含220目石榴石磨料）對(duì)涂覆有熱障涂層的金屬樣件進(jìn)行了鉆孔加工，在厚度為1.27 mm并帶有0.38 mm厚度熱障涂層的金屬板上加工出了直徑為0.635 mm的小孔。對(duì)于壓力小于8 MPa的低壓磨料水射流，多用于玻璃、鋁合金、塑料等材料的微小孔及微槽加工[5]，目前未見采用低壓磨料水射流加工熱障涂層的報(bào)道。雖然低壓磨料水射流加工的材料蝕除效率低于高壓磨料水射流，但同時(shí)也降低了導(dǎo)致熱障涂層產(chǎn)生分層和開裂的風(fēng)險(xiǎn)，且對(duì)設(shè)備的要求不高，因此具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

本文對(duì)低壓磨料水射流沖蝕熱障涂層進(jìn)行了探索，重點(diǎn)研究了磨料濃度、射流壓力、靶距和沖孔時(shí)間對(duì)熱障涂層孔型特征的影響，以期掌握低壓磨料水射流加工熱障涂層的工藝規(guī)律，為后續(xù)電火花加工氣膜孔提供技術(shù)準(zhǔn)備。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

自行研制的低壓磨料水射流設(shè)備由帶攪拌裝置的工作液槽、隔膜計(jì)量泵、脈動(dòng)阻尼器、試樣夾具、噴嘴頭組成（圖1）。隔膜計(jì)量泵增壓，將預(yù)混合的磨料漿體壓入裝置中，通過直徑為300μm的噴嘴頭對(duì)試樣進(jìn)行沖蝕。

圖1 低壓磨料水射流實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 工藝條件

試樣選用厚度約為3 mm、帶熱障涂層的DZ126鎳基高溫合金，通過電子束物理氣相沉積法（EB-PVD）制備了厚度約為75μm的熱障涂層，含ZrO2陶瓷涂層和MCrAlY金屬粘結(jié)層。采用單因素試驗(yàn)方法，研究沖孔時(shí)間、射流壓力、靶距和磨料濃度對(duì)加工熱障涂層的影響。工藝實(shí)驗(yàn)條件見表1，其中A、B、C、D分別表示沖孔時(shí)間、射流壓力、靶距、磨料濃度等實(shí)驗(yàn)。

表1 工藝實(shí)驗(yàn)條件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 孔型特征分析

圖2是在壓力2.5 MPa、加工時(shí)間1 min、靶距10 mm、磨料濃度1%條件下獲得的孔型特征。孔的截面形狀為“W”型，該結(jié)果與文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)果一致，即在1～3 MPa的射流壓力下，磨料水射流在玻璃表面鉆出“W”型孔。Kowsari等[5]認(rèn)為，當(dāng)磨料顆粒的動(dòng)能較低時(shí)，“W”孔型與磨料水射流的韌性侵蝕有關(guān)。如圖2c所示，可用最大直徑Dt、最大深度Lmax和最小深度Lmin三個(gè)特征尺寸來表征沖蝕孔型。經(jīng)測(cè)量，圖2所示孔型的Dt為496μm（比射流直徑大65%）、Lmin為 14 μm、Lmax為 28 μm。 圖 2d是根據(jù)“W”孔型定義的基體裸露率計(jì)算方法，通過最大直徑Dt、金屬基體裸露直徑Ds和殘余熱障涂層直徑Di來評(píng)價(jià)基體的裸露程度。

圖2 熱障涂層的沖蝕孔型特征

2.2 射流壓力、靶距和磨料濃度對(duì)孔型的影響

圖3 是射流壓力對(duì)沖蝕孔型特征的影響曲線，工藝條件如表1所示編號(hào)B。由圖3可見，孔徑和孔深均隨著射流壓力增加而增大。相對(duì)于射流壓力為2 MPa時(shí)的加工結(jié)果，當(dāng)射流壓力分別增加至2.5、3、3.5 MPa時(shí)，對(duì)于沖蝕孔而言，其Dt分別增大1.6%、7.3%、18%，Lmax分別增大 16%、55%、116%，Lmin分別增大244%、166%、433%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，較高的射流壓力會(huì)導(dǎo)致磨料顆粒動(dòng)能增加，進(jìn)而使加工孔的底部和側(cè)壁在一定時(shí)間內(nèi)具有較高的蝕除速率。在增大射流壓力的過程中，孔深比孔徑增加速度快的原因是：高速射流沿孔的中心方向流動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，再以相對(duì)較低的速度沿孔側(cè)壁流出[5，7]，使孔中心部位的蝕除率高于孔側(cè)壁區(qū)域的蝕除率。

圖3 射流壓力對(duì)熱障涂層沖蝕孔型特征的影響

圖4 是靶距對(duì)沖蝕熱障涂層孔型特征的影響曲線，工藝條件如表1所示編號(hào)C。從圖4可看出，當(dāng)靶距從5 mm增大至15 mm時(shí)，最大直徑Dt略有增加；當(dāng)靶距從15 mm增大至20 mm時(shí)，Dt卻變小，這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果基本一致。文獻(xiàn)[8]模擬了25μm的氧化鋁顆粒從孔徑為254μm的噴嘴以2 MPa的壓力射出時(shí)的中心線速度，發(fā)現(xiàn)中心線上的粒子在離開噴嘴后的一小段距離會(huì)迅速加速，約在10 mm處達(dá)到最大速度并保持該速度前進(jìn)一定距離，然后速度成線性減小。上述結(jié)果顯示，磨料的動(dòng)能將在靶距為10～20 mm的某處達(dá)到最大值，然后隨著行程距離的增加而減小。

圖5是孔型特征隨著磨料濃度變化的情況，工藝條件如表1所示編號(hào)D。由圖5可見，當(dāng)磨料濃度從0.5%增加至1.0%時(shí)，沖蝕孔型的Dt從496μm增大至 524μm、Lmin從 23μm 增大至 31μm、Lmax從33μm增大至52μm。然而，當(dāng)磨料濃度從1.0%增加至1.5%時(shí)，Lmin和Lmax幾乎不變。

圖4 靶距對(duì)熱障涂層沖蝕孔型特征的影響

圖5 磨料濃度對(duì)熱障涂層沖蝕孔型特征的影響

2.3 加工時(shí)間對(duì)孔型的影響

圖6 是在射流壓力為2 MPa、不同加工時(shí)間條件下的沖蝕孔幾何形狀。當(dāng)沖蝕時(shí)間為1 min時(shí)，Dt為 488μm、Lmin為 9μm、Lmax為 24μm；當(dāng)沖蝕時(shí)間從 1 min增加至 4 min時(shí)，Dt依次增大 3%、4%、2%，Lmin依次增大 78%、31%、14%，Lmax依次增大42%、26%、11%。與沖蝕4 min時(shí)的情況相比，沖蝕5 min 的 Dt、Lmin、Lmax分別增大約 7%、175%、96%。說明在4～5 min的沖蝕過程中，金屬基材開始裸露。由圖6還可知，磨料蝕除鎳基高溫合金的速度明顯高于蝕除熱障涂層的速度。

圖6 射流壓力2 MPa時(shí)，沖孔時(shí)間對(duì)熱障涂層沖蝕孔型特征的影響

圖7 是圖6所示條件下，沖蝕時(shí)間為5 min的孔型掃描電鏡和化學(xué)成分圖?？梢姡瑹嵴贤繉雍徒饘倩w上沒有明顯的分層和裂紋。用能量色散譜儀（EDS）對(duì)孔的底部進(jìn)行成分分析，其掃描線長(zhǎng)為425μm，從圖7b可看出，在掃描長(zhǎng)度為50～250μm之間，鋯元素（Zr）和釔元素（Y）的數(shù)量陡降，而鎳元素（Ni）的數(shù)量極速上升，驗(yàn)證了直徑為50～250μm之間時(shí)金屬基體已裸露出來的結(jié)論。由圖7c可見，孔的最大直徑Dt為571μm，金屬基體裸露的直徑Ds為477μm，殘余熱障涂層的直徑Di為110μm。

圖7 射流壓力2 MPa及沖孔時(shí)間5 min時(shí)的沖蝕孔型分析

圖8 是在射流壓力為3 MPa時(shí)，不同加工時(shí)間對(duì)熱障涂層沖蝕孔型的影響?？梢?，與圖6所示結(jié)果相似，Dt、Lmin、Lmax均隨著沖蝕時(shí)間的增加而增大。結(jié)果還表明，射流壓力為3 MPa時(shí)的材料蝕除率明顯大于2 MPa時(shí)。

圖8 射流壓力3 MPa時(shí)，沖孔時(shí)間對(duì)熱障涂層沖蝕孔型特征的影響

圖9 是圖8所示條件下，沖蝕時(shí)間為2 min的孔型SEM形貌圖和化學(xué)成分圖?？梢姡瑹嵴贤繉拥谋砻嫖闯霈F(xiàn)微裂紋，且金屬基體和熱障涂層之間也沒有分層開裂的現(xiàn)象。能譜分析結(jié)果顯示，沖蝕加工 2 min后獲得的 Dt為 573 μm、Ds為 483 μm，有84%的熱障涂層被去除。

圖9 射流壓力3 MPa及沖孔時(shí)間2 min時(shí)的沖蝕孔型分析

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了帶熱障涂層的磨料水射流沖蝕加工工藝，其目的在于去除涂覆在金屬基材表面的涂層，暴露出金屬基材料，為后續(xù)的電火花微小孔加工提供可能性。研究結(jié)果表明，采用較低壓力的磨料水射流加工方法能有效去除熱障涂層，且加工表面質(zhì)量好，熱障涂層與基材結(jié)合面未發(fā)現(xiàn)分層、金屬基材也未發(fā)現(xiàn)明顯的微觀裂紋。

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的氣膜冷卻孔直徑約為0.25～2.0 mm，在今后工作中研究控制孔的幾何形狀以滿足工業(yè)需求是非常必要的。此外，單個(gè)渦輪葉片上可能有幾十個(gè)冷卻孔，而一個(gè)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上也可能有成千上萬(wàn)個(gè)孔。因此，從實(shí)際生產(chǎn)角度來看，有必要進(jìn)一步提高熱障涂層的去除速率。