基于火花放电颗粒种植的叶尖耐磨涂层形成机理与调控机制的研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51901090
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0103.金属材料使役行为与表面工程
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

With the unceasing promotion of aeroengine properties, the research of abrasive coatings on blade tips in high temperature stage is increasingly concerned. One of the dominated coating structures is that the particulates are held in a metal matrix with some parts of them protruding from the matrix surface. In this way, the particulates can cut into the abradable coating on the casing to improve the efficiency and power output of the engine. Current processes of coating preparation, such as electrodeposition, brazing, and laser cladding are usually used to produce abrasive coatings on blade tips. However, because of the weak mechanical anchorage between particulates and bond matrix, performance of the electrodeposited coating can be limited, for instance, by particulate dislodgement and even particulate pullout from the surrounding bond matrix during service. The brazed abrasive coatings on blade tips can produce higher bonding strength, but the addition of melting point depressant, such as Si, B, C and P, may destroy the structure of the base metal or form hard brittle phases by interdiffusion. Laser cladding may also produce cracks or recrystallization when working on superalloy. As a result, a new process of producing abrasive coatings on blade tips based on electrospark discharge is proposed in this project, and is called “particulate planting based on electrospark discharge”. This process can realize metallurgical bonding between particulate, bond matrix and base metal, with little harmful effect to the microstructure and properties of the base metal. Due to the introduction of particulates in the discharge gap between the electrode and the workpiece, the discharge process is distinctly different from that of the traditional electrospark discharge. Therefore, in this project, combination of process experiment and numerical simulation is employed to investigate the formation mechanism of abrasive coating produced by particulate planting process. The mass and heat transfer numerical model will be build on the basis of data collected in the process experiments. By calculating the energy distribution coefficients of electrode and workpiece, observing the coating structure, analyzing the temperature and flow fields, measuring the high temperature wear resistant property, we will investigate the effect of particulate properties on the energy distribution and mass transfer during particulate planting, and illuminate the relationship and regulation mechanism between energy distribution, mass transfer, coating structure and wear resistance. The results will provide a new idea and establish corresponding theoretical and experimental foundation for the preparation of abrasive coating on blade tip in high temperature stage.
随着航空发动机性能不断提升,高温段叶片叶尖耐磨涂层的研究逐渐引起重视。传统制备工艺如电沉积、钎焊、激光熔覆等在制备高温段叶片叶尖耐磨涂层时常存在结合力不足或对母材影响较大等缺点。本项目借鉴电火花沉积工艺快速且对母材影响极小的特点,提出火花放电颗粒种植工艺,旨在不影响母材组织与性能的前提下,实现颗粒-基体-母材冶金结合的叶尖耐磨涂层。因在电极与工件放电间隙中引入了颗粒,使得其放电过程与传统电火花沉积存在明显差异,故本项目拟采用工艺实验与数值模拟相结合的方法,在工艺实验的基础上建立火花放电颗粒种植工艺传热传质数值模型,通过计算电极与工件的能量分配系数、观察涂层组织结构、分析温度场与流场、检测涂层高温耐磨性能,研究颗粒属性对种植过程的能量分配与质量转移机理的影响规律,阐明能量分配与质量转移、涂层结构、涂层耐磨性能的关系及调控机制,为制备高温段叶片叶尖耐磨涂层提供新思路并奠定相应的理论与实验基础。

结项摘要

随着航空发动机性能不断提升,高温段叶片叶尖耐磨涂层的研究逐渐引起重视。该涂层的主流结构之一是将耐磨颗粒埋入涂层基体保留顶部露出,以切削可磨耗涂层形成密封气路。传统制备工艺在制备高温段叶片叶尖耐磨涂层时常存在结合力不足或对母材影响较大等缺点,已难以满足需求。本项目提出一种新的叶尖耐磨涂层制备工艺:火花放电颗粒种植工艺,利用火花放电时间短能量高的特点,实现在不影响单晶高温合金母材组织和性能的前提下,凸出颗粒/涂层基体/单晶母材的冶金结合。由于在电极与工件放电间隙中引入了颗粒,使得其放电过程与传统电火花沉积存在明显差异,本项目采用工艺试验与数值模拟相结合的方法,计算电极与工件的能量分配系数、观察涂层组织结构、分析温度场、检测力学性能,研究颗粒对种植过程的能量分配与质量转移机理的影响规律,阐明能量分配与质量转移、涂层结构和性能的关系及调控机制。获得以下有意义的结果:1)建立了一套过程数据采集系统和数值模型,得出上放电点分配能量为13.03%~28.79%,下放电点为3.67%~9.25%,且随放电过程的脉冲频率和脉冲宽度变化。因此,通过调整脉冲频率和脉冲宽度的大小可以调控种植过程的能量分配。2)火花放电颗粒种植过程的上放电点为典型的火花放电,而下放电点更接近于电阻瞬时加热;种植过程可分解为三个组成部分,即火花放电过程、颗粒破碎过程、电毛细上升过程。3)火花放电过程的电脉冲促进了陶瓷颗粒与金属熔体的界面反应,形成了共格的界面反应层,使颗粒与基体的结合力显著提高,平均剪切应力最高可达到325.37 MPa,并且随脉冲频率的增加和脉冲宽度的减小而减小。相关研究成果已经在Materials Science and Engineering A、Surface & Coatings Technology、Journal of Alloys and Compounds等期刊上发表SCI收录论文8篇,并获得江西省科技进步二等奖1项(项目负责人为第一完成人),参加国内学术会议4次,申请专利11项,其中已授权8项,培养硕士生4人。本项目研究为制备高性能单晶叶片叶尖耐磨涂层提供新思路并奠定相应的理论与实验基础。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(11)
Microstructure characterization and wear performance of WC-10Co/Ti-6Al-4V coating fabricated via electron beam cladding
电子束熔覆WC-10Co/Ti-6Al-4V涂层的微观结构表征及磨损性能
  • DOI:
    10.1016/j.surfcoat.2021.127493
  • 发表时间:
    2021-09
  • 期刊:
    Surface and Coatings Technology
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Chen Yawei;Wang De;Wang Wenqin;Liu Yong;Sato Yutaka S.;Yamaguchi Tomiko;Chen Yunxia;Wang Chenghai
  • 通讯作者:
    Wang Chenghai
Preparation of high performance Fe-based amorphous coating by resistance seam welding
电阻缝焊制备高性能铁基非晶涂层
  • DOI:
    10.1016/j.surfcoat.2020.126813
  • 发表时间:
    2021-02
  • 期刊:
    Surface and Coatings Technology
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Changgui Pan;Rui Zhang;De Wang;Yulong Li;Tomiko Yamaguchi;Xiaofei Fan;Dechao Zhao;Wenqin Wang
  • 通讯作者:
    Wenqin Wang
Effect of laser power on the microstructure and properties of additive manufactured 17-4 PH stainless steel in different fabrication atmosphere
不同制造气氛下激光功率对增材制造17-4PH不锈钢显微组织和性能的影响
  • DOI:
    10.1016/j.msea.2022.142846
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Materials Science and Engineering A-Structural Materials Properties Microstructure and Processing
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Wang De;Cheng Donghai;Zhou Zhangyu;Wang Wenqin;Hu Bo;Xie Yujiang;Xiong Zhenyu;Hu Dean
  • 通讯作者:
    Hu Dean
Effect of TaC particles on the microstructure and oxidation behavior of NiCoCrAlYTa coating prepared by electrospark deposition on single crystal superalloy
TaC颗粒对单晶高温合金电火花沉积NiCoCrAlYTa涂层显微组织和氧化行为的影响
  • DOI:
    10.1016/j.surfcoat.2021.126851
  • 发表时间:
    2021-02
  • 期刊:
    Surface and Coatings Technology
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    De Wang;Junhao Gao;Rui Zhang;Shaojun Deng;Shuyuan Jiang;Donghai Cheng;Pin Liu;Zhenyu Xiong;Wenqin Wang
  • 通讯作者:
    Wenqin Wang
A novel particle planting process based on electrospark deposition
基于电火花沉积的新型颗粒种植工艺
  • DOI:
    10.1016/j.matlet.2021.130872
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
    Materials Letters
  • 影响因子:
    3
  • 作者:
    Wang De;Gao Junhao;Deng Shaojun;Wang Wenqin
  • 通讯作者:
    Wang Wenqin

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其他文献

个体时空行为的规律性与可预测性研究——以上海市居民工作日活动为例
  • DOI:
    10.18306/dlkxjz.2021.03.007
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    地理科学进展
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王德;谢栋灿;王灿;殷振轩
  • 通讯作者:
    殷振轩
基于居民行为周期特征的城市空间研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    地理科学进展
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    钟炜菁;王德
  • 通讯作者:
    王德
景区旅游者空间行为研究综述
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    旅游学刊
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李渊;郑伟民;王德
  • 通讯作者:
    王德
公共自行车系统影响下居民出行的变化与机制研究mdash;mdash;以上海闵行区为例
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    城市规划学刊
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    朱玮;庞宇琦;王德;余雄伟
  • 通讯作者:
    余雄伟
乡镇商业吸引能力的调查与分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    材料导报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陆希刚;王德
  • 通讯作者:
    王德

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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