1.一种电子束物理气相沉积热障涂层厚度预测计算方法,包括以下步骤:
S1:根据热障涂层加工的初始条件,确定电子射线功率Pr,加工基材的旋转速度u,及加工基材的旋转几何半径r;
S2:将电子束射线场几何关系与高斯传热模型结合确定射线传热参数,使高斯函数型热源与电子束射线场的射线强度相似,归一化的电子束射线强度为:式中,α为电子束热源发散角;n为电子束射线强度分布系数,n=2‑6;
S3:在基材工件模型几何中心的正中方向放置电子束射线发射源,模拟电子枪发射高能量密度电子束轰击基材表面,使最终基材表面温度分布具有对称性,通过无量纲线性转换得到的归一化热障涂层厚度和分布也具有对称性;射线热通量以高斯分布的热通量源作为输入的表面涂层热源,可以用方程表示:式中,Q为射线热通量值;Pr为射线的功率;rb为射线束的半径;xf为射线焦点的x坐标位置;yf为射线焦点的y坐标位置;rf为射线发射源到焦点的距离,可表示为:S4:然后以射线束作为热源对工件基材表面进行加热,模拟热障涂层工艺过程,工件基材表面任意涂层点的温度T可由热场热传导方程求得,设定初始温度、基材密度和热导率参数,可得温度T相对于初始温度T0的变化;在基材工件固体中的传热和温度的热传导方程可以表示为:式中,Q0为射线热通量,可以表示为:Q0=Q·ε;T0为初始过程温度,T0=293.15K;u为基材工件材料表面的旋转速度;ε为基材工件基体材料表面的发射率;K为基材工件基材导热系数;ρ为基材工件材料的密度;Cp为基材工件材料恒压下的热容量;
S5:由热障涂层的加工机理,基材工件表面温度变化和涂层厚度呈线性关系;不同的射线功率和加工时间会产生不同的涂层厚度,因此利用基材工件表面温度变化和涂层厚度的线性关系将涂层厚度归一化,基体几何中心的厚度值归一化为最大值;归一化以后的基材工件表面任意点的涂层厚度如下式所示:式中,dsd为基材工件表面任意点的涂层厚度;ds0为α=0时最大涂层厚度;rs为基材表面射线加工点到最大厚度点的距离;hv为基材表面距离射线束发射源的高度;α为电子束源发散角;r为基材工件旋转的几何半径。