带热障涂层航空发动机构件的冲蚀与电火花组合制孔方法研究

Electro discharge machining (EDM) has been broadly used to machine the small and micro holes of the key components of aero engine. The thermal barrier coatings (TCBs) technology have been developed as a key heat protection technique, which results in a significant improvement in performance and high efficiency of gas turbine engines. However, the EDM technology is restricted to machine holes of TBCs components due to the non-conductivity property of TBCs. This project proposes a machining process which combines an abrasive water jet machining (AWJ) and an EDM machining to fabricate small and micro holes of TBCs parts. The fundamental of the proposed process is to drill the TBCs using AWJ machining followed by a drilling of metal part using EDM. There are two fundamental problems, which are the influence of machining parameters on characteristics of eroded TBCs hole and correlation between metal exposing rate and EDM machinability, expected to be researched in the future work. Afterwards, it is planned to obtain knowledge of regulating diameter of TBCs’ drilling hole, develop a dynamic recognition of metal exposing rate and prevent negative effect of discharge on TBCs. As a result, an innovative drilling process, which is expected with advantages of high efficiency, high performance and low cost, can be accessed.

在航空发动机构件表面制备热障涂层，已成为航空发动机的关键热防护技术。电火花加工技术则被广泛应用于航空发动机构件的微小孔加工。由于热障涂层不导电，导致电火花加工技术在带热障涂层航空发动机构件微小孔加工应用上受到限制。因此，本项目拟开展磨料水射流冲蚀与电火花加工同工位组合制孔方法研究，基本思想是：借助于金属管电极，首先利用磨料水射流冲蚀加工不导电的热障涂层，形成冲蚀孔型，暴露金属基体；再利用电火花加工金属基体孔型。拟开展四项内容研究：①热障涂层冲蚀孔型特征的预测与调控、②金属基材冲蚀裸露率的动态辨识、③电火花放电对热障涂层的影响与对策、④该方法的应用基础研究。重点解决两个基础科学问题：①冲蚀参数对热障涂层孔型特征的影响规律、②金属基材冲蚀裸露率与电火花放电加工性能的关联机制。最终突破带热障涂层航空发动机构件的冲蚀与电火花组合制孔关键技术，为我国航空发动机结构件微小孔加工制造提供技术储备。

带热障涂层航空发动机构件的微小孔加工是制造技术领域的一个难题。针对此难题，当前存在两个技术发展方向，其一是“先制孔再涂层”，其二是“先涂层再制孔”。本项目针对“先涂层再制孔”的技术方向，探索采用磨料冲蚀-电火花组合加工方法解决带热障涂层航空发动机构件的微小孔加工难题。首先，开展了热障涂层冲蚀孔型特征的预测与调控研究，探究了APS涂层及EB-PVD涂层的冲蚀去机理，分析了磨料水射流冲蚀参数对冲蚀孔型几何特征的影响规律，建立了冲蚀孔径、冲蚀孔深的经验预测模型。结果发现，在单磨粒冲击时，热障涂层表面会先产生压痕，同时涂层受冲击后产生的内应力会在柱状晶内进行传播，继而会在产生的拐弯带处萌生裂纹，裂纹会逐步向拐弯带的弯折方向扩展，最终导致成片的剥落。与此同时，EB-PVD热障涂层冲蚀孔型呈“W”型，而APS热障涂层冲蚀孔型多呈“U”型，射流靶距是影响孔径的主要因素，冲孔时间是影响孔深的主要因素。其次，进行了金属基材冲蚀裸露率的动态辨识方法研究，借助冲蚀孔型特征预测模型，实验分析了冲蚀孔型底部金属基体冲蚀裸露面积与电火花可加工性之间的关联，提出了基于弱电流检测与电化学溶解原理的金属基体裸露率在线识别方法。最后进行了电火花放电对热障涂层的影响与对策研究，通过数值计算掌握了电火花放电对热障涂层及涂层/金属结合界面的影响机理，试验分析了电火花放电对热障涂层孔壁、界面结合部位的影响。结果发现，采用较小直径的管电极进行加工可减少热障涂层表面微裂纹的产生，过大的峰值电流、脉冲宽度以及冲液压力会对已冲蚀成型的热障涂层产生较大的破坏作用，也会增大电蚀产物不能及时抛出导致堆积的可能性。在项目研究过程中，共发表研究论文13篇，其中SCI收录6篇，CPCI收录2篇；申请发明专利5项，其中获授权1项；课题组人员参与国际会议并宣读论文4人次；培养硕士研究生6名。完成了既定的研究目标。