CN114571644B - 一种具有全氟表面的复合式闭式叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有全氟表面的复合式闭式叶轮。其整体由叶轮上盖和叶轮底座两部分组合而成，二者通过超声波熔融埋植的方式进行结合；叶轮上盖选用金属材料作为内部基体，外表面裹覆有氟树脂涂层，叶轮底座整体采用氟树脂材料；在埋植过程中，叶轮上盖的埋植嵌体与底座的凹槽相互贴合，二者表面的氟树脂材料通过吸收超声波机台传递的高频振动能量，迅速升温达到熔融状态，进而相互融结，形成具有全氟表面的闭式叶轮。本方案中叶轮所有表面均为氟树脂材料，满足了全氟表面的需求，提高了耐腐蚀性能，进而提升了叶轮的使用寿命与工作稳定性；整套工艺流程简单易行，针对不同形状和大小的叶轮无需重新设计开发模具，具有良好的适应性。

Description

一种具有全氟表面的复合式闭式叶轮

技术领域

本发明涉及叶轮的设计与制备领域，具体涉及一种具有全氟表面的复合式闭式叶轮。

背景技术

半导体制造、能源化工等领域需要借助磁悬浮泵、磁力泵或其他的耐腐蚀离心泵来输送具有强腐蚀性的介质，因此需要泵内的叶轮具有优异的化学惰性。传统离心泵中的金属叶轮由于极易被腐蚀，难以满足使用要求。因此，现有应用于半导体及化工领域的泵中，其叶轮通常由氟树脂材料注塑获得，以保证优异的耐腐蚀性能。由于氟树脂这类材料的分子链独立性较强，导致其力学性能较差，在承受一定的压力载荷时十分容易发生蠕变变形。离心泵叶轮在高速旋转下，其叶轮叶片与上盖板区域作为主要的做功面，需要承受内部流体的强剪切力与热耦合作用；同时相较于底座部分，该区域的厚度尺寸较小，因此作为叶轮的薄弱区域更容易发生蠕变导致变形甚至断裂，严重影响了叶轮的使用寿命和整泵性能，同时由于叶轮失效而导致的停机停产将带来更严重的损失。现有大流量磁力泵中的叶轮通过在氟树脂层内加入金属骨架来提高叶轮的整体强度，其外部氟树脂层由注塑或模压的方法获得。此种方式虽然使叶轮力学性能得到一定改善，但加工方式复杂，加工成本高昂；同时在生产不同叶轮的时候需要重新开发模具，工艺的适应性和灵活性较差。

传统离心泵中的叶轮根据外形可分为闭式、半开式和开式叶轮，闭式叶轮相比于开式或半开式叶轮具有更高的水力效率以及运动平稳性，能够在最大程度上发挥泵的性能。氟树脂涂料制备的涂层作为石油化工等领域主要的防腐手段，可以获得较高质量的耐腐蚀表面，且工艺灵活。但由于闭式叶轮内部复杂的形状以及封闭狭长的空间，现有的涂层制备方法难以直接在其内部表面取得良好的涂层效果，常常留有涂层盲区，无法实现介流表面的涂料全覆盖，存在被输送介质腐蚀的风险。因此，闭式叶轮结构的特殊性严重影响了氟树脂涂层的应用。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明公开了一种具有全氟表面的复合式闭式叶轮的设计与制备方法。根据叶轮不同区域上的强度差异，针对其薄弱区域通过金属基体外裹覆氟树脂涂层的方式从而提高强度，杜绝蠕变现象的发生。同时借助复合式的叶轮结构，解决了闭式叶轮上涂层制备的难题，实现了氟树脂涂料的完整裹覆。通过超声波熔融埋植将叶轮上盖和底座相结合，形成具有高质量全氟表面的闭式叶轮。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

叶轮整体包括叶轮上盖和叶轮底座两部分，所述叶轮上盖和叶轮底座自上而下设置，且叶轮上盖通过叶片与叶轮底座进行啮合形成复合式叶轮结构，所述叶轮上盖为内置金属基体且外表面裹覆氟树脂涂层的结构，所述叶轮上盖的金属基体包括上盖板、叶片、埋植嵌体以及定位台阶；所述的叶片固定安装在上盖板的下表面上，叶片的底端均固定装有和叶片形状相同的埋植嵌体，同时埋植嵌体底端设有和埋植嵌体形状相同的凸起作为定位台阶；

所述叶轮底座顶面开设有多个凹槽，每个所述凹槽与一个埋植嵌体相配合，埋植嵌体下端的定位台阶插装入凹槽中；

所述上盖板、叶片、埋植嵌体以及定位台阶之外包覆有氟树脂涂层；

所述叶轮底座整体采用氟树脂材料，所述的叶轮上盖和叶轮底座通过超声波熔融埋植的方式进行结合，构成闭式叶轮，同时保证叶轮的所有介流表面均为氟树脂材料。

所述凹槽的深度比嵌体的长度额外加深1mm-2mm。

所述的氟树脂材料为全氟烷氧基树脂PFA、氟化乙烯丙烯共聚物FEP或者乙烯-四氟乙烯共聚物ETFE。

所述叶轮上盖的金属基体材料为铝合金、钛合金或者不锈钢。

所述叶轮上盖表面的氟树脂涂层通过静电喷涂或者热喷涂工艺。

具体过程为：

步骤S1：通过数控机床加工CNC预先加工出叶轮底座及其中的凹槽，再通过数控机床加工CNC的方式一体化加工出来叶轮上盖及其包含的上盖板、叶片、埋植嵌体和定位台阶；

步骤S2：通过静电喷涂工艺对叶轮上盖的外表面裹覆氟树脂涂层，在喷涂之前需对叶轮上盖的金属基体进行打磨、除油、喷砂的操作；通过控制不同位置上涂料的喷涂量来获得不同厚度的涂层，涂层烧结完毕后使用电火花检测仪对涂层表面进行漏点缺陷检测，直至不产生白色火花；

步骤S3：通过将定位台阶与叶轮底座上表面进行配合实现叶轮上盖和叶轮底座的预装配，然后控制埋植嵌体与底座凹槽之间预留0.2mm-0.3mm的单边过盈量，同时控制定位台阶与凹槽之间保证单边0.1mm-0.15mm的间隙余量；

步骤S4：所述叶轮上盖与叶轮底座配合完成后，将叶轮整体倒置于固定模具内，同时将超声波机台置于叶轮整体上方，使得超声波焊头向下正对着叶轮底座；

步骤S5：启动超声波焊头对叶轮底座的叶轮底座下表面进行振动和施压，使得叶片下端的氟树脂涂层与叶轮底座上表面接触区域的材料相融合，消除缝隙实现封闭，使得叶轮上盖与叶轮底座相结合，从而获得完整的全氟表面的闭式叶轮，完成熔融埋植的过程。

所述步骤S1中，在叶轮底座顶面开设的凹槽的槽外端面上额外向上躯体加工形成锥形凸起，使得埋植过程中，叶片下端的氟树脂涂层优先与锥形凸起相接触，锥形凸起作为导能筋聚集超声波加工机台的振动能量，促进氟树脂涂层与叶轮底座的氟树脂材料进行熔融，随着埋植的深入，对叶轮上盖和叶轮底座之间的缝隙形成更为稳固的封闭效果。

本发明的有益效果为：

(1)根据叶轮不同区域的强度特性，整体采用复合式的结构，兼具了强度提升与可制造性的优点。叶轮上盖与底座相互分离，解决了先前闭式叶轮中涂层制备的难题，避免了涂层盲区。同时涂层上盖与氟树脂底座相结合，使叶轮所有表面均为氟树脂材料，满足了全氟表面的需求。

(2)叶轮上盖通过内置金属基体同时外表面裹覆氟树脂涂层的方式，不仅能够保证叶轮优异的耐腐蚀性能，同时也增强了叶轮的整体强度，避免因力学性能不佳而导致在工作过程中所发生的疲劳断裂或蠕变变形，提升了叶轮的使用寿命与工作稳定性。

(3)叶轮上盖表面的涂层利用静电喷涂或其他热喷涂工艺，如等离子喷涂的方式进行制备，涂层上盖与底座之间通过超声波熔融埋植的方式进行结合。叶轮整套的制备流程十分灵活，相比于传统注塑或模压的方式，不仅大大减小了生产制造的成本及复杂度。同时针对不同形状和大小的叶轮均具有广泛的适用性，避免了传统方案中需要重新设计开发模具的劣势。并且对于氟树脂涂层的厚度可通过控制涂料的喷洒量来进行调节，具有良好的调控性。

综上所述，本方案提出了一种低成本、低复杂度、灵活性高且适用范围广的全氟表面闭式叶轮的制备方法，针对不同形状和大小的叶轮无需重新设计开发模具，具有良好的适应性，且整套工艺流程简单易行。

附图说明

图1：叶轮整体示意图

图2：叶轮上盖金属基体结构示意图

图3：叶轮底座结构示意图

图4：复合式全氟表面叶轮剖面示意图

图5：实施例1叶轮埋植过程示意图

图6：实施例2叶轮埋植过程示意图

图7：叶轮倒置埋植示意图

图中所示：1.叶轮整体、2.叶轮上盖、3.叶轮底座、4.氟树脂涂层、5.上盖板、6.叶片、7.埋植嵌体、8.定位台阶、9.凹槽、10.固定模具、11.超声波焊头、12.叶轮底座下表面、13.叶轮底座上表面、14.锥形凸起。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案进行详细地介绍和说明，所描述的实施例仅为本发明的两种优选实施方案，并非全部实施例。在基于本实施例的基础上，由本技术领域人员在没有做出任何创造性改进的其余实施例，均属于本实施例的保护范围。

如图1所示，本发明根据叶轮不同区域的强度特性，将叶轮整体分成叶轮上盖和叶轮底座两部分。叶轮上盖2和叶轮底座3自上而下设置，且叶轮上盖2通过叶片6与叶轮底座3进行啮合形成复合式叶轮结构，叶轮上盖与底座相互分离避免了涂层盲区，解决了先前闭式叶轮中涂层制备的难题。同时涂层上盖与氟树脂底座相结合，使叶轮所有表面均为氟树脂材料，满足了全氟表面的需求。叶轮中薄弱的区域叶轮上盖2为内置金属基体且外表面裹覆氟树脂涂层4的结构。根据叶轮不同区域上的强度差异，针对其薄弱区域通过金属基体外裹覆氟树脂涂层的方式从而提高强度，杜绝蠕变现象的发生。如图2所示，叶轮上盖2的金属基体包括上盖板5、叶片6、埋植嵌体7以及定位台阶8；叶片6固定安装在上盖板5的下表面上，叶片6的底端均固定装有和叶片6形状相同的埋植嵌体7，同时埋植嵌体7底端设有和埋植嵌体7形状相同的凸起作为定位台阶8，金属基体通过数控机床加工CNC一体化加工成型。

如图3所示，叶轮底座3顶面开设有多个凹槽9用于嵌体7的埋植，每个凹槽9与一个埋植嵌体7相配合，埋植嵌体7下端的定位台阶8插装入凹槽9中；

如图4所示，上盖板5、叶片6、埋植嵌体7和定位台阶8之外包覆有氟树脂涂层4；

叶轮底座3整体采用氟树脂材料并通过数控机床加工CNC一体化加工成型；叶轮上盖2和叶轮底座3通过超声波熔融埋植的方式进行结合，构成闭式叶轮，同时保证叶轮的所有介流表面均为氟树脂材料。

凹槽9的深度比嵌体7的长度额外加深1mm-2mm，用于储料。

氟树脂材料为全氟烷氧基树脂PFA、氟化乙烯丙烯共聚物FEP或者乙烯-四氟乙烯共聚物ETFE。

叶轮上盖2的金属基体材料为铝合金、钛合金或者不锈钢。

叶轮上盖2表面的氟树脂涂层4通过静电喷涂或者热喷涂工艺，如等离子喷涂的方式进行制备。

复合式闭式叶轮的制作方法的具体过程为：

步骤S1：通过数控机床加工CNC预先加工出叶轮底座3及其中的凹槽9，再通过数控机床加工CNC的方式一体化加工出来叶轮上盖2及其包含的上盖板5、叶片6、埋植嵌体7和定位台阶8；

步骤S2：通过静电喷涂工艺对叶轮上盖2的外表面裹覆氟树脂涂层4，在喷涂之前需对叶轮上盖2的金属基体进行打磨、除油、喷砂的操作，增大其表面的粗糙度，以提高涂层与基体之间的结合强度；通过控制不同位置上涂料的喷涂量来获得不同厚度的涂层，其中上盖板5和叶片6区域的涂层厚度为0.8mm-1mm，埋植嵌体7和定位台阶8区域的涂层厚度为0.1mm-0.2mm；涂层烧结完毕后，使用电火花检测仪对涂层表面进行漏点缺陷检测，直至不产生白色火花；

步骤S3：通过将定位台阶8与叶轮底座上表面13进行配合实现叶轮上盖2和叶轮底座3的预装配，作为优选地，然后控制埋植嵌体7与底座凹槽9之间预留0.2mm-0.3mm的单边过盈量，同时控制定位台阶8与凹槽9之间保证单边0.1mm-0.15mm的间隙余量；

步骤S4：叶轮上盖2与叶轮底座3配合完成后，将叶轮整体1倒置于固定模具10内，同时将超声波机台置于叶轮整体1上方，使得超声波焊头11向下正对着叶轮底座3；

步骤S5：启动超声波焊头11对叶轮底座3的叶轮底座下表面12进行振动和施压，使得叶片6下端的氟树脂涂层4与叶轮底座上表面13接触区域的材料相融合，消除缝隙实现封闭，使得叶轮上盖2与叶轮底座3相结合，从而获得完整的全氟表面的闭式叶轮，完成熔融埋植的过程。

在埋植过程中，叶轮上盖2的埋植嵌体7与叶轮底座3的底座凹槽9相互贴合，二者表面的氟树脂材料通过吸收超声波机台传递的高频振动能量，迅速升温达到熔融状态，进而相互融结，形成具有全氟表面的闭式叶轮。

步骤S1中，所述步骤S1中，在叶轮底座3顶面开设的凹槽9的槽外端面上额外向上躯体加工形成锥形凸起14，使得埋植过程中，叶片6下端的氟树脂涂层4优先与锥形凸起14相接触，锥形凸起14作为导能筋聚集超声波加工机台的振动能量，促进氟树脂涂层4与叶轮底座3的氟树脂材料进行熔融，随着埋植的深入，对叶轮上盖2和叶轮底座3之间的缝隙形成更为稳固的封闭效果。

具体实施案例如下：

实施例1：如图4所示，叶轮上盖2的金属基体材料选用铝合金，其包含的上盖板5、叶片6、埋植嵌体7和定位台阶8通过CNC的方式一体化加工出来。通过静电喷涂工艺对叶轮上盖2的外表面裹覆氟树脂涂层4，在喷涂之前需对叶轮上盖2的金属基体进行打磨、除油、喷砂等，增大其表面的粗糙度，以提高涂层与基体之间的结合强度。其中涂层选用PFA涂料，涂料分为底漆和面漆两部分，底漆能够提高面漆与基体之间的结合强度。通过控制不同位置上涂料的喷涂量来获得不同厚度的涂层，其中上盖板5和叶片6区域的涂层厚度0.8mm-1mm为宜，埋植嵌体7和定位台阶8区域的涂层厚度0.1mm-0.2mm为宜。涂层烧结完毕后，需使用电火花检测仪对表面进行漏点缺陷检测，以不产生白色火花为合格。

叶轮底座3由PFA棒料通过CNC加工获得，其中凹槽9的宽度要略小于埋植嵌体7的宽度，以保证一定的过盈量。同时，由于埋植过程中，过盈处的材料会因吸收超声波的高频振动能量而变为熔融状态，受到压力的作用而逐渐向下积聚。因此，凹槽9的深度相比于埋植嵌体7的长度需要加深1mm-2mm，作为储料槽，额外加深的储料槽必须保证具有足够的深度。如果设计的深度不足，当熔融的材料将储料槽完全填充后，很难进一步埋植压入，从而不能达到指定的结合位置。

使用超声波加工机台之前，需将叶轮上盖2和叶轮底座3进行预装配，利用之前加工的定位台阶8，将其先与底座上表面13进行配合，保证埋植过程中各个接触表面之间受力均匀，如图5所示。同时，定位台阶8与凹槽9之间应保证单边0.1mm-0.15mm的间隙余量，便于定位台阶8的装配。埋植嵌体7与凹槽9之间应保持0.2mm-0.3mm的单边过盈量，保证在超声波机台压入的过程中提供足够的摩擦力，使凹槽9的表面与埋植嵌体7上的氟树脂涂层4二者能够更好地吸收振动能量，并使结合区域的材料迅速转变为熔融状态，相互融结在一起。最终叶片下端的氟树脂涂层4与底座上表面13接触区域的材料相融合，以消除缝隙实现封闭，从而获得完整的全氟表面。

叶轮上盖2和叶轮底座3预装配完成后，将其整体倒置于固定模具10内，如图7所示，超声波焊头11通过对底座下表面12进行振动和施压，完成熔融埋植的过程。由于底座的下表面12较为平整且接触面积大，采取倒置埋植的方式，超声波焊头11可更加方便地传递压力和振动能量。倘若超声波焊头11直接作用于叶轮上盖2的表面，则十分容易造成受力不均，甚至会损坏上盖表面的涂层。叶轮上盖2和叶轮底座3的结合部位吸收振动能量后变为熔融状态，二者逐渐深入，直至埋植嵌体7完全嵌入底座3中，保证了二者之间的结合强度，并最终获得完整的全氟表面闭式叶轮，整体效果如图4所示。

实施例2：如图6所示，实施例2与实施例1的主要差别在于：在叶轮底座3中环凹槽9的方向上额外加工出锥形凸起14，其余部分和实施例1均相同。该锥形凸起14的作用旨在当叶轮上盖2与叶轮底座3进行埋植过程中，叶片下端的氟树脂涂层4首先与锥形凸起14相接触，锥形凸起14作为导能筋能够聚集超声波加工机台的振动能量，进而迅速熔融，随着埋植的深入对叶轮上盖2和叶轮底座3之间的缝隙形成更为稳固的封闭效果。

本发明所提供的一种复合式全氟表面闭式叶轮的制备方法，通过划区域的方式，不仅使叶轮薄弱区域的强度得到提升，同时获得了高质量的全氟表面，保证了优异的耐腐蚀性。叶轮复合式的结构，解决了传统闭式叶轮涂层制备的困难，极大拓宽了同类叶轮的使用范围。整套工艺流程简单易行，成本较低，灵活性高，适应范围广。

以上对于本发明的两种优选实施例进行了具体描述，但仅作为示范实例，同时本发明的包含内容并非仅局限于上述实例。对于本领域技术人员，对上述实例内容进行的任何同等修改与替代也都在本发明的涵盖之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的任何同等修改与替代，都属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有全氟表面的复合式闭式叶轮，其特征在于；

叶轮整体(1)包括叶轮上盖(2)和叶轮底座(3)两部分，所述叶轮上盖(2)和叶轮底座(3)自上而下设置，且叶轮上盖(2)通过叶片(6)与叶轮底座(3)进行啮合形成复合式叶轮结构，所述叶轮上盖(2)为内置金属基体且外表面裹覆氟树脂涂层(4)的结构，所述叶轮上盖(2)的金属基体包括上盖板(5)、叶片(6)、埋植嵌体(7)以及定位台阶(8)；所述的叶片(6)固定安装在上盖板(5)的下表面上，叶片(6)的底端均固定装有和叶片(6)形状相同的埋植嵌体(7)，同时埋植嵌体(7)底端设有和埋植嵌体(7)形状相同的凸起作为定位台阶(8)；

所述叶轮底座(3)顶面开设有多个凹槽(9)，每个所述凹槽(9)与一个埋植嵌体(7)相配合，埋植嵌体(7)下端的定位台阶(8)插装入凹槽(9)中；

所述上盖板(5)、叶片(6)、埋植嵌体(7)以及定位台阶(8)之外包覆有氟树脂涂层(4)；

所述叶轮底座(3)整体采用氟树脂材料，所述的叶轮上盖(2)和叶轮底座(3)通过超声波熔融埋植的方式进行结合，构成闭式叶轮，同时保证叶轮的所有介流表面均为氟树脂材料。

2.根据权利要求1所述的一种具有全氟表面的复合式闭式叶轮，其特征在于；所述凹槽(9)的深度比嵌体(7)的长度额外加深1mm-2mm。

3.根据权利要求1所述的一种具有全氟表面的复合式闭式叶轮，其特征在于；所述的氟树脂材料为全氟烷氧基树脂PFA、氟化乙烯丙烯共聚物FEP或者乙烯-四氟乙烯共聚物ETFE。

4.根据权利要求1所述的一种具有全氟表面的复合式闭式叶轮，其特征在于；所述叶轮上盖(2)的金属基体材料为铝合金、钛合金或者不锈钢。

5.根据权利要求1所述的一种具有全氟表面的复合式闭式叶轮，其特征在于；所述叶轮上盖(2)表面的氟树脂涂层(4)通过静电喷涂或者热喷涂工艺。

6.一种具有全氟表面的复合式闭式叶轮的制作方法，其特征在于；具体过程为：

步骤S1：通过数控机床加工CNC预先加工出叶轮底座(3)及其中的凹槽(9)，再通过数控机床加工CNC的方式一体化加工出来叶轮上盖(2)及其包含的上盖板(5)、叶片(6)、埋植嵌体(7)和定位台阶(8)；

步骤S2：通过静电喷涂工艺对叶轮上盖(2)的外表面裹覆氟树脂涂层(4)，在喷涂之前需对叶轮上盖(2)的金属基体进行打磨、除油、喷砂的操作；通过控制不同位置上涂料的喷涂量来获得不同厚度的涂层，涂层烧结完毕后使用电火花检测仪对涂层表面进行漏点缺陷检测，直至不产生白色火花；

步骤S3：通过将定位台阶(8)与叶轮底座上表面(13)进行配合实现叶轮上盖(2)和叶轮底座(3)的预装配，然后控制埋植嵌体(7)与底座凹槽(9)之间预留0.2mm-0.3mm的单边过盈量，同时控制定位台阶(8)与凹槽(9)之间保证单边0.1mm-0.15mm的间隙余量；

步骤S4：所述叶轮上盖(2)与叶轮底座(3)配合完成后，将叶轮整体(1)倒置于固定模具(10)内，同时将超声波机台置于叶轮整体(1)上方，使得超声波焊头(11)向下正对着叶轮底座(3)；

步骤S5：启动超声波焊头(11)对叶轮底座(3)的叶轮底座下表面(12)进行振动和施压，使得叶片(6)下端的氟树脂涂层(4)与叶轮底座上表面(13)接触区域的材料相融合，消除缝隙实现封闭，使得叶轮上盖(2)与叶轮底座(3)相结合，从而获得完整的全氟表面的闭式叶轮，完成熔融埋植的过程。

7.根据权利要求6所述的一种具有全氟表面的复合式闭式叶轮的制作方法，其特征在于；

所述步骤S1中，在叶轮底座(3)顶面开设的凹槽(9)的槽外端面上额外向上躯体加工形成锥形凸起(14)，使得埋植过程中，叶片(6)下端的氟树脂涂层(4)优先与锥形凸起(14)相接触，锥形凸起(14)作为导能筋聚集超声波加工机台的振动能量，促进氟树脂涂层(4)与叶轮底座(3)的氟树脂材料进行熔融，随着埋植的深入，对叶轮上盖(2)和叶轮底座(3)之间的缝隙形成更为稳固的封闭效果。

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