CN112941510B - 一种电火花沉积制备高熵合金涂层的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电火花沉积制备高熵合金涂层的装置及方法,包括:加工机构:包括密封罩,密封罩内设置有能够放置工件的二轴联动机构,二轴联动机构一侧设有竖向升降机构,竖向升降机构与动力***连接,动力***连接有主轴,主轴通过压电促动器连接有工具电极;保护气供给机构:通过管路与密封罩连接,所述管路上安装有调压件,电源组件:其正极用于与工具电极连接,负极用于与工件连接,采用本发明的装置制备的涂层质量好。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工设备技术领域,具体涉及一种电火花沉积制备高熵合金涂层的装置及方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术,而不必然地构成现有技术。
电火花沉积技术原理是利用脉冲电路中工具电极与工件之间的火花放电,使工具电极材料熔化后沉积于工件的增材制造技术。工具电极与脉冲电源正极相连,工件与脉冲电源负极相连,工具电极与工件逐渐接近,当工具电极与工件之间的电场强度达到击穿强度时,产生火花放电,熔融态的工具电极材料在***力、重力等作用下沉积于工件表面。
高熵合金(高混乱度合金)是一种新型的合金材料,包含5种或5种以上的主要组成元素。高熵合金虽然相结构简单,但是具有高熵效应、晶格畸变效应、缓慢扩散效应、鸡尾酒效应这四个核心效应,综合性能优异。高熵合金具有优良的性能,在强度与硬度、耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化能力、耐热性方面具有优异的应用潜力,因而在航空航天、电子通讯等领域具有优良的应用前景。目前,高熵合金涂层的主要制备方法包括激光熔覆、微弧放电沉积和热喷涂等技术。发明人发现,激光熔覆技术成本较高;热喷涂技术存在孔隙率高的缺陷;微弧放电沉积的放电能量越大,沉积效率越高,涂层表面质量越差,反之亦然,效率与沉积质量难以兼顾。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足,提供一种电火花沉积制备高熵合金涂层的装置,能够改善涂层质量,提高沉积稳定性。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
第一方面,本发明的实施例提供了一种电火花沉积制备高熵合金涂层的装置,包括:
加工机构:包括密封罩,密封罩内设置有能够放置工件的二轴联动机构,二轴联动机构一侧设有竖向升降机构,竖向升降机构与动力***连接,动力***连接有主轴,主轴通过压电促动器连接有工具电极;
保护气供给机构:通过管路与密封罩连接,所述管路上安装有调压件。
电源组件:其正极用于与工具电极连接,负极用于与工件连接。
进一步的,所述电源组件包括串联连接的直流电源、第一电阻及电容,直流电源通过第一电阻与电容的正极连接,直流电源的负极与电容的负极连接。
进一步的,第一电阻与电容的正极之间的线路引出有第一支路和第二支路,第一支路用于作为正极,第二支路与三极管的基极连接,直流电源的正极与第一电阻之间的线路引出有第三支路,第三支路连接三极管的发射极,三极管的集电极与压电促动器连接,压电促动器与电容负极连接,直流电源负极与电容负极之间的线路引出有第四支路,用于作为负极。
进一步的,第二支路上设置有第二电阻。
进一步的,第三支路上设置有第三电阻。
进一步的,所述保护气体供给机构包括气瓶,所述气瓶通过注气管路与密封罩连接,所述密封罩通过真空管路与抽真空件连接,真空管路上安装有调压件。
第二方面,本发明提供了一种电火花沉积制备高熵合金涂层的装置的工作方法,包括以下步骤:
利用保护气供给机构向密封罩内通入保护气体,工具电极与电源组件的正极连接,工件与电源组件的负极连接;
电源组件及动力***工作,主轴带动工具电极转动,进行电火花沉积加工,同时压电促动器带动工具电极产生与放电同步的振动,电火花沉积加工采用分层进行,其中相邻两层中,进行前一层加工时通入的保护气体气压大于后一层加工时通入的保护气体气压。
工件加工完成后,工具电极复位,取下加工好的工件。
进一步的,所述动力***带动工具电极的转速为1000-7000r/min。
进一步的,所述保护气体采用氩气。
进一步的,加工过程中,保护气体的气压最大值大于400kPa,最小值小于30kPa。
本发明的有益效果:
1.本发明的加工装置,能够向密封罩内通入保护气体,并且利用调压件调节保护气体的气压,从而实现了通过调节保护气体的压强以控制放电通道扩张从而影响沉积过程,解决了传统电火花沉积表面质量较差的问题,在放电初始阶段即下层加工阶段,保护气体氩气压强最大,保证最底层的厚度足够,不易滑落;随着逐渐进行上层的加工,放电不断进行,保护气体氩气气压逐渐减小,可以减少表面热应力和表面粗糙度,从而得到高质量的涂层表面。
2.本发明的加工装置,引入了密封罩与保护气体氩气,保护气体氩气可以冷却工具电极和阻止金属氧化。在保护气体氩气中电火花沉积过程更加稳定,且加工效率和表面加工质量都可以得到显著提高。
3.本发明的加工装置,引入压电促动器,利用压电促动器的压电特性和工具电极的惯性,电火花放电后熔融的工具电极材料更易脱离工具电极并沉积到工件上,进一步提高了电火花沉积效率。
4.本发明的加工装置,采用三极管控制压电促动器的输入信号,能够使压电促动器收到与放电信号同步的信号,实现精准控制,进一步提高工件表面质量。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1整体结构示意图;
图2为本发明实施例1加工机构示意图;
图3为本发明实施例1电源组件示意图;
图4为本发明实施例2放电波形和压电陶瓷促动器信号示意图;
图5为本发明实施例2压电陶瓷促动器工作原理图;
其中,1.密封罩,2.第一水平移动机构,3.第二水平移动机构,4.竖向升降机构,5.动力***,6.主轴,7.压电促动器,8.工具电极,9.气瓶,10.旋片式真空泵,11.氩气,12.调压阀,13.直流电源,14.第一电阻RA,15.电容,16.第二电阻RB,17.三极管,18.第三电阻RC,19.工件,20.基座。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述,本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样,仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致,并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位,以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的,目前的高熵涂层沉积制备方法涂层表面质量差、效率与沉积质量难以兼顾,针对上述问题,本申请提出了一种电火花沉积制备高熵合金涂层的装置。
实施例1:
本申请的一种典型实施方式中,如图1-3所示,一种电火花沉积制备高熵合金涂层的装置,包括加工机构、保护气供给机构及电源组件。
所述加工机构包括密封罩1,所述密封罩内部固定有有二轴联动机构。
所述二轴联动机构采用现有的二轴联动机构即可,包括第一水平移动机构2,所述第一水平移动机构的移动部分与第二水平移动机构3连接。第二水平移动机构与第一水平移动机构垂直设置。第二水平移动机构的移动部分固定有由绝缘材料制成的基座20,所述基座用于放置工件,二轴联动机构能够输出水平面内两个相互垂直方向的运动。
所述第一水平移动机构和第二水平移动机构采用现有的能够输出水平运动的机构即可,优选的,所述第一水平移动机构和第二水平移动机构均采用现有的丝杠传动机构,其具体结构在此不进行详细叙述。
所述二轴联动结构一侧设置有竖向升降机构4,所述竖向升降机构采用现有的升降机构即可,优选的,所述竖向升降机构采用丝杠传动机构,其具体结构在此不进行详细叙述。
所述竖向升降机构的移动部分与动力***5连接,所述动力***采用现有的电火花沉积加工装置用动力***,能够输出绕竖直轴线的转动,其具体结构在此不进行详细叙述。
二轴联动机构及竖向升降机构均采用丝杠传动机构,运行平稳准确,能够准确定位。
所述动力***与主轴6连接,主轴与压电促动器7连接,压电促动器与工具电极8连接。
压电促动器能够收到与放电信号同步的信号,利用压电促动器的压电特性和工具电极的惯性,电火花放电后熔融的工具电极材料更易脱离工具电极并沉积到工件上,进一步提高了电火花沉积效率,优选的,所述压电促动器采用压电陶瓷促动器,所述压电陶瓷促动器最大行程15um,空载响应频率为18kHz。
所述工具电极采用高熵合金材质制成,优选的所述工具电极采用FeCoCrNiCu高熵合金材料制成,动力***能够通过主轴带动工具电极做1000-7000r/min的转动。
所述保护气供给机构通过管路与密封罩连接,能够向密封罩内注入设定压力的保护气体。
所述保护气供给机构包括气瓶9,所述气瓶用于盛放保护气体,优选的,所述保护气体采用氩气11。
所述气瓶的出气口通过注气管路与密封罩连接,气瓶能够通过注气管路向密封罩内注入保护气体。
所述密封罩还通过真空管与抽真空件连接,抽真空件能够对密封罩内抽真空,使得气瓶内的保护气体进入密封罩。
优选的,所述抽真空件采用旋片式真空泵10,能够对密封罩内部抽真空,所述真空管上安装有调压件,优选的,所述调压件采用调压阀12,能够调节密封罩内保护气体的气压,使得保护气体的气压能够发生变化。
本实施例中,工具电极和工件置入密封罩内,密封罩内能够通入保护气体,可以冷却工具电极和阻止金属氧化。在保护气体氩气中电火花沉积过程更加稳定,且加工效率和表面加工质量都可以得到显著提高。
所述电源组件包括通过线路串联的直流电源13、第一电阻RA14、电容15,直流电源的正极与第一电阻RA相连后连接到电容正极,直流电源的负极与电容的负极相连接,所述第一电阻RA用于使得电压平缓。
由第一电阻RA和电容的正极之间的电路引出第一支路和第二支路,第一支路作为电源组件的正极,用于与工具电极8连接;第二支路与第二电阻RB16相连后连接三极管17的基极;所述第二电阻RB用来产生电流,驱动三极管,由直流电源的正极和第一电阻RA之间的电路引出第三支路,第三支路与第三电阻RC18相连后连接三极管发射极;第三电阻RC用于限流保护电路,由直流电源的负极和电容的负极之间的电路引出第四支路,作为电压组件的负极,用于连接工件19;由三极管的集电极引出支路连接压电促动器,再由压电促动器与电容负极相连。
本实施例中,引入压电促动器,利用压电促动器的压电特性和工具电极的惯性,电火花放电后熔融的工具电极材料更易脱离工具电极并沉积到工件上,进一步提高了电火花沉积效率。并且采用三极管控制压电促动器的输入信号,能够使压电促动器收到与放电信号同步的信号,实现精准控制,进一步提高工件表面质量。
本实例的装置各部分构件作用清晰,在满足实验要求的情况下根据实际情况可以改变一些装置,可以扩大或缩小实验规模,灵活运用。
实施例2:
本实施例公开了一种实施例1所述的电火花沉积制备高熵合金涂层的装置的工作方法,包括以下步骤:
步骤1:在密封罩中利用保护气体供给机构充入保护气体,将待加工工件浸入保护气体中并放置在绝缘基座上,工具电极、压电促动器安装在机床主轴上,将工件与电源组件的负极连接,将工具电极与电源组件的正极连接,打开气瓶、调压阀、旋片式真空泵,完成加工的准备工作。
步骤2:启动机床主轴的动力***和电源组件,电源组件对工具电极和工件之间施加脉冲,以电容的充、放电信号作为三极管的驱动信号。
机床主轴带动工具电极和压电促动器逐渐向下竖直运动,运动至工件所需要的加工位置。在电源组件的作用下,工具电极和工件之间产生电火花放电,熔融态的工具电极材料在***力、重力等作用下沉积于工件表面。工件在二轴联动机构的带动下完成扫描沉积。
电容和压电促动器中电压产生的原理和压电促动器工作原理如图4、图5所示:当工具电极和工件之间的电场强度达到击穿强度时,开始产生电火花放电,即图4中t0至t1段;放电结束后,电容开始充电,即图4中t1至t2段。压电促动器可等效为一个电容,在三极管的作用下,压电促动器得以工作。当电容开始放电时,三极管的电势差不能使三极管导通,压电促动器没有工作,即t2至t3段;当放电一段时间后,三极管的电势差足够使三极管导通,压电促动器相当于一个电容,开始快速充电,开始伸长,即t3至t4段;一段时间后,压电促动器的电压达到最大且保持不变,此时压电促动器的伸长长度最大,即t4至t5段;当电容充电过程过三极管的电势差减小直至不能使三极管导通,压电促动器开始放电,开始缩短长度,即t5至t6段。
气瓶和旋片式真空泵配合利用调压阀调节密封罩中的气体压强,使气体压强在400kPa以上并保持不变,在二轴联动机构的带动下完成第一层沉积扫描;随后调节调压阀使密封罩中的气体压强降低至设定值,在二轴联动机构的带动下再完成第二层沉积扫描,以此类推。最后一层沉积扫描时的气体压强在30kPa以下。较小的保护气体压强有利于放电通道扩张,放电能量较为分散,产生的熔融区域深度小、半径大,得到的涂层表面缺陷更少、更平整。沉积过程的分层数由高熵合金涂层目标厚度决定。
步骤3:工件加工完成后,机床主轴带动工具电极恢复原位,取出加工后的工件。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种电火花沉积制备高熵合金涂层的装置,其特征在于,包括:
加工机构:包括密封罩,密封罩内设置有能够放置工件的二轴联动机构,二轴联动机构一侧设有竖向升降机构,竖向升降机构与动力***连接,动力***连接有主轴,主轴通过压电促动器连接有工具电极;利用压电促动器的压电特性和工具电极的惯性,电火花放电后熔融的工具电极材料更易脱离工具电极并沉积到工件上;
保护气供给机构:通过管路与密封罩连接,所述管路上安装有调压件;
电源组件:其正极用于与工具电极连接,负极用于与工件连接;
所述工具电极采用高熵合金材质制成;
所述保护气体供给机构包括气瓶,所述气瓶通过注气管路与密封罩连接,所述密封罩通过真空管路与抽真空件连接,真空管路上安装有调压件;
所述抽真空件采用旋片式真空泵;
气瓶和旋片式真空泵配合利用调压阀调节密封罩中的气体压强;
所述电源组件包括通过线路串联的直流电源、第一电阻及电容,直流电源的正极与第一电阻相连后连接到电容正极,直流电源的负极与电容的负极相连接;
由第一电阻和电容的正极之间的电路引出第一支路和第二支路,第一支路作为电源组件的正极,用于与工具电极连接;第二支路与第二电阻相连后连接三极管的基极;所述第二电阻用来产生电流,驱动三极管,由直流电源的正极和第一电阻之间的电路引出第三支路,第三支路与第三电阻相连后连接三极管发射极;第三电阻用于限流保护电路,由直流电源的负极和电容的负极之间的电路引出第四支路,作为电压组件的负极,用于连接工件;由三极管的集电极引出支路连接压电促动器,再由压电促动器与电容负极相连;
当工具电极和工件之间的电场强度达到击穿强度时,工具电极开始产生电火花放电;放电结束后,电容开始充电;压电促动器可等效为一个电容,在三极管的作用下,压电促动器得以工作;当电容开始放电时,三极管的电势差不能使三极管导通,压电促动器没有工作;当放电一段时间后,三极管的电势差足够使三极管导通,压电促动器相当于一个电容,开始快速充电,开始伸长;一段时间后,压电促动器的电压达到最大且保持不变,此时压电促动器的伸长长度最大;当电容充电过程过三极管的电势差减小直至不能使三极管导通,压电促动器开始放电,开始缩短长度。
2.一种权利要求1所述的电火花沉积制备高熵合金涂层的装置的工作方法,包括以下步骤:
利用保护气供给机构向密封罩内通入保护气体,工具电极与电源组件的正极连接,工件与电源组件的负极连接,打开气瓶、调压阀、旋片式真空泵,完成加工的准备工作;
电源组件及动力***工作,电源组件对工具电极和工件之间施加脉冲,以电容的充、放电信号作为三极管的驱动信号,主轴带动工具电极转动,进行电火花沉积加工,工件在二轴联动机构的带动下完成扫描沉积,同时压电促动器带动工具电极产生与放电同步的振动,电火花沉积加工采用分层进行,其中相邻两层中,进行前一层加工时通入的保护气体气压大于后一层加工时通入的保护气体气压;
工件加工完成后,工具电极复位,取下加工好的工件。
3.如权利要求2所述的电火花沉积制备高熵合金涂层的装置的工作方法,其特征在于,所述动力***带动工具电极的转速为1000-7000r/min。
4.如权利要求2所述的电火花沉积制备高熵合金涂层的装置的工作方法,其特征在于,所述保护气体采用氩气。
5.如权利要求2所述的电火花沉积制备高熵合金涂层的装置的工作方法,其特征在于,加工过程中,保护气体的气压最大值大于400kPa,最小值小于30kPa。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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