CN106521428A - 一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置及其涂覆工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置，该装置包括用于与EB‑PVD设备旋转轴连接的连接杆和用于放置叶片的盒体，所述盒体上设有涂层沉积口，待进行涂层的叶片部位暴露在该涂层沉积口。该装置呈整体结构，各个部件结合紧密，在收到电子束扫描加热时各个结构可以相互导热，有效解决了现有技术中存在的工装壳体在遮蔽防护时出现的缺陷。

Description

一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置及其涂覆工艺
技术领域
本发明属于发动机涡轮导向叶片制造领域，具体涉及利用电子束物理气相沉积技术在发动机涡轮导向叶片表面沉积热障涂层技术领域。
背景技术
目前，由于电子束物理气相沉积(简称EB-PVD)具有涂层与基体结合强度高、可得到柱状晶组织、涂层化学成分易于精确控制等优点，已经广泛应用于多种涡轮叶片高温防护涂层的制备加工，显著提高了涡轮叶片的抗高温氧化和抗腐蚀性能、隔热性能，延长了发动机工作寿命。
EB-PVD技术在沉积涂层时，其本身的工作原理决定了涂层沉积过程存在物理遮蔽现象，一些遮蔽区域无法沉积到涂层，这也是导向叶片局部沉积涂层时非涂层区域进行有效保护的理论依据。
目前，涡轮导向叶片的内外缘板部位采用工装壳体分别遮蔽防护，然后利用螺杆将两侧工装壳体连接并固定，叶身非涂层表面(如叶盆)利用不锈钢片进行遮蔽。而对于该种结构，涂层沉积时会出现螺杆、不锈钢片受热变形，导致非涂层区域涂覆涂层的问题；而且该遮蔽装置只能针对单工件进行加工，加工成本高，加工效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置及其涂覆工艺，有效解决了现有技术中存在的工装壳体在遮蔽防护时出现的缺陷，以及单件加工成本高、效率低等问题。
一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置，该装置包括用于与EB-PVD设备旋转轴连接的连接杆和用于放置叶片的盒体，所述盒体上设有涂层沉积口，待进行涂层的叶片部位暴露在该涂层沉积口。
优选地，所述盒体的一端安装有盖板，所述盒体通过盖板密封。
优选地，所述盒体通过连接法兰与连接杆紧固连接。
优选地，进一步包括有分配板，该分配板通过紧固螺栓与连接杆紧固连接，所述分配板通过连接法兰与盒体紧固连接。
优选地，所述连接法兰的数量与盒体的数量相等。
优选地，所述连接杆安装在分配板的中心位置。
优选地，所述盒体内进一步安装有温度检测装置，用于检测沉积温度。
一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置的涂覆工艺，包括以下步骤：
S1：利用丙酮对叶片和盒体进行清洗，之后将叶片装入盒体内，保证待涂层的部位暴露在涂层沉积口，然后将连接杆与EB-PVD设备的旋转轴连接；
S2：开启旋转设备，使旋转轴开始运转，检查旋转是否正常；
S3：对EB-PVD设备的装载室、沉积室抽真空；
S4：在真空条件下，开始加热零件，待达到工艺温度后，利用电子束对陶瓷料锭进行加热
蒸发，进而在叶片上沉积涂层；
S5：待叶片的涂层厚度达到工艺要求时停止涂层，将叶片在真空条件下进行冷却；
S6：向装载室内充入空气，打开炉门取出。
优选地，在S1中，利用紧固装置对叶片进行限位固定。
优选地，在S4中，真空度低于5×10-3Pa时，开始对工件进行加热。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置，该装置包括用于与EB-PVD设备旋转轴连接的连接杆和用于放置叶片的盒体，所述盒体上设有涂层沉积口，待进行涂层的叶片部位暴露在该涂层沉积口。该装置呈整体结构，各个部件结合紧密，在收到电子束扫描加热时各个结构可以相互导热，有效解决了现有技术中存在的工装壳体在遮蔽防护时出现的缺陷。
进一步的，该装置还包括分配板，可实现多个叶片的涂层加工，该结构使得经济成本的降低、加工效率的提高。
进一步的，盒体上安装的电热偶管可对沉积涂层时的工艺温度进行测量。
一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置的涂覆工艺，将工件装入工装装置中，在真空条件下，利用电子束对陶瓷料锭进行加热蒸发，进而对工件的涂层区域进行沉积涂层。在沉积涂层过程中，由于工件的非涂层区域处于工装装置中，因此阻止了工件的非涂层区域被沉积涂层。
进一步的，在对工件进行安装时，通过紧固装置对工件进行限位固定，使工件的涂层区域对准盒体上的涂层沉积口；并且在安装工装装置时，将涂层沉积口沿径向朝外，使得工件的涂层区域可以有效的得到沉积涂层。
附图说明
图1为盒体的结构示意图，其中图1a为正视图，图1b为左视图。
图2为盖板的结构示意图。
图3为分配板的结构示意图，其中，图3a为分配板的正视图，图3b为左视图。
图4为分配板的另一种结构示意图。
图5为一件工件时的装配结构示意图。
图6为两件工件时的装配结构示意图。
图7为工件涂层厚度检测部位示意图。
其中，1、连接杆 2、第二紧固螺栓 3、分配板 4、第一连接法兰 5、第二连接法兰6、第三紧固螺栓 7、盖板 8、第一紧固螺栓 9、盒体 901、涂层沉积口 10、第四紧固螺栓。
具体实施方式
本发明是通过分析导向叶片型面特点及叶身局部涂覆涂层的设计要求，并结合EB-PVD设备的工作原理，设计得到一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆装置，该装置可以根据导向叶片尺寸及设计涂层区域要求，进行1～4件叶片的局部涂层加工，显著提升导向叶片涂层加工装炉量2～4倍，大幅度提升涂层加工效率。
结合附图对本发明进一步说明：
如图1所示，叶片工装盒体9为中空壳体结构，在其左侧壁上设有叶片固定螺孔，该叶片工装盒体9的前侧壁上开设有涂层沉积口901，叶片工装盒体9的左侧安装有第一连接法兰4，右侧安装有第二连接法兰5，同时右侧壁上开设有开口，以便将待涂层叶片放入盒体9内。将待涂层叶片安装在盒体9内时，将待涂层叶片的叶盘部位对准涂层沉积口901，可以实现叶盘部位的局部涂层涂覆，该工装受热后不会产生任何变形，保证其余部位得到有效防护。
如图2所示，所述工装盒盖板7上设有与盒体9内的叶片固定螺孔位置关系对应的螺孔，进一步还设有与第二连接法兰5上的螺纹孔位置对应的安装孔，将待涂层叶片放入盒体9内之后，将盖板7盖在第二连接法兰5上，并通过第一紧固螺母8将盒体9和盖板7连接密实，同时分别在盒体9内的叶片固定螺孔和盖板7的叶片固定螺孔内安装第四紧固螺母10，通过调节该螺母，将叶片限位固定。
如图3、图4所示，工装阵列分配板3沿其中心轴呈环形等距分布，可以实现至少2件工件的安装。
如图5所示，一件涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置的安装步骤如下：
首先将盖板7盖在盒体9的右侧第二连接法兰5上，并通过第一紧固螺栓8将盖板7与第二连接法兰5紧固连接；
之后将盒体9通过左侧的第一连接法兰4与连接杆1连接，第一连接法兰4与连接杆1之间通过第二紧固螺栓2连接。
如图6所示，多件涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置的安装步骤如下：
首先将盖板7盖在盒体9的右侧第二连接法兰5上，并通过第一紧固螺栓8将盖板7与第二连接法兰5紧固连接；
之后将盒体9通过左侧的第一连接法兰4与分配板3连接，第一连接法兰4与分配板3之间通过第三紧固螺栓6连接；
最后将分配板3与连接杆1通过第二紧固螺栓2连接。
利用该涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置进行涂层涂覆的具体工艺如下：
实施方案1
本实施方案是通过分析导向叶片型面特点及叶身局部涂覆涂层的设计要求，并结合EB-PVD设备的工作原理，设计得到一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆装置，该装置可以根据导向叶片尺寸及设计涂层区域要求，进行1件叶片的局部涂层加工。
具体步骤是：
步骤1，清洗：利用丙酮作为清洗剂，将涡轮导向叶片及工装清洗干净，准备装夹。清洗是为了防止零件被污染，影响涂层结合力。
步骤2，装夹：首先将工件装入盒体9内，并通过第四紧固螺母10对该工件进行限位固定，之后将盒体9通过第一连接法兰4与连接杆1安装连接。同时在盒体9上安装热电偶管，用于测量沉积室的工艺温度。在安装时，确保盒体9上的涂层沉积口901沿径向方向朝外。
步骤3，涂覆涂层：所述涂覆涂层的具体过程是：
装炉：在装载室内，将上述装配完成后的工装装置通过连接杆1与EB-PVD设备的水平旋转轴连接，开启转动装置，检查旋转系统工作是否正常。
抽真空：对EB-PVD设装载室、沉积室抽真空，通过伺服电机将叶片送入沉积室，当沉积室真空度低于5×10-3Pa时，开始加热零件，当热电偶管内的热电偶温度达到工艺温度后，开始进行陶瓷料锭的加热，直至电流达到工艺大小后，开始沉积涂层。
沉积涂层：根据涂层厚度设计要求，通过控制蒸发陶瓷料锭的时间和陶瓷料锭消耗量，控制涂层的厚度。
冷却：将零件退至装载室，当零件真空冷至300℃以下，向装载室内充入空气，打开炉门取出涡轮导向叶片及工装。卸掉工装，得到叶背处涂覆热障涂层，且非涂层区域得到有效防护的涡轮导向叶片叶片。
对单件导向叶片的左联、右联叶片进行涂层厚度检测，检测部位如图7中所示，分别对叶身的上、中、下三个截面进行涂层厚度测量，且在每个截面取5个部位进行厚度检测，以分析叶身表面涂层厚度均匀性。经测量，得到表1所示的导向叶片涂层厚度测量结果，从表中可以看出，涂层厚度均满足设计要求(100～150μm)。
实施方案2
本实施方案是通过分析导向叶片型面特点及叶身局部涂覆涂层的设计要求，并结合EB-PVD设备的工作原理，设计得到一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆装置，该装置可以根据导向叶片尺寸及设计涂层区域要求，进行2件叶片的局部涂层加工。
具体步骤是：
步骤1，清洗：利用丙酮作为清洗剂，将涡轮导向叶片及工装清洗干净，准备装夹。清洗是为了防止零件被污染，影响涂层结合力。
步骤2，装夹：首先将2个工件分别装入2个盒体9内，并通过第四紧固螺母10进行限位固定，之后将2个盒体9通过第一连接法兰4安装在分配板3上，分配板3与连接杆1安装连接。同时在盒体9上安装热电偶管，用于测量沉积室的工艺温度。在安装时，确保盒体9上的喷涂口901沿径向方向朝外。
步骤3，涂覆涂层：具体的涂覆涂层过程如上所述，此处不再赘述。
对两件导向叶片进行涂层厚度检测，检测部位如图7中所示，分别对叶身的上、中、下三个截面进行涂层厚度测量，且在每个截面取5个部位进行厚度检测，以分析叶身表面涂层厚度均匀性。经测量，得到表2、表1所示的导向叶片涂层厚度测量结果，从表中可以看出，涂层厚度均满足设计要求(100～150μm)。
表1
表2
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)该装置结构简单，配件较少，易于产品加工和拆装，并能够根据导向叶片尺寸进行工装尺寸的匹配设计。
(2)该装置能够显著提升EB-PVD设备加工时的装炉量，根据导向叶片尺寸的大小，可从1件叶片到4件叶片进行涂层加工，生产效率成倍增加。
(3)某机导向叶片原装炉量为1件，通过该装置的改进，每炉可以增加至2件，而且涂层厚度均匀性满足设计要求，缩短生产周期100％。
(4)该装置可有效保证涂层区域的涂覆，同时还能够达到对非涂层区域的遮蔽防护。
(5)按每年加工5台份叶片计算，节约生产成本约为80535元，具体计算方法如下：
周期计算方法：每年约加工涡轮导向叶片零件5×21＝105件，使用单件叶片装置每炉次装炉量为1件。
在EB-PVD设备进行零件涂层涂覆时，每炉需要5小时左右，每年需要占用EB-PVD设备105×5＝525小时左右。
使用双件叶片装置后，每炉次装炉量为2件，占用EB-PVD设备52×5＝260小时左右。
成本计算方法：靶材费用+功率×输出百分比×时间×电费+工时×时间+氩气×价格+其它(维修费、备件费等)。改进前每件导向叶片处理费用：1690×3.3÷7+110×70％×5×0.5+29×5+2×100+100＝1535元。每年需成本：1535×21×5＝161175元。
采用双件叶片装炉后，每件导向叶片处理费用：1535÷2＝768元。全年可节约成本约为：161175-768×21×5＝80535元。

Claims (10)

1.一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置，其特征在于：该装置包括用于与EB-PVD设备旋转轴连接的连接杆(1)和用于放置叶片的盒体(9)，所述盒体(9)上设有涂层沉积口(901)，待进行涂层的叶片部位暴露在该涂层沉积口(901)。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置，其特征在于：所述盒体(9)的一端安装有盖板(7)，所述盒体(9)通过盖板(7)密封。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置，其特征在于：所述盒体(9)通过连接法兰(4)与连接杆(1)紧固连接。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置，其特征在于：进一步包括有分配板(3)，该分配板(3)通过紧固螺栓与连接杆(1)紧固连接，所述分配板(3)通过连接法兰(4)与盒体(9)紧固连接。
5.根据权利要求3或4所述的一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置，其特征在于：所述连接法兰(4)的数量与盒体(9)的数量相等。
6.根据权利要求4所述的一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置，其特征在于：所述连接杆(1)安装在分配板(3)的中心位置。
7.根据权利要求1所述的一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置，其特征在于：所述盒体(9)内进一步安装有温度检测装置，用于检测沉积温度。
8.一种基于权利要求1所述的涡轮导向叶片局部涂层涂覆用装置的涂覆工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用丙酮对叶片和盒体进行清洗，之后将叶片装入盒体内，保证待涂层的部位暴露在涂层沉积口，然后将连接杆(1)与EB-PVD设备的旋转轴连接；
S2：开启旋转设备，使旋转轴开始运转，检查旋转是否正常；
S3：对EB-PVD设备的装载室、沉积室抽真空；
S4：在真空条件下，开始加热零件，待达到工艺温度后，利用电子束对陶瓷料锭进行加热蒸发，进而在叶片上沉积涂层；
S5：待叶片的涂层厚度达到工艺要求时停止涂层，将叶片在真空条件下进行冷却；
S6：向装载室内充入空气，打开炉门取出。
9.根据权利要求8所述的一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆工艺，其特征在于：在S1中，利用紧固装置对叶片进行限位固定。
10.根据权利要求8所述的一种涡轮导向叶片局部涂层涂覆工艺，其特征在于：在S4中，真空度低于5×10-3Pa时，开始对工件进行加热。
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