CN110863179A - 一种大面积均匀沉积热障涂层的电子束物理气相沉积方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大面积均匀沉积热障涂层的电子束物理气相沉积方法，该方法包括步骤：安置多个内径为50‑70mm的坩埚，设置坩埚的中心间距为300‑600mm，设置坩埚与工件的垂直距离为270‑660mm；对工件进行表面处理，将表面清理干净的工件固定在转动轴上；加热工件；将涂层材料装入坩埚，通过电子束加热蒸发坩埚中的涂层材料，在坩埚正中间上方形成稳定的蒸汽云；将工件送入蒸汽云中，通过旋转轴旋转工件，沉积涂层；沉积涂层结束，关闭电子束，待工件降温后取出工件，工件表面获得均匀热障涂层。本发明解决了大尺寸航空发动机涡轮叶片用电子束物理气相沉积技术制备均匀热障涂层的难题。

Description

一种大面积均匀沉积热障涂层的电子束物理气相沉积方法
技术领域
本发明涉及热障涂层技术领域，更具体涉及一种大面积均匀沉积热障涂层的电子束物理气相沉积方法。
背景技术
目前，热障涂层一般采用喷涂或电子束物理气相沉积技术制备，喷涂技术制备的涂层结构为片层状，电子束物理气相沉积技术制备的涂层结构为柱状晶结构，这两种结构的热障涂层被广泛应用在发动机热端部件上。与喷涂技术相比，电子束物理气相沉积技术制备的热障涂层具有高应力容限，延长了涂层的抗热冲击能力，可使涂层在交替热冲击下保持较长寿命，但是受制于设备限制通常只用于小尺寸部件涂层的制备。
通常用电子束物理气相沉积技术在较大发动机叶片上制备热障涂层有两种方法：1)不断调整叶片在坩埚上方的位置，在叶片表面不同部位分步制备热障涂层，最终实现叶片表面的热障涂层全涂覆；2)增大坩埚尺寸，形成能够完全包覆工件的蒸汽云实现热障涂层的制备。
然而，上述两种方法都存在不足之处：1)涂层的搭接区域不好控制，涂层均匀性无法保障；2)坩埚尺寸不能无限增大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是如何克服电子束物理气相沉积技术在较大工件上制备热障涂层时存在的问题，制备出合格的热障涂层。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种大面积均匀沉积热障涂层的电子束物理气相沉积方法，该方法包括步骤:
(1)排布坩埚：安置多个内径为50-70mm的坩埚，设置坩埚的中心间距为300-600mm，设置坩埚与工件的垂直距离为270-660mm；
(2)预处理工件：对工件进行表面处理，将表面清理干净的工件固定在转动轴上；
(3)加热工件：加热温度为800-1100℃；
(4)形成蒸汽云：将涂层材料装入坩埚，通过电子束加热蒸发坩埚中的涂层材料，在坩埚正中间上方形成稳定的蒸汽云；
(5)沉积涂层：将工件送入蒸汽云中，通过旋转轴旋转工件，转速为5-25rad/min，沉积涂层时间为10-40min；
(6)涂层结束：关闭电子束，待工件温度降低到50℃取出工件，工件表面获得均匀热障涂层。
优选地，在步骤(1)中，所述的坩埚为2-3个，坩埚内径为60mm，设置坩埚的中心间距为300mm，设置坩埚与工件的垂直距离为270mm。
优选地，在步骤(2)中，所述的工件为发动机涡轮叶片，所述的表面处理为喷砂处理。
优选地，在步骤(3)中，所述的工件加热温度为850℃。
优选地，在步骤(4)中，所述的涂层材料为钇稳定的氧化锆(YSZ)材料。
优选地，在步骤(5)中，所述的转速为10rad/min，所述的沉积涂层时间为25min。
(三)有益效果
通常用电子束物理气相沉积制备技术所得热障涂层的均匀性与其蒸汽云分布相关。本发明通过特定的坩埚排布，形成较大范围的均匀、稳定的蒸汽云，再将工件送入蒸汽云进行工件表面涂层的均匀制备，特别是采用特定位置范围内的双坩埚或多坩埚同时蒸发，增大了蒸汽云的有效区域，能够实现大尺寸工件表面热障涂层的均匀性制备，解决了大尺寸航空发动机叶片用电子束物理气相沉积技术制备均匀热障涂层的难题。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明大面积均匀沉积热障涂层的电子束物理气相沉积方法示意图。
图中：
1、坩埚，2、工件，3、旋转轴，4、蒸汽云；
d、坩埚内径，L、坩埚的中心间距，H、坩埚与工件的垂直距离。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例选用两个坩埚1，坩埚1内径d为60mm，两个坩埚1中心间距L为300mm，坩埚1与工件2的垂直距离H为270mm。
对工件2表面进行喷砂处理，清理干净工件2表面后将工件2固定在转动轴3上。
对工件2进行加热，加热温度到850℃。
通过电子束加热蒸发坩埚1中的YSZ材料，在两个坩埚1正中间上方形成稳定的蒸汽云4。
通过旋转轴3将工件2送入蒸汽云4中进行沉积涂层，工件2的转数为10rad/min，沉积涂层时间为25min。
沉积涂层结束后，关闭电子束，蒸汽云4消失，待工件2温度降低到50℃取出工件2，工件2表面获得均匀YSZ热障涂层。
实施例2
如图1所示，本实施例选用两个坩埚1，坩埚1内径d为70mm，两个坩埚1中心间距L为600mm，坩埚1与工件2的垂直距离H为660mm。
对工件2表面进行喷砂处理，清理干净工件2表面后将工件2固定在转动轴3上。
对工件2进行加热，加热温度到1100℃。
通过电子束加热蒸发坩埚1中的YSZ材料，在两个坩埚1正中间上方形成稳定的蒸汽云4。
通过旋转轴3将工件2送入蒸汽云4中进行沉积涂层，工件2的转数为25rad/min，沉积涂层时间为40min。
沉积涂层结束后，关闭电子束，蒸汽云4消失，待工件温度降低到50℃取出工件2，工件2表面获得均匀YSZ热障涂层。
实施例3
取发动机涡轮叶片，对叶片表面进行喷砂处理，清理干净叶片表面后将叶片固定在转动轴3上。
如图1所示，本实施例选用两个坩埚1，坩埚1内径d为50mm，两个坩埚1中心间距L为400mm，坩埚1与叶片的垂直距离H为470mm。
对叶片进行加热，加热温度到900℃。
通过电子束加热蒸发坩埚1中的YSZ材料，在两个坩埚正中间上方形成稳定的蒸汽云4。
通过旋转轴3将叶片送入蒸汽云4中进行沉积涂层，叶片的转数为10rad/min，沉积涂层时间为25min。
沉积涂层结束后，关闭电子束，蒸汽云4消失，待叶片温度降低到50℃取出叶片，叶片表面获得均匀YSZ热障涂层。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种大面积均匀沉积热障涂层的电子束物理气相沉积方法，其特征在于，该方法包括步骤：
(1)排布坩埚：安置多个内径为50-70mm的坩埚，设置坩埚的中心间距为300-600mm，设置坩埚与工件的垂直距离为270-660mm；
(2)预处理工件：对工件进行表面处理，将表面清理干净的工件固定在转动轴上；
(3)加热工件：加热温度为800-1100℃；
(4)形成蒸汽云：将涂层材料装入坩埚，通过电子束加热蒸发坩埚中的涂层材料，在坩埚正中间上方形成稳定的蒸汽云；
(5)沉积涂层：将工件送入蒸汽云中，通过旋转轴旋转工件，转速为5-25rad/min，沉积涂层时间为10-40min；
(6)涂层结束：关闭电子束，待工件温度降低到50℃取出工件，工件表面获得均匀热障涂层。
2.根据权利要求1的大面积均匀沉积热障涂层的电子束物理气相沉积方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的坩埚为2-3个，坩埚内径为60mm，设置坩埚的中心间距为300mm，设置坩埚与工件的垂直距离为270mm。
3.根据权利要求1的大面积均匀沉积热障涂层的电子束物理气相沉积方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的工件为发动机涡轮叶片，所述的表面处理为喷砂处理。
4.根据权利要求1的大面积均匀沉积热障涂层的电子束物理气相沉积方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的工件加热温度为850℃。
5.根据权利要求1的大面积均匀沉积热障涂层的电子束物理气相沉积方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述的涂层材料为钇稳定的氧化锆(YSZ)材料。
6.根据权利要求1的大面积均匀沉积热障涂层的电子束物理气相沉积方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述的转速为10rad/min，所述的沉积涂层时间为25min。
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