CN108441832B

CN108441832B - 一种离心泵叶轮表面处理方法和设备

Info

Publication number: CN108441832B
Application number: CN201810264173.2A
Authority: CN
Inventors: 廖斌; 欧阳晓平; 张旭; 吴先映; 左帅; 韩然; 刘建武; 杨晓峰; 罗军; 庞盼
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: CN108441832A

Abstract

本发明公开了一种离心泵叶轮表面处理方法和设备，包括以下步骤：S1：利用前期处理设备对叶轮表面进行脱油脱脂清洗；S2：利用宽束双加速级金属离子源对叶轮基体进行表面结构异化处理；宽束金属离子源能够引出的束斑直径为800mm，能够满足800mm以内的叶轮的表面/亚表面结构异化处理，产生压应力提高膜基结合力；S3：同时利用金属离子源、磁过滤沉积系统、高功率脉冲磁控溅射系统对叶轮进行表面沉积镀膜。控制公转速度等参数能够方便实现锯齿梯度、渐变梯度、函数梯度膜层的沉积。采用该方法制备的涂层结构能方便实现交替结构变化；相比于传统涂层，该涂层具备高耐气蚀能力，更强的抗裂纹生长能力、以及接近于体材料的膜层致密性。

Description

一种离心泵叶轮表面处理方法和设备

技术领域

本发明属于薄膜沉积领域，具体涉及一种抗气蚀的水轮机叶片的制备方法。

背景技术

1902年，最先在英国驱逐舰“Cobra”号螺旋桨上发现叶轮气蚀。接着在水工建筑物和水力机械上也看到同样的现象。当时认为桨叶材料的剥落是海水腐蚀造成的，但是试验证明在蒸馏水中运动的物体也会出现类似的剥蚀，因而确认这种现象仅是机械力冲击的结果。据分析，上述两种因素都起作用。在空化过程中，空泡急速产生、扩张，又急速溃灭，在液体中形成激波或高速微射流。金属材料受到冲击后，表面晶体结构被扭曲，出现化学不稳定性，使邻近晶粒具有不同的电势。物体表面局部点上材料剥落后，出现的新的纯净金属和周围旧金属之间构成一对电极而产生腐蚀电流，从而加速叶轮的电化学腐蚀过程。剥蚀区域中材料的机械性能显著恶化，从而导致气蚀量激烈增加。

气蚀的危害：

1、产生振动和噪声。气泡溃灭时，液体质点互相撞击，同时也撞击金属表面，产生各种频率的噪声，严重时可听见泵内有“劈啪”的爆炸声，同时引起机组振动。

2、降低泵的性能。气蚀产生了大量的气泡，堵塞了流道，破坏了泵内液体的连续流动，使泵的流量、扬程和效率明显下降。

3、破坏过流部件。因机械剥蚀和电化学腐蚀的作用，使叶片金属材料发生破坏，通常受气蚀破坏的部位多在叶轮出口附近。气蚀初期，表现为叶轮金属表面出现麻点，继而表面呈现海绵状、沟槽状、蜂窝状、鱼鳞状等痕迹；严重时可造成叶轮穿孔、甚至叶轮破裂，酿成严重事故。

发明内容

本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的目的是提供一种离心泵叶轮表面处理方法和设备。该方法沉积速率高，成本低，能实现大规模的生产。采用该方法处理的水轮机叶轮具备高的耐腐蚀性，高抗裂纹扩展特性，高抗气蚀能力。

本发明提供了一种离心泵叶轮表面处理方法和设备，包括以下步骤：

S1：利用前期处理设备对叶轮进行表面脱油、脱脂处理；

S2：利用宽束双加速级金属离子源对叶轮进行表面结构异化处理；

S3：同时利用金属离子源、两套磁过滤源、高功率脉冲磁控溅射(HiPiMS) 进行叶轮表面沉积镀膜。

其中，所述磁过滤沉积技术具体为：使所述金属靶材产生的金属离子依次穿过阳极筒、磁过滤弯管和散焦线包。

其中，所述所述散焦线包的频率0.1～100Hz，电流为10～50A；

其中，在所述步骤S3中，在进行所述沉积时，对所述基体施加高功率脉冲偏压复合直流偏压，在进行所述沉积时，对所述基体施加高功率脉冲偏压同时复合直流偏压，金属离子源离子能量在35-160KeV，束流强度0-10mA；磁过滤沉积时，起弧电流100-120A；高功率脉冲沉积时电流为50-100A；电机旋转速率为100-300转/分钟，沉积时间1-5小时，沉积厚度5-25微米。

其中，高功率脉冲偏压的电压为20～50kV，脉冲宽度为0.1～1.2ms，脉冲频率为1～100Hz，占空比小于1/10000，峰值功率为5MW；

所述直流偏压的电压为1～600V，占空比1～80％。

本发明的一种离心泵叶轮表面处理方法和设备，包括以下步骤：

S1：对基体表面进行湿喷砂、除油除脂处理。对基体表面湿喷时砂的粒径为200-500目，湿喷处理时间60-120s；然后把基体依次浸入丙酮、酒精进行超声波清洗以除油除脂。

S2：以金属为阴极，利用宽束双加速级金属离子源对叶轮进行表面结构异化处理。

宽束双加速级金属离子源技术具体为：依次穿过第一加速电极、第二加速电极。第一加速电极和第二加速电极均由地电极和高压电极组成，地电极为平面，高压极为凹面，平面-凹面组合能够明显增加等离子体的发散度。等离子体在通过第一和第二加速电极时发生两次散焦效果。最终效果是由传统的金属离子源束流直径φ120mm扩展至φ800mm，能够满足大部分离心机叶轮的表面处理尺寸。

S3：同时利用宽束金属离子源、两套磁过滤系统、高功率脉冲磁控溅射 (HiPiMS)进行叶轮表面沉积镀膜。

磁过滤系统技术具体为：依次穿过阳极筒、磁过滤弯管和散焦线包。磁过滤弯管60度管。散焦线包磁场是不均匀的，靠近金属离子源侧的散焦磁场强度是外侧强度的2-3倍。该磁场的产生是在真空室外侧安置了抑制磁场。不平衡散焦磁场的作用：1、对等离子体进行散焦，束斑直径由φ180扩散至φ600mm；2、由于叶轮放置位置的问题，需要内侧等离子体密度高，该磁场能够使得由弯管出口的等离子体向内侧扩散的程度大于向外侧扩散程度，使得叶轮镀层的均匀性大幅提高，同时提升的还有膜层的沉积效率。

宽束金属离子源的同时工作能起到：1、膜层沉积过程中高能离子的注入能够实现动态的钉扎层结构，明显提高膜层的结合力；2、高能离子与成膜原子发生碰撞、能量传递等过程能够明显增加成膜原子的迁移率，提高膜层的致密性，同时提高整体膜层的耐腐蚀、耐气蚀性能。同时需要强调的是传统金属离子源是不能在10^-2Pa的气压下正常工作的，因为在低气压下地电极和高压电极会发生击穿。本发明中通过离子源的改造能够在10^-1Pa下正常工作，同时电压可高至80Kv。

高功率脉冲磁控溅射(HiPiMS)系统能起到：1、镀膜过程中添加多弧离子镀难沉积的镀层如BN等；2、因高功率脉冲磁控溅射镀膜的无颗粒，高能量进一步提供更加致密的中间膜层，为释放内应力，阻止腐蚀的扩渗起到明显的作用。

进气量函数调控以及高速电机能起到：1、调节各镀层的厚度；2、调节镀层周期单元的层数，通过周期单元层数和层厚的调控能够大幅提高镀层的韧性，硬度以及耐腐蚀性。

散焦线包频率为100-1000HZ，电流为50-100A；

高功率脉冲偏压的电压为20～50kV，频率调节为0-1000HZ，脉宽0-3000 微秒，峰值功率5MW；直流偏压的电压为1～600V，占空比1～80％。

该过程集超高功率超短占空比(占空比小于1/10000)以及低压高占空比与一体，既能利用超高功率偏压的瞬间强热峰效应降低内应力提高结合力，也能利用低压高占空比提高膜层的连续性和降低因长时间高负压造成的膜层溅射。该复合制备的膜层优点有：1、膜基结合力优异；2、膜层内应力超低； 3、膜层弹性模量高，韧性好抗，抗腐蚀能力强；4、膜层沉积速率快；5、镀膜时等离子体绕射性好；6、膜层表面粗糙度低，膜层光滑。

在沉积时，以上各参数相互影响，起弧电流以及基体复合偏压等相互配合相互制约，在以上参数下沉积的膜层致密性高，抗磨损能力强，同时沉积速率高。

本发明通过金属离子源、磁过滤沉积和高功率脉冲磁控溅射技术完成离心泵叶轮表面镀层制备，该类涂层为循环周期多层渐变的膜层结构。

本发明离心泵叶轮表面处理，与现有技术相比，具有以下优势：

1、涂层致密性好，具备高抗气蚀能力，能同时兼顾电阻率和表面粗糙度。

2、具备周期变化的硬度，能够在高外应力作用下阻止裂纹的产生和扩展。

2、比传统镀层具备更高的耐温特性，同时具有高导热性。

3、宽束离子源的加入能明显提高膜基结合力数量，明显降低膜层内应力，能实现大规模生产。

参照附图来阅读对于实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理，在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的一种离心泵叶轮表面处理方法流程图；

图2示出了根据本发明的一个实施例设备的示意图；其中，201为第一磁过滤阴极靶材、202为过滤弯管、203为叶轮、204为高功率脉冲靶、205 为真空腔室、206为旋转电机、207为高脉冲散焦线包、208高脉冲散焦线包、 209为第二磁过滤阴极靶材、211和210为离子源第一加速电极和第二加速电极、212为金属离子源靶材；

图3示出了离子源的示意图；301和304为第一加速电极和第二加速电极侧视图、302为加速电极地极、303为加速电极高压极、305为各电极正视图。

图4示出了实施例1镀层的截面扫描电镜图。

图5示出了实施例2镀层的截面扫描电镜图。

图6示出了实施例3镀层的截面扫描电镜图。

图7示出了实施例4镀层的截面扫描电镜图。

图8示出了实施例1,2，3和4与叶轮基底的结合强度。

图9示出了实施例1,2，3和4的镀层在水冲蚀(速度100m/s，100ml/min) 下的质量损失率。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本申请的一种离心泵叶轮表面处理方法和设备，包括以下步骤：

利用前期处理设备对叶轮进行表面脱油、脱脂处理；

利用宽束双加速级金属离子源对叶轮进行表面结构异化处理；

同时利用金属离子源、两套磁过滤源、高功率脉冲磁控溅射(HiPiMS) 进行叶轮表面沉积镀膜。

清洗工艺：对基体表面湿喷时砂的粒径为200-500目，湿喷处理时间 60-120s；然后把基体依次浸入丙酮、酒精进行超声波清洗以除油除脂。

金属离子源注入工艺：金属离子源离子能量在35-160KeV，束流强度 0-10mA；

沉积工艺：磁过滤沉积，TiAl起弧电流100-120A；高功率脉冲沉积时电流为50-100A，频率调节为0-1000HZ，脉宽0-3000微秒，峰值功率1MW；电机旋转速率为100-300转/分钟，通入气体为乙炔、氮气或者乙炔氮气的混合气，气量为S＝250sin(π*x/120)sccm，高功率脉冲偏压的电压为20～50kV，频率调节为0-1000HZ，脉宽0-3000微秒，峰值功率5MW；直流偏压的电压为 1～600V，占空比1～80％。沉积时间1-5小时；散焦线包频率为100-1000HZ，电流为50-100A。

实施例

实施例1

S1：对基体表面湿喷时砂的粒径为200-500目，湿喷处理时间60-120s；然后把基体依次浸入丙酮、酒精进行超声波清洗以除油除脂。

S2：以Ti靶为阴极，金属离子源离子能量在80KeV，束流强度6mA；

S3：磁过滤沉积，第一磁过滤靶材为Cr起弧电流100A；第二磁过滤靶材为TiAl，起弧电流为100A。高功率脉冲磁控溅射靶材为氧化铝，沉积弧流为80A，频率调节为600HZ，脉宽100微秒，峰值功率1MW；散焦线包频率为500HZ，电流为60A,电机旋转速率为100转/分钟，通入气体为乙炔氮气的混合气按1：1混合，气量为S＝250sin(π*x/120)sccm，高功率脉冲偏压的电压为30kV，频率调节为800HZ，脉宽600微秒，峰值功率5MW；直流偏压的电压为300V，占空比80％。沉积时间3小时。

实施例2

S3：磁过滤沉积，第一磁过滤靶材为Cr起弧电流100A；第二磁过滤靶材为TiAl，起弧电流为100A。高功率脉冲磁控溅射靶材为氧化铝，沉积弧流为80A，频率调节为600HZ，脉宽100微秒，峰值功率1MW；散焦线包频率为500HZ，电流为60A,电机旋转速率为200转/分钟，通入气体为乙炔氮气的混合气按1：1混合，气量为S＝250sin(π*x/120)sccm，高功率脉冲偏压的电压为30kV，频率调节为800HZ，脉宽600微秒，峰值功率5MW；直流偏压的电压为300V，占空比80％。沉积时间3小时。

实施例3

S3：磁过滤沉积，第一磁过滤靶材为Cr起弧电流100A；第二磁过滤靶材为TiAl，起弧电流为100A。高功率脉冲磁控溅射靶材为氧化铝，沉积弧流为80A，频率调节为600HZ，脉宽100微秒，峰值功率1MW；散焦线包频率为500HZ，电流为60A,电机旋转速率为250转/分钟，通入气体为乙炔氮气的混合气按1：1混合，气量为S＝250sin(π*x/120)sccm，高功率脉冲偏压的电压为30kV，频率调节为800HZ，脉宽600微秒，峰值功率5MW；直流偏压的电压为300V，占空比80％。沉积时间3小时。

实施例4

S3：磁过滤沉积，第一磁过滤靶材为Cr起弧电流100A；第二磁过滤靶材为TiAl，起弧电流为100A。高功率脉冲磁控溅射靶材为氧化铝，沉积弧流为80A，频率调节为600HZ，脉宽100微秒，峰值功率1MW；散焦线包频率为500HZ，电流为60A,电机旋转速率为300转/分钟，通入气体为乙炔氮气的混合气按1：1混合，气量为S＝250sin(π*x/120)sccm，高功率脉冲偏压的电压为30kV，频率调节为800HZ，脉宽600微秒，峰值功率5MW；直流偏压的电压为300V，占空比80％。沉积时间3小时。

对比测试例

为了进一步地显示本发明一种离心泵叶轮表面处理方法的有益效果，分别对实施例1，2,3,和4中涂层进行了截面SEM、结合力测试和水冲蚀对比。

实施例1：从图4可以看到，SEM图中叶轮涂层的致密性非常好，在100 转/分钟的转速下能看到明显的多层分界线。

实施例2：从图5可以看到，SEM图中叶轮涂层的致密性非常好，在200 转/分钟的转速下能看到明显的多层厚度降低，同时分界线明显。

实施例3：从图6可以看到，SEM图中叶轮涂层的致密性非常好，在250 转/分钟的转速下能看到分界线开始变得不明显。

实施例4：从图7可以看到，SEM图中叶轮涂层的致密性非常好，在300 转/分钟的转速下基本没有分界线，周期单元内层厚降至纳米级。

对比例：从图8可以看到，本发明中一种离心泵叶轮表面处理方法结合力很强，结合力在87N以上，结合强度非常高。图9为4个实施例在100m/s 速度、100ml/min下涂层及叶轮的质量损失率，可以很清楚的看出质量损失率最高的为0.022mg/g，制备过程中转速为300转/分钟，同时最低的为 0.0025mg/g，制备过程中的转速为100转/分钟，相对与无涂层的叶轮而言 (0.25mg/g)均有明显的提升。

由以上对比测试结果可以看出，采用本申请的制备方法所制备的离心泵叶轮表面涂层水冲蚀环境下均具有明显提高的抗气蚀提高寿命能力。

此外，在工业生产中，普通磁过滤阴极金属靶材的寿命不超过15小时，本发明通过外磁场的控制很容易实现控制弧斑的运动，并且能够大幅提高阴极靶材的寿命，使其寿命可高达50小时。因此，无需中途破坏真空进行换靶。

综上所述，本发明一种离心泵叶轮表面处理方法和设备沉积速率高，成本低，能实现大规模生产，提高生产效益。采用该方法在叶轮表面沉积涂层的密性好，具有非常好的抗气蚀性能，大幅度提高服役寿命。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种离心泵叶轮表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对基体表面进行湿喷砂、除油除脂处理，对基体表面湿喷时砂的粒径为200-500目，湿喷处理时间60-120s；然后把基体依次浸入丙酮、酒精进行超声波清洗以除油除脂；

S2：以金属为阴极，利用宽束双加速级金属离子源对叶轮进行表面结构异化处理；

S3：同时利用所述宽束双加速级金属离子源、阴极材料为Mo，或Cr的第一磁过滤沉积系统、阴极材料为Ti，TiAl或者TiAlSi的第二磁过滤沉积系统以及阴极材料为氧化铝、二硫化钼或氮化硼的高功率脉冲磁控溅射(HiPiMS)系统进行叶轮表面沉积镀膜；

所述步骤S3 的具体步骤包括：

将叶轮置于真空氛围中，通入氮气或乙炔，氮气或乙炔的进气量S按照正弦函数S＝250sin(πx/120)sccm进气；

启动所述宽束双加速级金属离子源、所述第一磁过滤沉积系统、所述第二磁过滤沉积系统、所述高功率脉冲磁控溅射(HiPiMS)系统同时沉积；所述宽束双加速级金属离子源的离子能量在35-160KeV，束流强度0-10mA；所述第一磁过滤沉积系统、所述第二磁过滤沉积系统在磁过滤沉积时的起弧电流为100-120A；所述高功率脉冲磁控溅射(HiPiMS)系统的沉积电流为50-100A；散焦线包频率为100-1000Hz ，电流为50-100A，电机旋转速率为100-250转/分钟；沉积1～3h；

在叶轮表面沉积得到多层结构的陶瓷膜层，所述陶瓷膜层为6～12层为单元膜层循环的循环膜层，所述单元膜层的厚度为10-1000nm。