CN113416922B - 离心叶轮防护涂层制备装置及涂层工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心叶轮防护涂层制备装置，包括真空腔室以及可转动设置于真空腔室内的叶轮夹具；所述离心叶轮可固定安装于叶轮夹具上并随着叶轮夹具同步转动，所述真空腔室侧壁上布置有多个用于对离心叶轮进行涂层制备的沉积靶，本技术方案的涂层制备装置以及涂层工艺方法，在叶轮进气端、排气端和叶尖等部位制备高性能防护涂层，可大幅提高离心叶轮抗冲蚀/冲刷与耐腐蚀等性能指标，同时兼顾叶片的耐久极限，从而提高复杂环境下离心叶轮的可靠性和使用寿命，具有显著的经济效益；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，提高涂层与基体的结合力，进一步提升离心叶轮的防护性能。

Description

离心叶轮防护涂层制备装置及涂层工艺方法

技术领域

本发明涉及叶轮，具体涉及一种离心叶轮防护涂层制备装置及涂层工艺方法。

背景技术

离心式压气机叶轮在工作期间高速旋转，压缩空气并对其做功，实现气流的增压，相对轴流式压气机具有单级增压比高，工作稳定裕度大，结构可靠等诸多特点，常用于涡轴和涡桨发动机上。离心式水泵也存在离心叶轮结构，叶轮高速旋转，带动水作离心运动，将水向外甩出并被压入出水管中。但离心叶轮工作过程中，容易受到外部环境的影响。飞行器在高原和风沙环境起降时，或者易吸入大量不规则砂尘颗粒，使得离心叶轮表面容易受到砂尘颗粒的冲蚀磨损；离心式水泵在工作时，水中的泥浆也会对离心叶轮造成冲刷与磨损,此外还存在一定的腐蚀现象。

离心叶轮多采用不锈钢或钛合金材料，其在运行中承受冲蚀/冲刷与腐蚀等，易导致叶片构型的改变，对结构造成损害，降低性能甚至危害运行安全。此外，离心叶轮叶叶片和叶盘为一个整体，局部发生了过重的损坏，则必须更换整个叶轮，成本代价高昂。因而迫切需要采用防护涂层技术，提高离心叶轮表面材料的抗冲蚀/冲刷与抗腐蚀性能，从而提高离心叶轮的环境适用能力，确保安全服役。

防护涂层技术已经在工业上得到了广泛的应用，尤其是在刀具、磨具等部件上应用甚广。例如，在授权号为CN 102575345 A发明专利中，采用的是二氧化钛和氧化铝涂层，用于保护基体材料不受环境的化学元素腐蚀的影响，但不具备同时防腐和抗砂尘冲击的作用。授权号为CN 102092159 A发明专利中，用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层由TiMo粘结层和TiAlN面层组成，粘结层TiMo的制备，采用磁控溅射制备工艺；ZrN面层的制备，采用多弧离子镀制备工艺。主要用于600℃高温下抗热循环能力、抗热盐腐蚀能力和抗冲刷磨损的能力。该涂层主要用于高温抗腐蚀，且制备方法涉及到两种设备，加工复杂。

由于离心叶轮工作时高速旋转，因而对表面防护涂层的结合力要求很高。离心叶轮叶片带有扭转，部分区域互相遮挡，且不同的区域承受的冲蚀情形不同，因而防护需求不同。上述的专利中的防护涂层一般针对简单构件，不能根据叶轮结构和防护要求进行涂层设计，难以针对离心叶轮的不同区域差异化涂层制备。因此，亟需一种离心叶轮抗冲蚀/冲刷耐腐蚀一体化防护涂层装置及其制备方法。

因此，为解决以上问题，需要一种离心叶轮防护涂层制备装置，解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本技术方案的离心叶轮防护涂层制备装置以及涂层工艺方法，叶轮进气端、排气槽端和叶尖等部位制备高性能涂层，可大幅提高离心叶轮抗冲蚀/冲刷与耐腐蚀等性能指标，同时兼顾叶片的耐久极限。可大幅提高复杂环境下离心叶轮的可靠性和使用寿命，具有显著的经济效益；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，进一步提升离心叶轮的防护性能。

一种离心叶轮防护涂层制备装置，包括真空腔室以及可转动设置于真空腔室内的叶轮夹具；所述离心叶轮可固定安装于叶轮夹具上并随着叶轮夹具同步转动，所述真空腔室侧壁上开设有多个用于对离心叶轮进行喷涂的涂层沉积靶。

进一步，所述真空腔室沿轴线方向截面整体为半“腰型”结构；所述离心叶轮包括叶轮盘、设置于叶轮盘上的长叶片和短叶片，所述长叶片和短叶片沿叶轮盘周向方向均匀间隔交替设置。

进一步，所述真空腔室包括直筒段和设置于直筒段上的弧形段，所述涂层沉积靶包括设置于直筒段上的第一靶和第二靶以及设置于弧形段上的第三靶和第四靶；第一靶的靶心所在的直线与第二靶靶心所在的直线均与离心叶轮轴线方向垂直。

进一步，所述第一靶的靶心和第二靶的靶心在直筒段的同一圆周方向上且第一靶的靶心和第二靶的靶心连线与真空腔室的中轴线相交；第一靶的靶心和第二靶的靶心的连线与短叶片的叶尖所在的平面处于同一水平高度。

进一步，所述第三靶的靶心和第四靶的靶心所在的平面处于同一水平高度，所述第三靶的靶心所在的直线和第四靶的靶心所在的直线相交并形成90°夹角，第三靶的靶心所在的直线与真空腔室的中轴线相交，第四靶的靶心所在的直线与真空腔室的中轴线相交。

进一步，所述直筒段上还设置有第五离子注入靶和第六离子注入靶；所述第五离子注入靶和第六离子注入靶与第一靶在同一圆周方向，第五离子注入靶的靶心所在的直线和第六离子注入靶的靶心所在的直线均与真空腔室的中轴线相交；所述第五离子注入靶的靶心所在的直线与第一靶的靶心所在的直线之间的夹角为45-75°；第六离子注入靶的靶心所在的直线与第二靶的靶心所在的直线之间的夹角为45-75°。

进一步，所述夹具包括沿轴线方向从下到上依次设置的基座、传动轴、设置于传动轴端部的驱动盘以及设置于驱动盘上用于安装离心叶轮的夹持组件；所述夹持组件包括固定连接安装于驱动盘轴向方向的中间轴、外套于中间轴的安装盘以及设置于中间轴顶部用于对离心叶轮压紧的上保护套；所述离心叶轮外套于中间轴并安装于安装盘与上保护套之间。

离心叶轮的涂层工艺方法，包括以下步骤：

S1：根据离心叶轮确定夹具、真空腔室和各个靶心的位置，确保离心叶轮的轴线与真空腔室的轴线之间可以有0-30°度的可调倾角；

S2：对真空腔室以及离心叶轮进行清理，将离心叶轮安装在真空腔室中，安装时使离心叶轮的进气边朝上，并对真空腔室进行抽真空处理，真空腔体抽真空到2.6×10^-3Pa；

S3：设置离心叶轮按一定的速度旋转，转速为5-20rpm；

S4：预热离心叶轮到300-500°C的温度；并通入氩气作为工作介质，流量为80sccm，叶轮基体偏压为-1000V，处理时间为10-15分钟；

S5：关闭氩气，开启第五离子注入靶和第六离子注入靶，注入离子为Ti离子，注入电压为8-12KV，注入剂量为2×10¹⁷cm^-2--8×10¹⁷cm^-2；

S6：TiAl涂层沉积：抽真空至2.6×10^-3Pa；弧压为24V，电流为100~110A，偏压为-50V，钛铝靶的纯度为99.9%，钛铝的原子比为3:7；

S7：梯度TiAlN涂层沉积：开启氮气，流量从0逐渐提高到50 sccm，保持真空度为5×10^-2Pa，弧压为24V，电流为100~110A，偏压为-50 V逐渐提高到-200 V,每分钟增加-3 V，钛铝靶的纯度为99.9%，钛铝的原子比为3:7，氮气的纯度为99.95%；沉积时间为150min；

TiAlN涂层沉积过程中开启磁过滤，确保涂层均匀致密；TiAl涂层沉积过程中可开启磁过滤，提升涂层致密性，也可根据需要关闭磁过滤，加快涂层的沉积效率；

S8：为提高涂层的厚度，可重复S6-S7，形成多层梯度的TiAlN和TiAl涂层；

S9：按一定要求冷却离心叶轮。

进一步，所述安装盘可相对于中空腔体的轴线偏移0-30°。

本发明的有益效果是：本技术方案的离心叶轮防护涂层制备装置以及涂层工艺方法，叶轮进气端、排气槽端和叶尖等部位制备高性能涂层，可大幅提高离心叶轮抗冲蚀/冲刷与耐腐蚀等性能指标，同时兼顾叶片的耐久极限。可大幅提高复杂环境下离心叶轮的可靠性和使用寿命，具有显著的经济效益；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，进一步提升离心叶轮的防护性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明安装示意图；

图2为本发明离心叶轮安装剖视图；

图3为本发明叶轮结构示意图。

附图标记：

叶轮盘10；叶轮中心安装孔11；离心叶轮单个长叶片12；离心叶轮单个短叶片13；长叶片进气边14；短叶片进气边15；排气槽16；离心叶轮中心安装孔直径17；基座20；传动轴21；驱动盘22；安装盘23；中间轴26；紧固螺帽27；上保护套28；真空腔室30；第一靶31；第二靶32；第三靶33；第四靶34；第五离子注入靶35；第六离子注入靶36；离心叶轮轴线37。

具体实施方式

图1为本发明安装示意图；图2为本发明离心叶轮安装剖视图；图3为本发明叶轮结构示意图；如图所示，一种离心叶轮防护涂层制备装置，包括真空腔室30以及可转动设置于真空腔室30内的叶轮夹具；所述离心叶轮可固定安装于叶轮夹具上并随着叶轮夹具同步转动，所述真空腔室30侧壁上开设有多个用于对离心叶轮进行喷涂的涂层沉积靶；本技术方案的离心叶轮防护涂层制备装置以及涂层工艺方法，叶轮进气端、排气槽端和叶尖等部位制备高性能涂层，可大幅提高离心叶轮抗冲蚀/冲刷与耐腐蚀等性能指标，同时兼顾叶片的耐久极限。可大幅提高复杂环境下离心叶轮的可靠性和使用寿命，具有显著的经济效益；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，进一步提升离心叶轮的防护性能。

本实施例中，所述真空腔室30沿轴线方向截面整体为半“腰型”结构；所述离心叶轮包括叶轮盘10、设置于叶轮盘上的长叶片12和短叶片13，所述长叶片12和短叶片13沿叶轮盘周向方向均匀间隔交替设置。真空腔室30为轴对称结构，其截面为腰型孔的一半，即半“腰型”结构，离心叶轮包括均匀交替布置的长叶片12和短叶片13，长短叶片之间形成排气槽16，安装时长叶片进气边14和短叶片进气边15即进气方向为从上到下，整体结构简单，加工方便。

本实施例中，所述真空腔室30包括直筒段和设置于直筒段上的弧形段，所述涂层沉积靶包括设置于直筒段上的第一靶31和第二靶32以及设置于弧形段上的第三靶33和第四靶34；第一靶31的靶心所在的直线与第二靶的靶心所在的直线均与离心叶轮轴线37（即离心叶轮安装到腔室内之后的轴线）方向垂直。半“腰型”结构的真空腔室形成有两段结构，在上半部即弧形段安装有第三靶和第四靶；第一靶31的靶心所在直线与离心叶轮轴线37垂直，第二靶与第一靶相对于离心叶轮轴线37呈对称布置，此设计方式可以使得在打靶时涂层更加均匀，提升产品的质量。

本实施例中，所述第一靶31的靶心和第二靶32的靶心在直筒段的同一圆周方向上且第一靶31的靶心和第二靶32的靶心连线与真空腔室的中轴线（即离心叶轮轴线37）相交；第一靶的靶心和第二靶的靶心的连线与短叶片13的叶尖所在的平面处于同一水平高度（在安装完成后的高度，即图1中所示的高度）。第一靶的靶心和第二靶的靶心在同一水平高度，同时其连线所在的水平面与短叶片13的叶尖所在的水平高度相同，在进行涂层时，使得其原料从叶尖到叶身全部均匀受到加工，同一高度的设置方式使其短叶片作为定位基点，加工更加方便准确。

本实施例中，所述第三靶33的靶心和第四靶34的靶心所在的平面处于同一水平高度，所述第三靶33的靶心所在的直线和第四靶34的靶心所在的直线相交并形成90°夹角，第三靶33的靶心所在的直线与真空腔室的中轴线相交，第四靶的靶心所在的直线与真空腔室的中轴线相交。第三靶和第四靶均设置在弧形段上，二者中心连线相互垂直且连线交点经过中轴线，第三靶33和第四靶34相对于中轴线对称布置，以此形成上方位的涂层加工。第三靶和第四靶置于真空腔上曲面壁上，第三靶和第四靶的中心线经过长叶片进气边距离叶尖的1/4~1/3处宽度处，在进行涂层加工时，便于使得离子注入到制定位置。

本实施例中，所述直筒段上还设置有第五离子注入靶35和第六离子注入靶36；所述第五离子注入靶35和第六离子注入靶36与第一靶31在同一圆周方向，第五离子注入靶的靶心所在的直线和第六离子注入靶的靶心所在的直线均与真空腔室的中轴线相交；所述第五离子注入靶的靶心所在的直线与第一靶的靶心所在的直线之间的夹角为45-75°；第六离子注入靶的靶心所在的直线与第二靶的靶心所在的直线之间的夹角为45-75°。第五离子注入靶35和第六离子注入靶36与第一靶31靶心在同一水平面上，优选的，第五离子注入靶的靶心所在的直线与第一靶的靶心所在的直线之间的夹角为60°，第六离子注入靶36也采用相应的设置即可。

本实施例中，所述夹具包括沿轴线方向从下到上依次设置的基座20、传动轴21、设置于传动轴21端部的驱动盘22以及设置于驱动盘上用于安装离心叶轮的夹持组件；所述夹持组件包括固定连接安装于驱动盘轴向方向的中间轴26、外套于中间轴的安装盘23以及设置于中间轴26顶部用于对离心叶轮压紧的上保护套28；所述离心叶轮外套于中间轴并安装于安装盘23与上保护套28之间。中间轴26上方还设置有紧固螺帽27，用于对部件进行紧固，确保整体结构的稳定性能。

离心叶轮的涂层工艺方法，包括以下步骤：

S1：根据离心叶轮确定夹具、真空腔室和各个靶心的位置，确保离心叶轮的轴线与真空腔室的轴线之间有0-30°度的可调倾角；

S2：对真空腔室以及离心叶轮进行清理，将离心叶轮安装在真空腔室中，安装时使离心叶轮的进气边朝上，并对真空腔室进行抽真空处理，真空腔体抽真空到2.6×10^-3Pa；安装后确保长叶片进气边14和短叶片进气边15朝上，用去离子水冲洗叶轮上的每个叶片，然后将离心叶轮丙酮冲洗30秒。

S3：设置离心叶轮按一定的速度旋转，转速为12rpm；安装好离心叶轮后，给与夹具驱动动力，使得离心叶轮稳定匀速转动。

S4：预热离心叶轮到300-500°C的温度；并通入氩气作为工作介质，流量为80sccm，叶轮基体偏压为-1000V，处理时间为10-15分钟；加热内部的温度使得离心叶轮温度保持在合适的区间，同时通入氩气，使得内部保持在合适的工作环境。

S5：关闭氩气，开启第五离子注入靶35和第六离子注入靶36，注入离子为Ti离子，注入电压为8-12KV，注入剂量为2×10¹⁷cm^-2--8×10¹⁷cm^-2；氩气充满后，在第五、第六离子注入靶中向离心叶轮注入Ti离子，进行离子轰击处理。

S6：TiAl涂层沉积：抽真空至2.6×10^-3Pa；弧压为24V，电流为100~110A，偏压为-50V，钛铝靶的纯度为99.9%，钛铝的原子比为3:7；此步骤为第一次离子涂层，即在离子轰击完成后，对腔体内部进行真空处理，然后在第五、第六靶中注入TiAl离子进行对离心叶轮的表面沉积处理。

S7：梯度TiAlN涂层沉积：开启氮气，流量从0逐渐提高到50 sccm，保持真空度为5×10^-2Pa，弧压为24V，电流为100~110A，偏压为-50 V逐渐提高到-200 V,每分钟增加-3 V，钛铝靶的纯度为99.9%，钛铝的原子比为3:7，氮气的纯度为99.95%；沉积时间为150min；此步骤为第二次离子涂层处理，第一、第二、第三和第四靶同时启动对离心叶轮进行处理。

TiAlN涂层沉积过程中开启磁过滤，确保涂层均匀致密；TiAl涂层沉积过程中可开启磁过滤，提升涂层致密性，也可根据需要关闭磁过滤，加快涂层的沉积效率；

S8：为提高涂层的厚度，重复S6-S7，形成多层梯度的TiAlN和TiAl涂层；

S9：按一定要求冷却离心叶轮。完成上述步骤后，加热离心叶轮到500摄氏度，保持1个小时，然后在真空腔的真空环境下冷却至200℃以下，随后通入真空腔氮气作为保护气体，自然冷却至室温；最后将真空腔放气至大气压，完成离心叶轮叶片表面防护涂层制备。

非均匀涂层可以满足离心叶轮不同部位对涂层的要求，提高离心叶轮的服役性能和使用寿命。离心叶轮应用在压气机低压级时，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；排气槽部位涂层总厚度大于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。离心叶轮应用在压气机高压级时，由于冲蚀明显减弱，可制备抗腐蚀性能较强的涂层（例如TiAlN、TiSiAlN涂层），进气端防护涂层总厚度可降至3~8微米；排气槽部位涂层总厚度3~8微米，涂层表现出较好的抗冲蚀性能，也一定程度保证了叶身部位的耐腐蚀能力。离心叶轮应用在离心水泵时，应同时考虑其抗冲刷性能和耐腐蚀性能，叶轮边缘的防护涂层总厚度在12~25微米，且多采用抗腐蚀性能较强的涂层。上述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离心叶轮，不会因为涂层增加过大的重量而影响机械性能，涂层的厚度分布对离心叶轮的气动和动态性能也不会产生较大影响。

本实施例中，所述安装盘23可相对于中空腔体的轴线偏移0-30°，安装盘23可相对于基座20进行微调，使得调节后的偏转角度得到控制，采用现有技术，此处不做过多赘述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种离心叶轮防护涂层制备装置，其特征在于：包括真空腔室以及可转动设置于真空腔室内的叶轮夹具；所述离心叶轮可固定安装于叶轮夹具上并随着叶轮夹具同步转动，所述真空腔室侧壁上布置有多个用于对离心叶轮进行涂层制备的靶；所述真空腔室沿轴线方向截面整体为半“腰型”结构；所述离心叶轮包括叶轮盘、设置于叶轮盘上的长叶片和短叶片，所述长叶片和短叶片沿叶轮盘周向方向均匀间隔交替设置；所述真空腔室包括直筒段和设置于直筒段上的弧形段，所述涂层沉积靶包括设置于直筒段上的第一靶和第二靶以及设置于弧形段上的第三靶和第四靶；第一靶的靶心所在的直线与第二靶靶心所在的直线均与离心叶轮轴线方向垂直；所述第一靶的靶心和第二靶的靶心在直筒段的同一圆周方向上且第一靶的靶心和第二靶的靶心连线与真空腔室的中轴线相交；第一靶的靶心和第二靶的靶心的连线与短叶片的叶尖所在的平面处于同一水平高度；所述第三靶的靶心和第四靶的靶心所在的平面处于同一水平高度，所述第三靶的靶心所在的直线和第四靶的靶心所在的直线相交并形成90°夹角，第三靶的靶心所在的直线与真空腔室的中轴线相交，第四靶的靶心所在的直线与真空腔室的中轴线相交。

2.根据权利要求 1 所述的离心叶轮防护涂层制备装置，其特征在于：所述直筒段上还设置有第五离子注入靶和第六离子注入靶；所述第五离子注入靶和第六离子注入靶与第一靶在同一圆周方向，第五离子注入靶的靶心所在的直线和第六离子注入靶的靶心所在的直线均与真空腔室的中轴线相交；所述第五离子注入靶的靶心所在的直线与第一靶的靶心所在的直线之间的夹角为45-75°；第六离子注入靶的靶心所在的直线与第二靶的靶心所在的直线之间的夹角为45-75°。

3.根据权利要求 2 所述的离心叶轮防护涂层制备装置，其特征在于：所述夹具包括沿轴线方向从下到上依次设置的基座、传动轴、设置于传动轴端部的驱动盘以及设置于驱动盘上用于安装离心叶轮的夹持组件；所述夹持组件包括固定连接安装于驱动盘轴向方向的中间轴、外套于中间轴的安装盘以及设置于中间轴顶部用于对离心叶轮压紧的上保护套；所述离心叶轮外套于中间轴并安装于安装盘与上保护套之间。

4.根据权利要求 3 所述的离心叶轮防护涂层制备装置，其特征在于：所述安装盘相对于真空腔室的轴线偏移0-30°。

5.根据权利要求 4 中离心叶轮防护涂层制备装置的离心叶轮的涂层工艺方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据离心叶轮确定夹具、真空腔室和各个靶心的位置，确保离心叶轮的轴线与真空腔室的轴线之间有0-30°度的可调倾角；

S2：对真空腔室以及离心叶轮进行清理，将离心叶轮安装在真空腔室中，安装时使离心叶轮的进气边朝上，并对真空腔室进行抽真空处理，真空腔体抽真空到2.6×10^-3Pa；

S3：设置离心叶轮按一定的速度旋转，转速为5-20rpm；

S4：预热离心叶轮到300-500°C的温度；并通入氩气作为工作介质，流量为80sccm，叶轮基体偏压为-1000V，处理时间为10-15分钟；

S5：关闭氩气，开启第五离子注入靶和第六离子注入靶，注入离子为Ti离子，注入电压为8-12KV，注入剂量为2×10¹⁷cm^-2--8×10¹⁷cm^-2；

S6：TiAl涂层沉积：抽真空至2.6×10^-3Pa；弧压为24V，电流为100~110A，偏压为-50V，钛铝靶的纯度为99.9%，钛铝的原子比为3:7；

S7：梯度TiAlN涂层沉积：开启氮气，流量从0逐渐提高到50 sccm，保持真空度为5×10^{- 2}Pa，弧压为24V，电流为100~110A，偏压为-50 V逐渐提高到-200 V,每分钟增加-3 V，钛铝靶的纯度为99.9%，钛铝的原子比为3:7，氮气的纯度为99.95%；沉积时间为150min；

TiAlN涂层沉积过程中开启磁过滤，确保涂层均匀致密；TiAl涂层沉积过程中可开启磁过滤，提升涂层致密性，也可根据需要关闭磁过滤，加快涂层的沉积效率；

S8：为提高涂层的厚度，重复S6-S7，形成多层梯度的TiAlN和TiAl涂层；

S9：按一定要求冷却离心叶轮。

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