CN113802097B - 一种用于制备叶片热障涂层的工装 - Google Patents

一种用于制备叶片热障涂层的工装 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于制备叶片热障涂层的工装，包括摆动系统、主自转系统、从自转系统；摆动系统带动整个装置匀速摆动，进而带动待沉积样品摆动；主自转系统带动从自转系统转动，从自转系统带动与其连接的待沉积样品旋转。本发明解决了现有技术中的摆动速度不可控，无法实现同时在导向叶片两侧缘板上获得较大范围的蒸汽入射角的问题，实现了叶片叶身及缘板的厚度和结构控制，提高了涂层微观组织均匀性和应变容限。

Description

一种用于制备叶片热障涂层的工装
技术领域
本发明涉及一种制备叶片热障涂层的装置，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叶片热障涂层的工装。
背景技术
电子束物理气相沉积(electron beam physical vapour deposition，EB-PVD)是用于航空发动机热端部件的热防护技术，尤其适用于制备导向叶片和高压涡轮叶片热障涂层。EB-PVD制备热障涂层的过程中通过旋转引入的“阴影效应”，可以在简单的平面样品表面形成具有柱状晶微观组织的均匀涂层。但对于形状复杂的工件，在制备涂层的过程中由于工件表面存在遮挡区域，使得其表面不能制备出结构均匀稳定的涂层。尤其导向叶片具有复杂型面，因此很难利用EB-PVD在其表面各部位均制备出涂层。
中国发明专利CN110760809B曾给出一种可以实现工件在EB-PVD制备涂层过程中多自由度旋转的装置，但该发明给出的装置只能使工件在小范围内摆动，工件的倾斜角有限且摆动速度不可控，从而无法实现同时在导向叶片两侧缘板上获得较大范围的蒸汽入射角，并且对改善导向叶片及涡轮叶片等复杂形状工件的涂层制备工艺稳定性的效果欠佳。
中国发明专利CN110158047A公开了一种导向叶片全流道面气相沉积用支撑装置及其使用方法，其公转是在0-360°范围内旋转，零件的旋转转速是非匀速的，从而导致沉积涂层过程的控制难度较大。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足，本发明提出一种用于制备叶片热障涂层的工装，包括摆动系统、主自转系统、从自转系统；摆动系统带动整个装置匀速摆动，进而带动待沉积样品摆动；主自转系统带动从自转系统转动，从自转系统带动与其连接的待沉积样品旋转；所述主自转系统包括主自转轴，其特征在于，所述主自转轴始终按同一方向转动，且绝对速度不变。
所述摆动系统包括摆动主轴和装置外架。所述摆动主轴与所述装置外架固定连接。
所述主自转系统还包括主齿轮、法兰轴承和第Ⅰ圆盘架；所述主自转轴内嵌在摆动主轴内；所述主自转轴与所述主齿轮键连；所述主齿轮穿过所述第Ⅰ圆盘架和所述法兰轴承；所述法兰轴承通过螺栓螺母安装在所述第Ⅰ圆盘架上。
所述从自转系统包括从齿轮、第Ⅱ圆盘架、样品架、从自转轴、法兰轴承Ⅰ、法兰轴承Ⅱ、样品自转轴、伞齿轮Ⅰ、伞齿轮Ⅱ、轴承Ⅰ、钼片弹簧Ⅰ、轴承Ⅱ、钼片弹簧Ⅱ、密封盖；所述从齿轮与所述主齿轮啮合；所述从自转轴与所述从齿轮键连；所述从自转轴穿过所述第Ⅰ圆盘架、法兰轴承Ⅰ、法兰轴承Ⅱ和所述第Ⅱ圆盘架；所述法兰轴承Ⅰ通过螺栓螺母安装在所述第Ⅰ圆盘架上；所述法兰轴承Ⅱ通过螺栓螺母安装在所述第Ⅱ圆盘架上；所述样品架内部为中空结构，所述从自转轴穿过所述第Ⅱ圆盘架后进入所述样品架中，在所述样品架中依次穿过所述轴承Ⅰ和所述钼片弹簧Ⅰ后与所述伞齿轮Ⅰ连接。
所述样品架外表面均匀分布若干通孔，通孔数量与需要待沉积的样品数量一致，所述密封盖与所述样品架外表面固定且位于通孔上方。
所述样品自转轴一端依次穿过所述轴承Ⅱ和所述钼片弹簧Ⅱ后与所述伞齿轮Ⅱ连接，所述样品自转轴另一端穿过所述样品架表面通孔，然后穿过所述密封盖，与待沉积样品相连。
所述伞齿轮Ⅱ与所述伞齿轮Ⅰ啮合。
所述样品架与所述第Ⅱ圆盘架相连。
所述第Ⅰ圆盘架和所述第Ⅱ圆盘架之间分布四个连接杆，所述连接杆两端分别通过螺母与所述第Ⅰ圆盘架和所述第Ⅱ圆盘架固定。
所述钼片弹簧Ⅰ在高温工作状态下可根据温度自由膨胀收缩，由此带动所述轴承Ⅰ沿所述从自转轴的轴向运动；所述钼片弹簧Ⅱ在高温工作状态下可根据温度自由膨胀收缩，由此带动所述轴承Ⅱ沿所述样品自转轴的轴向运动。
本装置的工作原理如下：
1、本装置可以带动EB-PVD过程的待沉积样品旋转并且上下摆动，待沉积样品与本装置的样品自转轴固定连接。待沉积样品的运动原理为：所述摆动主轴以一定速度旋转，所述摆动主轴转动装置外架转动，所述摆动主轴旋转一定幅度后改变旋转方向并按相同速度旋转，然后旋转到一定幅度后再改变旋转方向，由此带动整个装置摆动；所述主自转轴始终按同一方向转动，为保证所述主自转轴的绝对速度不变，所述主自转轴将按照所述摆动主轴的转动方向改变旋转速度；所述主自转轴的旋转带动下，所述主齿轮带动所述从齿轮转动，从而带动所述从自转轴转动，进而使得所述伞齿轮Ⅰ转动并带动所述伞齿轮Ⅱ转动，从而使得所述样品自转轴旋转，从而带动与所述样品自转轴连接的待沉积样品旋转。
2、本装置使用所述钼片弹簧实现轴承与伞齿轮实现软接触，从而保证高温工作状态下所述从自转系统正常工作，保证所述主自转轴带动所述伞齿轮Ⅰ正常转动，所述从自转轴带动所述伞齿轮Ⅱ正常转动，避免高温工作环境下所述伞齿轮Ⅰ和所述伞齿轮Ⅱ之间卡住。具体工作原理为：所述钼片弹簧Ⅰ位于所述轴承Ⅰ与所述伞齿轮Ⅰ之间，高温工作状态下所述钼片弹簧Ⅰ可根据温度自由膨胀收缩，由此带动所述轴承Ⅰ沿所述主自转轴的轴向运动；所述钼片弹簧Ⅱ位于轴承Ⅱ和所述伞齿轮Ⅱ之间，高温工作状态下所述钼片弹簧Ⅱ可根据温度自由膨胀收缩，由此带动所述轴承Ⅱ沿所述从自转轴的轴向运动，由此避免工作状态下所述伞齿轮Ⅰ和所述伞齿轮Ⅱ卡死现象出现。
3、本装置根据实际制备样品数量要求进行改进，具体原理为：所述样品架可根据实际工艺要求分布多个通孔，利用多个从自转系统同时实现多个样品制备。
本发明的有益效果在于：
1.蒸汽入射角在导向叶片表面连续变化，有利于提高导向叶片预热温度，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EB-PVD稳定制备导向叶片热障涂层。对于具有上下两个缘板的导向叶片，本装置可以实现其在竖直方向摆动，摆动范围可以控制为±20°到±90°之间，并且在摆动过程中同时旋转。因此利用本装置制备导向叶片涂层，可以实现蒸汽在导向叶片的叶身及缘板各部位入射，并且通过摆动角度的调整及旋转速度的调整，实现叶片叶身及缘板的涂层厚度和结构控制。
3.实现EB-PVD稳定制备涡轮叶片热障涂层。对于只有一个缘板的涡轮叶片，本装置可以实现其在竖直方向0°到90°范围内摆动，并且在摆动过程中同时旋转。因此利用本装置制备涡轮叶片涂层，可以实现蒸汽在涡轮叶片的叶身及缘板各部位入射，并且通过摆动角度的调整及自我旋转速度的调整，实现叶片叶身及缘板的厚度和结构控制。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
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是本发明装置的从自转系统结构图；
图3是本发明装置的剖面示意图；
图4是本发明装置多样品制备的从自转系统示意图；
图5是利用本发明的装置EB-PVD导向叶片叶身涂层截面形貌图；
图6是利用本发明的装置EB-PVD导向叶片上缘板涂层截面形貌图；
图7是利用本发明的装置EB-PVD导向叶片下缘板涂层截面形貌图；
图8是利用传统装置EB-PVD导向叶片上缘板涂层截面形貌图；
图9是利用传统装置EB-PVD导向叶片下缘板涂层截面形貌图；
图10是利用本发明的装置EB-PVD涡轮叶片叶背涂层截面形貌图；
图11是利用本发明的装置EB-PVD涡轮叶片叶盆涂层截面形貌图；
图12是利用本发明的装置EB-PVD涡轮叶片缘板涂层截面形貌图；
图13是利用传统装置EB-PVD涡轮叶片叶背涂层截面形貌图；
图14是利用传统装置EB-PVD涡轮叶片叶盆涂层截面形貌图；
图15是利用传统装置EB-PVD涡轮叶片缘板涂层截面形貌图；
附图标记：
1-主齿轮；2-法兰轴承；3-第Ⅰ圆盘架；4-连接杆；5-第Ⅱ圆盘架；6-样品架；7-密封盖；8-从齿轮；9-从自转轴；10-法兰轴承Ⅰ；11-法兰轴承Ⅱ；12-轴承Ⅰ；13-钼质弹簧Ⅰ；14-伞齿轮I；15-伞齿轮Ⅱ；16-钼质弹簧Ⅱ；17-轴承II；18-样品自转轴；19-摆动主轴；20-主自转轴。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和效果，下文中将结合附图和具体实施方式对本发明进行清楚、完整描述。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。
参见图1-图3，本发明的一种用于制备叶片热障涂层的工装，包括摆动系统、主自转系统、从自转系统；摆动系统带动整个装置匀速摆动，进而带动待沉积样品摆动；主自转系统带动从自转系统转动，从自转系统带动与其连接的待沉积样品旋转；所述主自转系统包括主自转轴20，其特征在于，所述主自转轴20)始终按同一方向转动，且绝对速度不变。
所述摆动系统包括摆动主轴19和装置外架。所述摆动主轴19与所述装置外架固定连接。
所述主自转系统还包括主齿轮1、法兰轴承2和第Ⅰ圆盘架3；所述主自转轴20内嵌在摆动主轴19内；所述主自转轴20与所述主齿轮1键连；所述主齿轮1穿过所述第Ⅰ圆盘架3和所述法兰轴承2；所述法兰轴承2通过螺栓螺母安装在所述第Ⅰ圆盘架3上。
所述从自转系统包括从齿轮8、第Ⅱ圆盘架5、样品架6、从自转轴9、法兰轴承Ⅰ10、法兰轴承Ⅱ11、样品自转轴18、伞齿轮Ⅰ14、伞齿轮Ⅱ15、轴承Ⅰ12、钼片弹簧Ⅰ13、轴承Ⅱ17、钼片弹簧Ⅱ16、密封盖7；所述从齿轮8与所述主齿轮1啮合；所述从自转轴9与所述从齿轮8键连；所述从自转轴9穿过所述第Ⅰ圆盘架3、法兰轴承Ⅰ10、法兰轴承Ⅱ11和所述第Ⅱ圆盘架5；所述法兰轴承Ⅰ10通过螺栓螺母安装在所述第Ⅰ圆盘架3上；所述法兰轴承Ⅱ11通过螺栓螺母安装在所述第Ⅱ圆盘架5上；所述样品架6内部为中空结构，所述从自转轴9穿过所述第Ⅱ圆盘架5后进入所述样品架6中，在所述样品架6中依次穿过所述轴承Ⅰ12和所述钼片弹簧Ⅰ后13与所述伞齿轮Ⅰ14连接。
所述样品架6外表面均匀分布若干通孔，通孔数量与需要待沉积的样品数量一致，所述密封盖7与所述样品架6外表面固定且位于通孔上方。
所述样品自转轴18一端依次穿过所述轴承Ⅱ17和所述钼片弹簧Ⅱ16后与所述伞齿轮Ⅱ15连接，所述样品自转轴18另一端穿过所述样品架6表面通孔，然后穿过所述密封盖7，与待沉积样品相连。
所述伞齿轮Ⅱ15与所述伞齿轮Ⅰ14啮合。
所述样品架6与所述第Ⅱ圆盘架5相连。
所述第Ⅰ圆盘架3和所述第Ⅱ圆盘架5之间分布四个连接杆4，所述连接杆4两端分别通过螺母与所述第Ⅰ圆盘架3和所述第Ⅱ圆盘架5固定。
所述钼片弹簧Ⅰ13在高温工作状态下可根据温度自由膨胀收缩，由此带动所述轴承Ⅰ12沿所述从自转轴9的轴向运动；所述钼片弹簧Ⅱ16在高温工作状态下可根据温度自由膨胀收缩，由此带动所述轴承Ⅱ17沿所述样品自转轴18的轴向运动。
参见图4，本发明可以根据待沉积样品的数量进行样品自转轴数量调整，从而实现同时制备多个样品，图4给出可同时制备三个样品的从自转系统结构图。
实施例1
利用本发明工装，将导向叶片与样品自转轴固定，通过EB-PVD制备涂层。设备摆动主轴通过旋转方向的改变带动整个工装±50°摆动；同时主自转轴旋转带动从自转轴转动，从而带动样品自转轴转动，最后带动与样品自转轴连接的导向叶片旋转。最终实现导向叶片在制备涂层过程中可以同时旋转并且摆动。
附图5为利用本发明工装制备的导向叶片叶身部分涂层截面形貌图，可以利用本发明的工装制备涂层能够实现在导向叶片的叶身部位制备出致密性良好的柱状晶结构涂层。
附图6和附图7分别为利用本发明的工装制备的导向叶片上缘板和下缘板部分的涂层截面形貌图，从附图6和附图7可以看出使用本发明装置制备能够成功稳定地在导向叶片缘板处制备柱状结构的涂层。
附图8和附图9分别为利用传统的工装制备的导向叶片上缘板和下缘板部分的涂层截面形貌图，可以看出传统工装在导向叶片缘板处不能稳定制备涂层，所得涂层厚度薄且质量差。因此从附图6和附图8对比以及附图7和附图9对比可以看出，使用本发明装置制备导向叶片涂层，涂层沉积过程中叶片的持续旋转以及±50°摆动，增加了蒸汽在导向叶片上下缘板的入射概率，改善了导向叶片缘板区域热障涂层的微观组织结构，制备出的涂层满足该区域的涂覆涂层的质量要求。
实施例2
利用本发明工装，将涡轮叶片与装置样品自转轴固定，EB-PVD设备摆动主轴通过旋转方向的改变带动整个工装在0到90°范围内摆动；同时主自转轴旋转带动从自转轴转动，从而带动样品自转轴转动，最后带动与样品自转轴连接的导向叶片旋转。最终实现涡轮叶片在制备涂层过程中可以同时旋转并且摆动。
附图10为利用本发明工装制备的涡轮叶片叶盆部位涂层截面形貌图，附图11为利用本发明工装制备的涡轮叶片叶背部位涂层截面形貌图，从附图10和附图11可以看出，利用本发明工装在叶片叶盆和叶背部位均制备出了优异的柱状晶结构涂层，叶盆处涂层厚度与叶背处涂层厚度的比值为0.97。
附图13为利用传统装置EB-PVD涡轮叶片叶背涂层截面形貌图，附图14为利用传统装置EB-PVD涡轮叶片叶盆涂层截面形貌图，与附图10和附图11对比可以看出，附图13和附图14给出的涡轮叶片叶背和叶盆处的涂层结构较差，且叶盆处涂层厚度与叶背处涂层厚度的比值为0.90，证明与传统装置制备的涂层相比，本发明工装制备的涡轮叶片叶身处的涂层厚度均匀性得到改善。
附图12为利用本发明工装制备的涡轮叶片缘板部位涂层截面形貌图，附图15为利用传统装置EB-PVD涡轮叶片缘板涂层截面形貌图，从附图12和附图15对比看出，使用本发明装置制备涡轮叶片涂层，制备涂层过程中叶片的持续旋转以及0-90°摆动，增加了蒸汽在叶片缘板处的入射概率，改善了涡轮叶片缘板区域热障涂层的微观组织结构，沉积得到的涂层达到了缘板处涂覆涂层的质量要求。

Claims (7)

1.一种用于制备叶片热障涂层的工装，包括摆动系统、主自转系统、从自转系统；摆动系统带动整个装置匀速摆动，进而带动待沉积样品摆动；主自转系统带动从自转系统转动，从自转系统带动与其连接的待沉积样品旋转；所述主自转系统包括主自转轴（20），其特征在于，所述主自转轴（20）始终按同一方向转动，且绝对速度不变；所述摆动系统包括摆动主轴（19）；所述摆动主轴（19）与装置外架固定连接，摆动主轴旋转一定幅度后改变旋转方向并按相同速度旋转，然后旋转到一定幅度后再改变旋转方向，由此带动整个装置摆动；所述主自转系统还包括主齿轮（1）、法兰轴承（2）和第Ⅰ圆盘架（3）；所述主自转轴（20）内嵌在所述摆动主轴（19）内；所述主齿轮（1）轴的一端与所述主自转轴（20）键连，另一端穿过所述第Ⅰ圆盘架（3）和所述法兰轴承（2）；所述法兰轴承（2）通过螺栓螺母固定在所述第Ⅰ圆盘架（3）上；所述从自转系统包括从齿轮（8）、第Ⅱ圆盘架（5）、样品架（6）、从自转轴（9）、法兰轴承Ⅰ（10）、法兰轴承Ⅱ（11）、样品自转轴（18）、伞齿轮Ⅰ（14）、伞齿轮Ⅱ（15）、轴承Ⅰ（12）、钼片弹簧Ⅰ（13）、轴承Ⅱ（17）、钼片弹簧Ⅱ（16）、密封盖（7）；所述从齿轮（8）与所述主齿轮（1）啮合；所述从自转轴（9）一端与所述从齿轮（8）键连，另一端穿过所述第Ⅰ圆盘架（3）、法兰轴承Ⅰ（10）、法兰轴承Ⅱ（11）和所述第Ⅱ圆盘架（5）；所述法兰轴承Ⅰ（10）通过螺栓螺母安装在所述第Ⅰ圆盘架（3）上；所述法兰轴承Ⅱ（11）通过螺栓螺母安装在所述第Ⅱ圆盘架（5）上；所述样品架（6）内部为中空结构，所述从自转轴（9）穿过所述第Ⅱ圆盘架（5）后进入所述样品架（6）中，在所述样品架（6）中依次穿过所述轴承Ⅰ（12）和所述钼片弹簧Ⅰ（13）后与所述伞齿轮Ⅰ（14）连接。
2.根据权利要求1所述的用于制备叶片热障涂层的工装，其特征在于，所述第Ⅰ圆盘架（3）和所述第Ⅱ圆盘架（5）之间分布四个连接杆（4），每个所述连接杆（4）两端分别通过螺母与所述第Ⅰ圆盘架（3）和所述第Ⅱ圆盘架（5）固定连接。
3.根据权利要求2所述的用于制备叶片热障涂层的工装，其特征在于，所述样品架（6）外表面均匀分布若干通孔，通孔数量与需要待沉积的样品数量一致，所述密封盖（7）与所述样品架（6）外表面固定且位于通孔上方。
4.根据权利要求3所述的用于制备叶片热障涂层的工装，其特征在于，所述样品自转轴（18）一端依次穿过所述轴承Ⅱ（17）和所述钼片弹簧Ⅱ（16）后与所述伞齿轮Ⅱ（15）连接，所述样品自转轴（18）另一端穿过所述样品架（6）表面通孔，然后穿过所述密封盖（7），与待沉积样品相连。
5.根据权利要求4所述的用于制备叶片热障涂层的工装，其特征在于，所述伞齿轮Ⅱ（15）与所述伞齿轮Ⅰ（14）啮合。
6.根据权利要求5所述的用于制备叶片热障涂层的工装，其特征在于，所述样品架（6）与所述第Ⅱ圆盘架（5）相连。
7.根据权利要求6所述的用于制备叶片热障涂层的工装，其特征在于，所述钼片弹簧Ⅰ（13）在高温工作状态下可根据温度自由膨胀收缩，由此带动所述轴承Ⅰ（12）沿所述从自转轴（9）的轴向运动；所述钼片弹簧Ⅱ（16）在高温工作状态下可根据温度自由膨胀收缩，由此带动所述轴承Ⅱ（17）沿所述样品自转轴（18）的轴向运动。
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