CN110760809A - 一种用于电子束物理气相沉积制备热障涂层的夹持装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电子束物理气相沉积制备热障涂层的夹持装置，包括公转组件、自转组件、支撑组件和摆动组件。通过本发明的技术方案可实现叶片工件稳定可控的公转和自转，同时也可以在公、自转的同时实现一定角度摆动，从而提高复杂结构叶片的预热温度和涂层厚度均匀性，有利于实现沉积蒸汽多角度入射，促进发达柱状晶生长，提高涂层微观组织均匀性和应变容限，延长涂层服役寿命。

Description

一种用于电子束物理气相沉积制备热障涂层的夹持装置

技术领域

本发明涉及一种制备热障涂层的装置，尤其涉及一种用于电子束物理气相沉积制备航空发动机导向器叶片和高压涡轮叶片热障涂层的3自由度工装系统。

背景技术

电子束物理气相沉积(electron beam physical vapour deposition，EB-PVD)是利用高能量密度的电子束加热沉积材料，使其蒸发成气相，并在基板上凝结沉积成涂层的过程。采用EB-PVD制备热障涂层是当前航空发动机热端部件，尤其是适用于导向器叶片和高压涡轮叶片热防护的主流技术。同等离子喷涂热障涂层相比，EB-PVD热障涂层有诸多优势，如：EB-PVD涂层更致密，有较好的抗氧化和热腐蚀性能；涂层组织由垂直于基体的柱状晶组成，相较于等离子喷涂TBCs的等轴晶组织，其涂层的应变容限得到显著提高，得到更高的热循环寿命；其涂层界面主要为化学结合，结合力大幅度增强；其表面更加光洁，可保持良好的叶片空气动力学性能，并且能够减少外来物质在涂层表面进行沉积，阻止冷却孔堵塞等。

EB-PVD是视线沉积工艺，通过旋转可在工件表面形成均匀涂覆的涂层。同时，由于旋转引入的阴影效应，形成的涂层具有柱状晶微观组织。通常情况下，一维旋转即可在平板试样表面形成柱状晶组织发达的涂层结构。但对于涡轮叶片和导向器叶片等具有复杂曲面的工件，当装炉量较大时，工件存在相互遮挡，简单的一维旋转将无法实现工件表面涂层的均匀涂覆。

为了在多叶片工件表面均匀涂覆电子束物理气相沉积热障涂层，目前通常采用的一种方法是利用旋转主轴驱动工件盘转动，通过自转工装设计可在公转基础上利用工件自重实现自转。这种方式在一定程度上提高了叶片在涂层沉积时的温度均匀性和叶身涂层厚度的均匀性，同时由于叶片在自转时与水平轴存在一定角度，将有利于增大缘板区域的蒸汽入射角，提高叶片缘板的涂层质量。但这种涂层沉积的公、自转方式受叶片形状影响大，依靠叶片自重实现自转的可控性差，叶身涂层仍无法获得良好的均匀性；且叶片不同部位沉积蒸汽入射角不同，造成涂层微观结构存在差异。

德国ALD和Von Ardenne公司提出的叶片多自由度运动方式可以实现叶片涂层沉积时的公转、自转和±45°摆动，可以有效的提高叶身涂层的厚度均匀性；同时这种多自由度运动可以获得更加优异的涂层的微观组织，继而提高热障涂层的热循环寿命。但实现这种涂层沉积多自由度运动的传动结构复杂，且传动部件的齿轮、蜗杆等均工作在近1000℃高温下，传动部件极易损坏，工作成本高。

国内于20世纪90年代开始引进乌克兰Paton焊接所生产的EB-PVD设备。该设备利用单独电子枪进行叶片预热，可实现叶片快速升温，且电子束流对叶片表面有清洗作用，有利于提高涂层的界面结合。但该设备通常仅配备有一根主旋转轴，在沉积叶片等工件涂层时，通过特殊工装设计可实现叶片的公转与自转。但叶片的自转是利用叶片重力引导实现的，叶片自转速度不可控，无法实现叶片叶身涂层厚度的均匀性控制；且在叶片自转时的倾斜角有限，无法在高压涡轮叶片缘板及导向器叶片两侧缘板上形成较大的蒸汽入射角，获得组织良好的涂层。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种用于电子束物理气相沉积制备热障涂层的夹持装置，通过双主轴旋转运动可以实现多个或单个工件的3自由度运动(公转、自转、摆动)，可以实现叶片叶身涂层的均匀涂覆，同时可以提高叶片缘板涂层质量。本发明的具体技术方案如下：

一种用于电子束物理气相沉积制备热障涂层的夹持装置，其特征在于，包括公转组件、自转组件、支撑组件和摆动组件，其中，

所述公转组件包括装置外架和与所述装置外架相键连的第一主传动轴，所述第一主传动轴转动带动所述装置外架转动，进而带动整个装置转动，实现公转；

所述自转组件包括内嵌在所述第一主传动轴内的第二主传动轴，与所述第二主传动轴键连的主齿轮，分别与所述主齿轮啮合的六个自转齿轮，尾端分别与所述六个自转齿轮中心键连的六根从动轴；

所述支撑组件包括九根连接杆，六个法兰轴承和圆形挡板；

所述摆动组件包括齿轮盘，六个摆动齿轮，六个内齿轮，六个摆动圆盘，六根摆动轴，六个万向节，六根摆动杆和支架上圆盘；

所述六个自转齿轮分别与所述齿轮盘上的所述六个内齿轮上下一一对应，所述六个法兰轴承通过螺栓螺母安装在所述圆形挡板上，所述六根从动轴底端分别穿过所述六个法兰轴承，所述六根从动轴的顶端分别穿过所述齿轮盘的所述六个内齿轮中心后分别通过螺钉与所述六个摆动圆盘的中心固定，通过所述第二主传动轴的转动带动所述主齿轮转动，所述主齿轮转动带动所述六个自转齿轮转动，在所述六根从动轴带动下实现所述六个摆动圆盘转动，进而实现自转；

所述圆形挡板、所述齿轮盘、所述支架上圆盘的直径相同，所述九根连接杆均通过螺母固定，其中，三根连接杆均匀分布于所述圆形挡板底面用于支撑所述圆形挡板，三根连接杆均匀分布在所述圆形挡板和所述齿轮盘之间，三根连接杆均匀分布在所述齿轮盘和所述支架上圆盘之间；

所述六个万向节分别安装在所述六个摆动圆盘上，所述六个万向节底部与所述六根摆动轴的顶端键连，所述六根摆动轴的尾端与所述六个摆动圆盘底部的所述六个摆动齿轮键连，所述六个摆动齿轮分别与所述六个内齿轮啮合；所述支架上圆盘外沿均匀分布六个通孔，所述六根摆动杆的尾端连接所述六个万向节，所述六根摆动杆的顶端插入所述支架上圆盘的六个通孔，所述六根摆动杆顶端分别安装所述六个工件架；

所述六根从动轴带动所述六个摆动圆盘开始转动后，所述六个摆动齿轮转动，带动所述六个万向节转动，进而带动所述六根摆动杆倾斜转动，进一步带动所述六个工件架自由摆动。

本发明的有益效果在于：

1.双主轴结构实现叶身部分蒸汽入射角从-45°-90°-45°连续变化，缘板区域蒸汽入射角从0°-45°连续变化，多角度蒸汽入射有利于提高叶片预热温度和涂层厚度均匀性，促进发达柱状晶生长；提高涂层微观组织均匀性和应变容限，延长涂层服役寿命。

2.实现叶片工件稳定可控的公转和自转，同时也可以在公、自转的同时实现一定角度摆动，从而提高复杂结构叶片的预热温度和涂层厚度均匀性。

3.可以改善叶片(涡轮叶片和导向叶片)缘板区域热障涂层的微观组织结构，满足该区域的涂覆涂层的质量要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，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。其中：

图1是本发明的一种用于电子束物理气相沉积制备热障涂层的夹持装置结构图；

图2是本发明的一种用于电子束物理气相沉积制备热障涂层的夹持装置装配图；

图3是本发明的装置的剖面示意图；

图4是涡轮叶片叶身及缘板YSZ涂层截面形貌观察位置点示意图；

图5是利用本发明的装置EB-PVD涡轮叶片叶身YSZ涂层截面形貌图；

图6是传统工艺EB-PVD涡轮叶片叶身YSZ涂层截面形貌图；

图7是利用本发明的装置EB-PVD涡轮叶片缘板YSZ涂层截面形貌图；

图8是传统工艺EB-PVD涡轮叶片缘板YSZ涂层截面形貌图；

图9是涡轮叶片叶身YSZ涂层厚度观察位置点示意图；

图10是利用本发明的装置沉积与传统工艺沉积的涡轮叶片叶身YSZ涂层厚度均匀性对比图；

图11是导向叶片叶身及缘板YSZ涂层截面形貌观察位置点示意图；

图12是利用本发明的装置EB-PVD导向叶片叶身YSZ涂层截面形貌图；

图13是利用本发明的装置EB-PVD导向叶片缘板YSZ涂层截面形貌图。

附图标号说明：

1-主齿轮；2-自转齿轮；3-摆动齿轮；4-内齿轮；5-法兰轴承；6-从动轴；7-摆动圆盘；8-万向节；9-摆动杆；10-圆形挡板；11-连接杆；12-齿轮盘；13-支架上圆盘；14-工件架；15-第一主传动轴；16-第二主传动轴；17-装置外架；

A-涡轮叶片缘板YSZ涂层截面形貌观察位置点；B-涡轮叶片叶身YSZ涂层截面形貌观察位置点；C-导向叶片缘板YSZ涂层截面形貌观察位置点；D-导向叶片叶身YSZ涂层截面形貌观察位置点。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-3所示，本发明设计了一种用于电子束物理气相沉积制备热障涂层的夹持装置，能够实现三自由度旋转。

一种用于电子束物理气相沉积制备热障涂层的夹持装置，包括公转组件、自转组件、支撑组件和摆动组件，其中，公转组件包括装置外架17和与装置外架17相键连的第一主传动轴15，第一主传动轴15转动带动装置外架17转动，进而带动整个装置转动，实现公转；

自转组件包括内嵌在第一主传动轴15内的第二主传动轴16，与第二主传动轴16键连的主齿轮1，分别与主齿轮1啮合的六个自转齿轮2，尾端分别与六个自转齿轮2中心键连的六根从动轴6；

支撑组件包括九根连接杆11，六个法兰轴承5和圆形挡板10；摆动组件包括齿轮盘12，六个摆动齿轮3，六个内齿轮4，六个摆动圆盘7，六根摆动轴(未示出)，六个万向节8，六根摆动杆9和支架上圆盘13；

六个自转齿轮2分别与齿轮盘12上的六个内齿轮4上下一一对应，六个法兰轴承5通过螺栓螺母安装在圆形挡板10上，六根从动轴6底端分别穿过六个法兰轴承5，六根从动轴6的顶端分别穿过齿轮盘12的六个内齿轮4中心后分别通过螺钉与六个摆动圆盘7的中心固定，通过第二主传动轴16的转动带动主齿轮1转动，主齿轮1转动带动六个自转齿轮2转动，在六根从动轴6带动下实现六个摆动圆盘7转动，进而实现自转；

圆形挡板10、齿轮盘12、支架上圆盘13的直径相同，九根连接杆11均通过螺母固定，其中，三根连接杆11均匀分布于圆形挡板10上用于支撑圆形挡板10，三根连接杆11均匀分布在圆形挡板10和齿轮盘12之间，三根连接杆11均匀分布在齿轮盘12和支架上圆盘13之间；

六个万向节8分别安装在六个摆动圆盘7上，六个万向节8底部与六根摆动轴(未示出)的顶端键连，六根摆动轴(未示出)的尾端与六个摆动圆盘7底部的六个摆动齿轮3键连，六个摆动齿轮3分别与六个内齿轮4啮合；支架上圆盘13外沿均匀分布六个通孔，六根摆动杆9的尾端连接六个万向节8，六根摆动杆9的顶端插入支架上圆盘13的六个通孔，六根摆动杆9顶端分别安装六个工件架14；

六根从动轴6带动六个摆动圆盘7开始转动后，六个摆动齿轮3转动，带动六个万向节8转动，进而带动六根摆动杆9倾斜转动，进一步带动六个工件架14自由摆动。

实施例1

利用该装置，将六个高压涡轮叶片分别安装在六个工件架14上，通过EB-PVD进行喷涂。

第一主传动轴15转动带动整个装置转动，实现整体公转；第二主传动轴16转动带动主齿轮1转动，主齿轮1转动后，自转齿轮2与从动轴6同时转动，从动轴6带动摆动圆盘7转动，摆动杆9也因此倾斜并转动，从而叶片自转并摆动。所以此装置实现了通过EB-PVD同时制备6个高压涡轮叶片，并且实现公转、自转、叶片自由摆动的3自由度旋转。

附图4为观察涡轮叶片叶身及缘板涂层截面形貌的位置点，附图5和附图6分别为利用本发明的装置和传统工艺制备的叶片叶身部分涂层截面形貌图，经过对比可以看出利用本发明的装置进行EB-PVD沉积涡轮叶片涂层，由于多角度蒸汽入射促进了发达柱状晶的生长。

附图7和附图8分别为利用本发明的装置和传统工艺制备的叶片缘板部分的涂层截面形貌图，对比传统工艺沉积的叶片缘板涂层，可以看出利用本发明的装置制备的YSZ涂层，由于沉积过程中在叶片缘板上形成较大蒸汽入射角，促进了其柱状晶的生长，组织得到改善。

为表征涂层厚度的均匀性，观察了叶片叶身部位8个位置点的YSZ涂层的厚度，将得到的结果进行归一化处理，附图10即为传统工艺制备的叶片与利用本发明的装置制备的叶片不同位置YSZ涂层厚度均匀性对比图，图9是涡轮叶片叶身YSZ涂层厚度观察位置点示意图；如图9-10中所示，利用本发明的装置制备的叶片涂层厚度均匀性在0.85以上，并且除涂层厚度最薄弱的f处其余各位置厚度均匀性均在0.90以上；而利用传统工艺制备的叶片涂层厚度最薄弱位置均匀性只有0.80，其余各位置厚度均匀性在0.90以下，这显著说明了利用多自由度工装装置制备的YSZ涂层厚度更加均匀。

同样利用本发明的装置，将六个导向叶片分别安装在工件架14上，通过EB-PVD进行喷涂。附图11是观察导向叶片叶身及缘板涂层截面形貌的位置点，附图12是导向叶片叶身部位的YSZ涂层截面形貌，附图13为缘板位置的YSZ涂层截面形貌，可以看出利用该工装装置制备的导向叶片，涂层柱状晶生长状态良好，并且利用本发明的装置能够改善导向叶片缘板的涂层质量。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于电子束物理气相沉积制备热障涂层的夹持装置，其特征在于，包括公转组件、自转组件、支撑组件和摆动组件，其中，

所述公转组件包括装置外架(17)和与所述装置外架(17)相键连的第一主传动轴(15)，所述第一主传动轴(15)转动带动所述装置外架(17)转动，进而带动整个装置转动，实现公转；

所述自转组件包括内嵌在所述第一主传动轴(15)内的第二主传动轴(16)，与所述第二主传动轴(16)键连的主齿轮(1)，分别与所述主齿轮(1)啮合的六个自转齿轮(2)，尾端分别与所述六个自转齿轮(2)中心键连的六根从动轴(6)；

所述支撑组件包括九根连接杆(11)，六个法兰轴承(5)和圆形挡板(10)；

所述摆动组件包括齿轮盘(12)，六个摆动齿轮(3)，六个内齿轮(4)，六个摆动圆盘(7)，六根摆动轴，六个万向节(8)，六根摆动杆(9)和支架上圆盘(13)；

所述六个自转齿轮(2)分别与所述齿轮盘(12)上的所述六个内齿轮(4)上下一一对应，所述六个法兰轴承(5)通过螺栓螺母安装在所述圆形挡板(10)上，所述六根从动轴(6)底端分别穿过所述六个法兰轴承(5)，所述六根从动轴(6)的顶端分别穿过所述齿轮盘(12)的所述六个内齿轮(4)中心后通过螺钉与所述六个摆动圆盘(7)的中心固定，通过所述第二主传动轴(16)的转动带动所述主齿轮(1)转动，所述主齿轮(1)转动带动所述六个自转齿轮(2)转动，在所述六根从动轴(6)带动下实现所述六个摆动圆盘(7)转动，进而实现自转；

所述圆形挡板(10)、所述齿轮盘(12)、所述支架上圆盘(13)的直径相同，所述九根连接杆(11)均通过螺母固定，其中，三根连接杆(11)均匀分布于所述圆形挡板(10)底面用于支撑所述圆形挡板(10)，三根连接杆(11)均匀分布在所述圆形挡板(10)和所述齿轮盘(12)之间，三根连接杆(11)均匀分布在所述齿轮盘(12)和所述支架上圆盘(13)之间；

所述六个万向节(8)分别安装在所述六个摆动圆盘(7)上，所述六个万向节(8)底部与所述六根摆动轴的顶端键连，所述六根摆动轴的尾端与所述六个摆动圆盘(7)底部的所述六个摆动齿轮(3)键连，所述六个摆动齿轮(3)分别与所述六个内齿轮(4)啮合；所述支架上圆盘(13)外沿均匀分布六个通孔，所述六根摆动杆(9)的尾端连接所述六个万向节(8)，所述六根摆动杆(9)的顶端插入所述支架上圆盘(13)的六个通孔，所述六根摆动杆(9)顶端分别安装所述六个工件架(14)；

所述六根从动轴(6)带动所述六个摆动圆盘(7)开始转动后，所述六个摆动齿轮(3)转动，带动所述六个万向节(8)转动，进而带动所述六根摆动杆(9)倾斜转动，进一步带动所述六个工件架(14)自由摆动。

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