CN110656304A - 一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置，包括真空腔和夹具，叶盘通过夹具安装在真空腔内，真空腔的侧壁上布置有四个涂层沉积靶，所述四个涂层沉积靶分别为第一靶、第二靶、第四靶和第五靶，其中，第二靶和第四靶置于叶盘的进气边一侧；第一靶置于叶盘的排气边一侧；第五靶置于叶片叶尖一侧；本发明的应用，可大幅提高复杂环境下轴流式单轮整体叶盘的可靠性和使用寿命，具有显著的经济效益。

Description

一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置

技术领域

本发明属于机械工程领域，涉及一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置。

背景技术

叶轮机械的压缩机都使用具有翼型的叶片，在运行期间，空气通过压缩机引导和做功。整体叶盘式压缩机是航空发动机等叶轮机械的重要组成部分，整体叶盘采用叶片和转盘一体化的设计思路，可以减轻重量，消除连接部位的摩擦和振动等不利影响，提高高速旋转下系统的稳定性。在压缩并引导气流的过程中，容易受到环境的影响，随气流吸入沙粒、水滴和其他颗粒，使得整体叶盘叶片表面容易受到空气中夹带的颗粒和液滴的撞击、侵蚀，改变叶片的型面尺寸，对结构造成损害。

对于钛合金叶片，其硬度较低，耐撞击和磨损性能较差，且钛合金对缺口应力集中敏感，在服役过程中产生的缺陷快速扩展，从而严重影响安全。不锈钢整体叶盘则由于抗腐蚀能力不足，容易发生点蚀，形成微小裂纹，亦不利于安全使用。尤其是对涡轴发动机，起降和超低空飞行过程中，吸入大量的沙尘等颗粒、草根等撞击、侵蚀发动机压气机整体叶盘的叶片，导致性能衰减，甚至发生严重事故。另外，整体叶盘上由于叶片和盘是一个整体，如果其中单个叶片某个部位发生了足够的腐蚀或撞击损坏，为了保证安全，则必须从更换整个叶盘，成本十分高昂。因此，迫切需要采用防护涂层技术，提高其表层的抗冲击、耐磨损和耐腐蚀性能，从而提高整体叶盘的环境适用能力，确保安全服役。

由于整体叶盘高速旋转，伴随有叶片强烈振动，对叶盘防护涂层的要求很高。现有的防护涂层一般针对简单构件，不能根据叶盘结构和防护要求进行涂层设计。轴流式整体叶盘叶片的角度变化，且叶片之间互相遮挡，无法实现均匀涂层的制备，难以同时兼顾整体叶盘进气端、排气端和叶尖的不同防护需求。广泛用于叶片保护的涂层材料通常是坚硬的陶瓷涂层，例如氮化物和碳化物。这些涂层对于普通工作环境的部件具有较好的防护性能，但在轴流式压缩机单轮整体叶盘中，由于叶盘结构复杂，服役环境严酷，难以实现叶片不同部位的防护，无法兼顾气流中夹带沙粒、水滴等的撞击、磨损和腐蚀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置，解决了现有的轴流式压缩机单轮整体叶盘难以实现叶片不同部位的防护，无法兼顾气流中夹带沙粒、水滴等的撞击、磨损和腐蚀。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置，包括真空腔和夹具，叶盘通过夹具安装在真空腔内，真空腔的侧壁上布置有四个涂层沉积靶，所述四个涂层沉积靶分别为第一靶、第二靶、第四靶和第五靶，其中，第二靶和第四靶置于叶盘的进气边一侧；第一靶置于叶盘的排气边一侧；第五靶置于叶片叶尖一侧。

优选地，夹具包括基座、传动轴、驱动面、保护壳和中间轴，其中，传动轴的一端安装在基座上，传动轴的另一端连接驱动面，驱动面上安装有中间轴，中间轴上套装用于固定安装叶盘的保护壳。

优选地，保护壳为圆柱体结构，所述圆柱体结构的侧壁上沿其圆周方向开设有开口槽，所述叶盘的轮盘安装在开口槽内，叶盘的叶片伸出至保护壳外侧。

优选地，保护壳为分体式结构，包括本体和盖体，本体和盖体之间通过紧固螺帽连接。

优选地，第二靶的中心位于距离叶片叶尖的1/4叶高处；第四靶的中心位于距离叶片叶尖的1/3叶高处，且第二靶和第四靶中心之间的连接与真空腔的直径重合；

第一靶的中心位于距离叶尖1/4叶高处；第五靶的中心位于叶尖截面弦线的中心位置。

优选地，所述真空腔的侧壁上还设置有两个离子注入靶，分别为第三靶和第六靶，其中，第三靶置于叶盘的进气边一侧，且第三靶的中心位于距离叶尖1/2叶高处；第六靶置于叶盘的排气边一侧，且第六靶的中心位于距离叶尖1/2叶高处；第三靶和第六靶中心之间的连接经过真空腔的中心。

优选地，叶盘通过夹具安装在真空腔中时，叶盘叶片的进气边朝上，且距离叶片叶尖1/3处的截面弦线与第二靶44的中心线之间形成有15～25度的倾角。

与现有技术相比,本发明的有益效果是：

本发明提供的一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置，现在的涂层制备装置，靶材都是均匀的分布在真空腔壁上，本发明根据整体叶盘工作特性，叶片不同部位具有不同的性能要求，从而相应的调整了靶的布置，只满足了叶片不同部位的性能需求；

本发明针对叶轮机械，尤其是航空发动机轴流式单轮整体叶盘，在叶盘进气端、排气端和叶尖等部位制备高性能涂层，可大幅提高整体叶盘抗冲蚀耐磨损等性能指标，同时兼顾叶片的耐久极限。本发明的应用，可大幅提高复杂环境下轴流式单轮整体叶盘的可靠性和使用寿命，具有显著的经济效益。

进一步的，另外相对于现有设备，增加了两个金属离子注入靶，在制备涂层前进行离子注入的前处理工艺，可提高涂层与基体的结合力，进一步提升整体叶盘的防护性能。

附图说明

图1是轴流式单轮整体叶盘结构示意图；

图2是整体叶盘夹持与保护方式示意图；

图3是整体叶盘在真空腔中的安装示意图；

图4是叶片进排气边与涂层沉积靶的相对位置；

其中，10、轴流式单轮整体叶盘11、叶盘中心安装孔12、整体叶盘单个叶片13、盘体14、叶片进气边15、叶片叶尖16、叶片排气边17、叶盘中心安装孔直径18、叶盘直径20、基座21、传动轴22、驱动面23、保护壳24、轮盘25、叶片26、中间轴27、紧固螺帽28、盖体41、第一靶42、整体叶盘安装角度44、第二靶46、第三靶47、第四靶49、第五靶50、第六靶51、真空腔52、整体叶盘安装轴线53、右侧面靶所在直径60、轮盘61、叶轮侧面62、叶片排气边63、叶片叶背面64、叶尖65、叶片进气边。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

本发明根据轴流式单轮整体叶盘结构特征，提供了一种轴流式压缩机单轮整体叶盘特种防护涂层制备方法，该方法制备的涂层可显著提高整体叶盘的服役寿命，适用于提高单轮整体叶盘进气端抗撞击、排气端耐磨损和叶片的耐腐蚀能力。

本发明提出的一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置，包括真空腔51和夹具，其中，叶盘通过夹具安装在镀膜设备的真空腔内。

所述真空腔的侧壁上设置有四个涂层沉积靶和两个离子注入靶。

所述真空腔为圆柱体的空腔结构。

夹具包括基座20、传动轴21、驱动面22、保护壳23、轮盘24、叶片25、中间轴26和紧固螺帽27，其中，传动轴21的一端安装在基座20上，传动轴21的另一端连接驱动面22，驱动面22上安装有中间轴26，中间轴26上套装保护壳23，保护壳23用于固定安装叶盘。

保护壳23为圆柱结构，所述圆柱结构的侧壁上沿其圆周方向开设有开口槽，所述叶盘的轮盘24安装在开口槽内，叶盘的叶片25伸出至保护壳23外侧。

保护壳23为分体式结构，包括本体和盖体28，本体和盖体28之间通过紧固螺帽27连接；该结构便于叶盘的安装。

传动轴21连接镀膜设备的控制系统，用于实现传动轴21的启停。

靶设置有六个，均安装在真空腔1的侧壁上，六个靶分别为第一靶41、第二靶44、第三靶46、第四靶47、第五靶49和第六靶50，其中，第一靶41、第二靶44、第四靶47和第五靶49用于涂层沉积；第三靶46和第六靶50用于离子注入。

其中，第二靶44和第四靶47置于叶盘的进气边一侧，第二靶44的中心位于距离叶片叶尖的1/4叶高处；第四靶47的中心位于距离叶片叶尖的1/3叶高处，且第二靶44和第四靶47中心之间的连接与真空腔1的直径重合。

第一靶41置于叶盘的排气边一侧，且第一靶41的中心位于距离叶尖1/4叶高处。

第五靶49置于叶片叶尖一侧，且第五靶49的中心位于叶尖截面弦线的中心位置。

第三靶46置于叶盘的进气边一侧，且第三靶46的中心位于距离叶尖1/2叶高处，第六靶50置于叶盘的排气边一侧，且第六靶50的中心位于距离叶尖1/2叶高处，且第三靶46和第六靶50中心之间的连接经过真空腔1的中心。

整体叶盘安装角度可以通过安装基座实时进行调整，通过夹具驱动叶盘按50rpm的速度进行逆时针旋转。

其具体包括以下过程：

(1)根据整体叶盘结构确定夹具、真空腔和靶的位置，距离叶片叶尖1/3处的截面弦线与第二靶44的中心线之间形成有倾角，所述倾斜角度为15～25度；其目的是为了保证粒子撞击部位的涂层厚度；

(2)清洗后，将整体叶盘安装在特殊的真空腔室中，并根据整体叶盘损伤特征及分布区域调整叶盘的安装位置，进气边朝上；

(3)加热整体叶盘到一定的温度；

(4)对叶盘的叶片进行离子轰击和清洗，并注入高剂量离子，提高叶盘叶片的表面活性；

离子轰击与清洗工艺：的整体叶盘基体表面离子轰击和活化，所述的真空腔体抽真空到2.6×10^-3Pa，叶片预热温度为400℃～450℃，通入的工作介质为氩气，流量为80sccm，叶盘基体偏压为-1000V，处理时间为10～15分钟。

离子注入工艺：关闭氩气，所述的真空腔体抽真空到2.6×10^-3Pa，开启MEVVA离子注入靶，注入离子为Ti离子，注入电压为8～12KV，注入剂量为2～8×10¹⁷cm^-2。

(5)对进气端、排气端和叶尖沉积多层TiN/Ti涂层，沉积过程中开启磁过滤，确保涂层均匀致密；

抽真空至2.6×10-3Pa，开启电源，钛合金靶(51,54,57,59)工作，

单层Ti层工艺：弧压为24V，电流为100～110A，偏压为-200V，钛靶的纯度为99.99％；

单层TiN层工艺：开启氮气，流量从0逐渐提高到200sccm，保持真空度为5×10^-2Pa，弧压为24V，电流为100～110A，偏压为-200V,钛靶的纯度为99.99％，氮气的纯度为99.95％；。

(6)按一定要求冷却整体叶盘。

本发明的一个显著优点是：

针对轴流式单轮整体叶盘设计真空腔体，将涂层结构与整体叶盘的防护需求紧密结合，优化涂层制备过程，涂层制备效率高，涂层防护效果好。

所述的单轮整体叶盘耐腐蚀和抗撞击涂层可以具有不同的组合结构。例如，两种典型的组合涂层为：第一种组合为一层或多层TiN/Ti，每层厚度约2至10微米；第二种组合为一层或多层氮化钛铝(TiAlN/TiAl)组成，每层的厚度为约2至6微米。其中，金属Ti或TiAl作为基体与涂层的粘合层，同时也作为多层陶瓷之间的粘合层，以促进陶瓷涂层与基材的粘合，提高层间结合强度。

本发明的第二个显著优点是：

这种非均匀涂层可以满足叶片不同部位对涂层的要求，提高轴流式单轮整体叶盘的服役性能和使用寿命。叶盘进气端防护涂层总厚度至少18微米，甚至25微米，涂层将表现出良好的抗撞击性能；排气端涂层总厚度大于8微米，涂层表现出优良的耐磨损性能，也保证了叶身部位的耐腐蚀能力。这种涂层特别适合恶劣环境(沙漠、海洋)中服役的叶轮机械或其他条件下压缩机单轮整体叶盘，不会因为涂层增加过大的重量而影响机械性能，涂层的厚度分布对叶盘的气动和动态性能也不会产生较大影响。

具体实施案例：

以某钛合金轴流式压缩机单轮整体叶盘为例，所述的叶片防护涂层的具体制备过程如下：

步骤1，将轴流式单轮整体叶盘进行除油、清洗，烘干备用；具体过程为：首先用去离子水冲洗叶盘上的每个叶片，然后将整体叶盘的进气端用丙酮冲洗30秒，然后将排气端用丙酮冲洗30秒；

步骤2，将单轮整体叶盘安装在专用夹具上，检查保护措施，确保除了叶片外其他部位均被覆盖良好；

步骤3，将夹持好的单轮整体叶盘安装在特定的真空腔1中，并调整叶盘的安装角度，使叶片1/3叶高部位处的截面弦线与第二靶44的中心线夹角为20度；

步骤4，开启真空泵将真空腔1抽真空，利用等离子体辉光放电方法对整体叶盘的叶片进行离子清洗和预处理，离子清洗和预处理的过程具体为：抽真空后将整体叶盘基体预热，利用Ar离子对施加负偏压的整体叶盘表面离子轰击和活化，所述的真空腔1真空度保持为2.6×10^-3Pa，叶片预热温度达到400℃～450℃，通入真空腔1的工作介质为氩气，流量为80sccm，整体叶盘基体偏压为-1000V，处理时间为10分钟；用以清洗工件表面的氧化物等染污物，同时提高工件表面温度

步骤5，对钛合金单轮整体叶盘叶片表面进行离子注入，对整体叶盘叶片进行Ti离子注入的具体过程为：关闭氩气，所述的真空腔1抽真空到2.6×10^-3Pa，开启MEVVA离子注入靶，即第三靶46和第六靶50，粒子注入电压为12KV，注入剂量为5×10¹⁷cm^-2；

步骤6，沉积1微米厚度的Ti作为结合层，具体过程为：将真空腔1抽真空到2.6×10^-3Pa，开启钛合金靶电源，即第一靶41、第二靶44、第四靶47和第五靶49；设置弧压为24V，电流为110A，偏压为-200V，沉积时间为30min，第一靶41、第二靶44、第四靶47和第五靶49中的钛的纯度为99.99％；

步骤7，开启氮气，流量从0逐渐提高到20sccm，保持真空腔1中的真空度为5×10^{- 2}Pa，设置弧压为24V，电流为110A，偏压为-200V，沉积时间为150min；氮气的纯度为99.95％；

步骤8，关闭氮气，对整体叶盘的叶片表面进行离子溅射，依次调整整体叶盘基体的负偏压分别至-800V，-600V，-400V，每组负偏压下维持2分钟；

步骤9，重复上述步骤6、7和8三次。

步骤10，再次重复上述步骤6和7，直到在单轮整体叶盘叶片进气边表面沉积涂层厚度达到25微米以上，其他区域的涂层按同样的工艺；

步骤11，加热叶片到500摄氏度，保持1个小时，然后在真空腔1的真空环境下冷却至200℃以下，随后通入真空腔1氮气作为保护气氛，自然冷却至室温；最后将真空腔1放气至大气压，完成整体叶盘1叶片1表面防护涂层制备。

Claims (7)

1.一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置，其特征在于，包括真空腔和夹具，叶盘通过夹具安装在真空腔内，真空腔的侧壁上布置有四个涂层沉积靶，所述四个涂层沉积靶分别为第一靶(41)、第二靶(44)、第四靶(47)和第五靶(49)，其中，第二靶(44)和第四靶(47)置于叶盘的进气边一侧；第一靶(41)置于叶盘的排气边一侧；第五靶(49)置于叶片叶尖一侧。

2.根据权利要求1所述的一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置，其特征在于，夹具(2)包括基座(20)、传动轴(21)、驱动面(22)、保护壳(23)和中间轴(26)，其中，传动轴(21)的一端安装在基座(20)上，传动轴(21)的另一端连接驱动面(22)，驱动面(22)上安装有中间轴(26)，中间轴(26)上套装用于固定安装叶盘的保护壳(23)。

3.根据权利要求2所述的一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置，其特征在于，保护壳(23)为圆柱体结构，所述圆柱体结构的侧壁上沿其圆周方向开设有开口槽，所述叶盘的轮盘(24)安装在开口槽内，叶盘的叶片(25)伸出至保护壳(23)外侧。

4.根据权利要求2或3所述的一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置，其特征在于，保护壳(23)为分体式结构，包括本体和盖体，本体和盖体之间通过紧固螺帽(27)连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置，其特征在于，第二靶(44)的中心位于距离叶片叶尖的1/4叶高处；第四靶(47)的中心位于距离叶片叶尖的1/3叶高处，且第二靶(44)和第四靶(47)中心之间的连接与真空腔(1)的直径重合；

第一靶(41)的中心位于距离叶尖1/4叶高处；第五靶(49)的中心位于叶尖截面弦线的中心位置。

6.根据权利要求1所述的一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置，其特征在于，所述真空腔的侧壁上还设置有两个离子注入靶，分别为第三靶(46)和第六靶(50)，其中，第三靶(46)置于叶盘的进气边一侧，且第三靶(46)的中心位于距离叶尖1/2叶高处；第六靶(50)置于叶盘的排气边一侧，且第六靶(50)的中心位于距离叶尖1/2叶高处；第三靶(46)和第六靶(50)中心之间的连接经过真空腔(1)的中心。

7.根据权利要求1所述的一种用于轴流式压缩机单轮整体叶盘的涂层装置，其特征在于，叶盘通过夹具(2)安装在真空腔中时，叶盘叶片的进气边朝上，距离叶片叶尖1/3处的截面弦线与第二靶44的中心线之间形成有15～25度的倾角。

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