基于材料辨识的绝缘陶瓷涂层-金属多层结构材料小孔电火花加工技术

Thermal-barrier-coated supemralloys(TBCs) has been widely applied in hot end components of aeroengine. Aimed at the current difficulty of machining small hole on TBCs, typically the insulating ceramic-coated metal multi-layer structure material, this project is to study the one-step electrical discharge machining (EDM) of small holes. The project proposes a novel technique, an inner-jet-liquid electrode-rotated EDM with assisting electrode. The high-quality machining can be realized using this approach. Through establishing multiple physical fields coupled simulation physical model for EDM of multi-layer structure material and fluid dynamics model of inclined hole of discharge machining region under the condition of flushing, with the simulation analysis, gap discharge state analysis and surface test and analysis, the project is to study the ceramic-coating conductive film formation mechanism and its effect on discharging status; to study the mechanism of discharge erode, mechanism of recast layer formation, mechanism of interface separation and mechanism of diffusion, mechanism of its influence on processing quality. The types of materials and material identification strategy of interface discharge state detection were put forward in this project; to study self-adjusting electrical parameters and servo feed adaptive control technology based on material identification, to achieve discharge process based on the material type of real-time control, and to improve the processing of surface integrity and processing speed.

热障涂层高温合金广泛应用于航空发动机热端零部件,项目针对热障涂层高温合金等绝缘陶瓷涂层-金属多层结构材料小孔难加工问题，进行电火花一次加工成形技术研究。提出基于材料辨识的绝缘陶瓷涂层-金属多层结构材料旋转电极内冲液式辅助电极电火花加工方法及技术，对其实现高质量一次加工成形。进行多层结构材料放电加工多物理场耦合物理模型和内冲液倾斜孔放电加工区流体动力学物理模型的建立，通过仿真分析、间隙放电状态分析和加工表面测试分析，研究陶瓷涂层导电膜形成机理，及其对间隙放电状态的影响机制；研究放电蚀除机理、重熔层形成机理、交界面分离现象和扩散现象产生机理,及其对加工质量影响机制，提出材料种类及其交界面放电状态检测的材料辨识策略，研究基于材料辨识的电参数自调整技术与伺服进给自适应控制技术，以实现放电加工过程基于材料种类的实时控制，提高加工表面完整性和加工速度。

热障涂层高温合金热端零部件上采用气膜冷却孔技术，能有效提高发动机推力与推重比，该技术已广泛用于航空发动机领域。然而，热障涂层高温合金是一种由绝缘脆性陶瓷涂层、导电黏结层、高温合金基体组成的多层结构材料，各层材料的物理性质不同，利用现有的制孔方法加工气膜孔存在加工步骤繁琐，小孔易堵塞，孔径一致性差的问题。.本项目提出并研究了基于材料辨识的绝缘陶瓷-金属多层结构材料旋转电极内冲液式辅助电极电火花加工方法及技术，简化了加工步骤，避免了传统机械钻孔加工导致的气膜孔堵塞问题的发生，实现了热障涂层高温合金小孔的高质量一次加工成形，为绝缘陶瓷-金属多层结构材料的电火花加工提供了一定的理论与技术基础。.首先，建立了基于绝缘陶瓷-高温合金多层结构材料放电加工的多场耦合物理模型，进行了热障涂层高温合金温度场-应力场耦合仿真和间隙流场仿真，研究了各材料层和交界面处放电蚀除机理，电蚀产物分布规律，分析了界面扩散和分离现象产生机理。对比分析了陶瓷涂层与金属放电状态的差异性，研究了绝缘陶瓷加工表面导电膜形成机理，以及导电膜的生成对放电状态影响。提出了基于脉宽检测的7阈值比较与击穿延时联合辨识的热障涂层高温合金电火花小孔加工的放电状态检测方法，研制了放电状态检测装置，实现了热障涂层高温合金10种典型放电状态的检测。研制了热障涂层高温合金参数自调整脉冲电源，实现了不同材料层的放电能量的实时切换。提出了基于材料类型的模糊伺服控制技术，研制了基于“PC+PMAC控制器”的热障涂层高温合金电火花小孔加工控制系统，实现了热障涂层高温合金放电间隙的有效调节。最后，进行了基于材料类型的模糊伺服控制技术的热障涂层高温合金电火花小孔加工工艺试验研究。研究了加工参数对加工速度和加工质量的影响规律，优选了直径Φ0.3mm、Φ0.5mm、Φ0.9mm和Φ1.2mm小孔下8YSZ陶瓷涂层和GH4169高温合金的加工参数，实现了高质量、高效率的一次加工成形。