CN105179634A - 一种叶片气相沉积涂层用定角度变速装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种叶片气相沉积涂层用定角度变速装置及控制方法，包括伺服电机驱动电路、外加控制电路和凸轮。通过凸轮改变叶片旋转伺服驱动电机的转速，使叶片的转速与转角相关联，当叶片被遮蔽表面转到离子团正对的位置时，降低叶片的旋转速度，延长离子团形成涂层的时间，从而改善涂层厚度不均匀的情况。另外，还可以对叶片表面涂层厚度要求不等的区域进行沉积，厚度要求较厚的区域停留时间较长，厚度要求较薄的区域停留时间较短。同时，可用于涡轮工作叶片和涡轮导向叶片表面涂层沉积加工，而且对多联(2～5联)导向叶片沉积涂层同样适用。该装置可用于MCrAlY涂层、YSZ涂层、Al₂O₃涂层、TiN涂层等多种涂层体系的沉积加工。

Description

一种叶片气相沉积涂层用定角度变速装置及控制方法

技术领域

本发明属于电子束物理气相沉积技术，用于叶片表面电子束物理气相沉积MCrAlY、YSZ、Al₂O₃、TiN等多种涂层体系，具体为一种叶片气相沉积涂层用定角度变速装置及控制方法。

背景技术

电子束物理气相沉积(EB－PVD)技术具有沉积速率高、涂层致密、化学成分易于精确控制、可得到柱状晶组织、无污染以及热效率高等优点。可用于制备热障涂层、耐磨涂层、防腐涂层、微层材料等。

电子束物理气相沉积技术的工作原理如图1所示，当叶片按照图示位置与工件转轴装卡后，启动伺服电机，转轴带动叶片旋转转速10～30rpm。当真空室内真空度到达10^-4～10^-1Pa的工作范围时，就可以启动电子束系统。电子枪发射的电子束照射到被镀材料表面的局部区域，导致该区域温度迅速升高，致使被镀材料在此区域形成爆发性的汽化蒸发，生成空间等离子体。在空间等离子区域中的工件连续转动，在工件表面形成均匀的沉积涂层(大多数情况下还需要外加偏压以促进等离子体的定向移动，加速沉积镀膜的形成)。

大多数涡轮叶片形状为回转体或近似回转体(如图2所示)，在涂镀过程中在A-A剖面、B-B剖面的四周均可以获得涂层。而图2所示的叶片叶身在A-A剖面中显示两片叶身互相遮蔽，大多数被镀材料的等离子体被叶身的外表面阻挡，无法进入两叶身所形成的夹缝当中。导致叶身形成的夹缝空间等离子体浓度降低，涂层沉积速度低于叶片其他部分。当按照原有工艺涂镀足够长的时间以后，难形成涂层的表面上只能形成比其他表面薄的多的涂层，影响涂层的使用性能。因此，如何保证涡轮叶片叶身各个区域涂层厚度均匀性一直以来都在影响着电子束物理气相沉积的广阔应用。因而，极有必要设计一种装置，降低沉积过程中的物理遮蔽现象，保证叶片各个区域涂层厚度达到要求，保证涂层的使用性能。

发明内容

为有效消除涂层沉积时物理遮蔽效应，保证涡轮叶片各涂覆区域涂层的均匀性，本发明提出一种叶片气相沉积涂层用定角度变速装置及控制方法，通过定角度改变伺服电动机的转速(即工件转速)，延长工件遮蔽区域(图3中慢速区域)的涂覆相对时间，从而克服由于工件外形遮蔽造成的涂层均匀性影响。用于解决电子束物理气相沉积设备工件局部表面沉积热障涂层时的物理遮蔽问题，扩展设备的适用范围，从而能够对工件外形因素的影响可以忽略，并以此实现提高设备控制精度的目的。

本发明的技术方案为：

所述一种叶片气相沉积涂层用定角度变速装置，包括伺服电机驱动电路，其特征在于：还包括外加控制电路和凸轮；所述伺服电机驱动电路包括驱动器、继电器、第1电位器、第2电位器、0号电阻、1号电阻；0号电阻与第1电位器组成串联电路接在驱动器V_T+和V_T-端子之间，第1电位器的调整端连接驱动器CH端子；继电器、1号电阻与第2电位器组成串联电路接在驱动器CH和V_T-端子之间；外加控制电路包括U槽型光电开关，控制电源盒；外部电源通过控制电源盒给U槽型光电开关和继电器供电；U槽型光电开关控制继电器的通断；凸轮与叶片同轴安装，凸轮为变径结构，凸轮大径段与小径段的分布，同叶片转动所需低转速区域与高转速区域的分布一致；且凸轮随叶片同轴转动过程中，凸轮大径段能够遮挡U槽型光电开关的光束，凸轮小径段不能够遮挡U槽型光电开关的光束。

进一步的优选方案，所述一种叶片气相沉积涂层用定角度变速装置，其特征在于：控制电源盒包括变速开关和设定开关；所述变速开关闭合时，外加控制电路工作；所述设定开关闭合时，继电器强制接通。

所述一种叶片气相沉积涂层用定角度变速控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将凸轮与叶片同轴安装，且凸轮大径段与小径段的分布，同叶片转动所需低转速区域与高转速区域的分布严格对齐；

步骤2：控制电源盒中的变速开关保持断开；启动叶片转动伺服电机，调整第1电位器，使得叶片转速达到高转速区域的转速要求；

步骤3：接通变速开关和设定开关，调整第2电位器，使得叶片转速达到低转速区域的转速要求；

步骤4：断开设定开关；伺服电机带动凸轮和叶片转动，实现根据叶片的转角位置变化连在高低速之间自动切换。

有益效果

本发明的关键技术是通过改变叶片旋转伺服驱动电机的转速，使叶片的转速与转角相关联，当叶片被遮蔽表面转到离子团正对的位置时，降低叶片的旋转速度，延长离子团形成涂层的时间，从而改善涂层厚度不均匀的情况。另外，还可以对叶片表面涂层厚度要求不等的区域进行沉积，厚度要求较厚的区域停留时间较长，厚度要求较薄的区域停留时间较短。同时，可用于涡轮工作叶片和涡轮导向叶片表面涂层沉积加工，而且对多联(2～5联)导向叶片沉积涂层同样适用。该装置可用于MCrAlY涂层、YSZ涂层、Al₂O₃涂层、TiN涂层等多种涂层体系的沉积加工。

本发明比较现有技术具有以下优点：

①使用该技术后，电子束物理气相沉积设备沉积涂层时，可以有效降低物理遮蔽效应，提高涂层均匀性，提升叶片使用寿命；并能够显著提高设备控制精度，拓宽设备应用范围。

②电子束物理气相沉积设备旋转轴控制电路改造后，设备原操作工序和原工艺参数不受影响，操作人员在对原有其他叶片的加工操作过程无变化(仅需断开开关K0即可)。

③本发明相对于原有设备改造周期短，仅需设备停机2个小时；改造成本低，元器件费用不足百元。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1电子束物理气相沉积涂层设备构造图；

图2涡轮叶片叶身剖面图；

图3速度快慢区域图；

图4慢速区域与快速区域的划分图；

图5凸轮凸面与凹面夹角分布图；

图6原伺服电机驱动电路图；

图7改进后伺服电机驱动电路图；

图8电机转速相对于时间周期以及叶片转角区域变化图；

图9涡轮叶片截面厚度各个检测部位。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例原理为通过改变叶片旋转驱动电机的转速，使叶片的转速与转角相关联，当叶片被遮蔽表面转到离子团正对的位置时，降低叶片的旋转速度，延长离子团形成涂层的时间，从而改善涂层厚度不均匀的情况。

接下来对叶片的转角位置通过检测手段予以确定。如图3所示，将叶片在空间的旋转位置分为四个区域，分别包括：2个慢速区域和2个快速区域。快速区域和慢速区域的划分是根据叶片遮蔽区和非遮蔽区相对于正底部的粒子团形成区域位置划分出来的。当快速区域转到正底部时，叶片转速采用15～30rpm，当慢速区域转到正底部时，对应叶片转速采用5～15rpm。快速区域以便于获得工艺要求的沉积速度；而慢速区域，由于工件转速降低至不到原转速的1/2，会导致被遮蔽区域在粒子团中的滞留时间延长，镀膜厚度增加，利用这种厚度增加量来消除因遮蔽导致夹缝内表面涂层厚度低的情况发生。

图6所示为原伺服电机驱动电路，采用驱动器CH，外置第1电位器Rw1进行速度控制。驱动器选用三菱公司的MR-J2S-100A驱动器，功率：1KW，额定电压：220V，速度响应频率：50KHz；第1电位器Rw1电阻值范围为0～2000Ω。图中V_T+和V_T-之间提供直流12V电压，该电压作用在0号电阻R0和第1电位器Rw1构成的串联电路上，而第1电位器Rw1的调整端连接驱动器CH端子，调整第1电位器R_W1可以改变CH点电压，而伺服电机的转速通常与CH端子的电压呈线性对应关系。该图中CH端的电压变化范围根据计算为9.6～0V，V_T+和V_T-之间提供直流电流为4.8mA。

图7所示为改进后的电路原理图，伺服电机驱动电路增加了继电器KA、1号电阻R1和第2电位器Rw2。第2电位器Rw2电阻值为0～10000Ω，0号电阻的电阻值为500Ω；1号电阻的电阻值为500Ω。继电器KA、1号电阻R1与第2电位器Rw2组成串联电路接在驱动器CH和V_T-端子之间。图7中的外加控制电路包括U槽型光电开关T1，控制电源盒，U槽型光电开关选用OMR-ON光电开关EE-SX672，检测方式：透过型(沟槽型)；检测距离：5mm(沟槽宽幅)；应差距离：0.025mm；NPN集极开路输出：DC5V～24V，100mA；电源供应：DC5～24V，应用于转速感测或移动侦测。

外部电源通过控制电源盒给U槽型光电开关和继电器供电；U槽型光电开关控制继电器的通断；凸轮与叶片同轴安装，凸轮为变径结构，根据图4中关于慢速区域与快速区域的划分，可以得到图5所示的凸轮大径段与小径段夹角分布情况，再根据安装位置和配合轴的尺寸要求凸轮L1的外形就可以基本确定。另外，将凸轮做成对称的两半是为了便于安装。凸轮大径段与小径段的分布，同叶片转动所需低转速区域与高转速区域的分布一致；且凸轮随叶片同轴转动过程中，凸轮大径段能够遮挡U槽型光电开关的光束，凸轮小径段不能够遮挡U槽型光电开关的光束。控制电源盒包括变速开关K0和设定开关K1；所述变速开关闭合时，外加控制电路工作；所述设定开关闭合时，继电器强制接通。

在图7中，外部电源通过控制电源盒给U槽型光电开关T1和继电器KA供电，供电电压为直流12V。由于凸轮安装在驱动叶片转动的轴上，当叶片转动时，凸轮随叶片转动导致光电开关驱动的继电器KA通/断转换。当KA的触点断开时CH点的电压U_CH的变化范围9.6～0V，此时电机应位于快速运行阶段。当KA的触点接通时CH点的电压U_CH的变化范围约为9.33～0V，此时电机应位于慢速运行阶段。

采用本实施例改进后的电路进行控制的过程如下：

步骤1：按原设备操作要求装夹叶片零件，将凸轮与叶片同轴安装，且凸轮大径段与小径段的分布，同叶片转动所需低转速区域与高转速区域的分布严格对齐；

步骤2：控制电源盒中的变速开关保持断开；启动叶片转动伺服电机，调整第1电位器Rw1，使得叶片转速达到高转速区域的转速要求15～30rpm；

步骤3：接通变速开关K0和设定开关K1，调整第2电位器RW2，使得叶片转速达到低转速区域的转速要求；

步骤4：断开设定开关；伺服电机带动凸轮和叶片转动，实现根据叶片的转角位置变化连在高低速之间自动切换。如果要关闭高低速切换只需断开开关K0即可

图8所示为电机转速相对于时间周期以及叶片转角区域变化图：因为叶片在转动一周的过程中存在2个快速区域和2个慢速区域，当采用15rpm的快速旋转时，通过计算可得：叶片的转动周期为6.78s，平均转速为8.85rpm。

慢速区凸轮夹角：83°；

快速区凸轮夹角：97°；

慢速叶片转动周期：1/6s；

快速叶片转动周期：1/15s；

慢速区域转动时间＝(慢速区凸轮夹角/360)×慢速叶片转动周期×60＝2.31(s)；

快速区域转动时间＝(快速区凸轮夹角/360)×快速叶片转动周期×60＝1.08(s)。

图9所示为涡轮叶片截面厚度各个检测部位，针对导向叶片设计使用要求，确定采用转速为15rpm，慢速区域为6rpm。

表1、表2中结果为采用变转速沉积涂层后叶片截面不同位置涂层厚度值；表3中结果为未采用变速装置沉积涂层后叶片各截面不同位置厚度值。

从表1、表2中可发现，叶片截面涂层最厚部位与最薄部位涂层厚度比值为2：1，而在表3中，叶片截面涂层最厚部位与最薄部位涂层厚度比值大于3：1。

从结果可以得出以下结论：采用本发明一种叶片气相沉积涂层定角度变转速装置后，叶片各部位涂层厚度均匀性得到有效改善，完全能够满足涂层厚度设计要求。

表1

表2

表3

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种叶片气相沉积涂层用定角度变速装置，包括伺服电机驱动电路，其特征在于：还包括外加控制电路和凸轮；所述伺服电机驱动电路包括驱动器、继电器、第1电位器、第2电位器、0号电阻、1号电阻；0号电阻与第1电位器组成串联电路接在驱动器V_T+和V_T-端子之间，第1电位器的调整端连接驱动器CH端子；继电器、1号电阻与第2电位器组成串联电路接在驱动器CH和V_T-端子之间；外加控制电路包括U槽型光电开关，控制电源盒；外部电源通过控制电源盒给U槽型光电开关和继电器供电；U槽型光电开关控制继电器的通断；凸轮与叶片同轴安装，凸轮为变径结构，凸轮大径段与小径段的分布，同叶片转动所需低转速区域与高转速区域的分布一致；且凸轮随叶片同轴转动过程中，凸轮大径段能够遮挡U槽型光电开关的光束，凸轮小径段不能够遮挡U槽型光电开关的光束。

2.根据权利要求1所述一种叶片气相沉积涂层用定角度变速装置，其特征在于：控制电源盒包括变速开关和设定开关；所述变速开关闭合时，外加控制电路工作；所述设定开关闭合时，继电器强制接通。

3.一种叶片气相沉积涂层用定角度变速控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将凸轮与叶片同轴安装，且凸轮大径段与小径段的分布，同叶片转动所需低转速区域与高转速区域的分布严格对齐；

步骤2：控制电源盒中的变速开关保持断开；启动叶片转动伺服电机，调整第1电位器，使得叶片转速达到高转速区域的转速要求；

步骤3：接通变速开关和设定开关，调整第2电位器，使得叶片转速达到低转速区域的转速要求；

步骤4：断开设定开关；伺服电机带动凸轮和叶片转动，实现根据叶片的转角位置变化连在高低速之间自动切换。