CN114990467B - 一种涡轮外环涂层制备工装及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涡轮涂层制备工装，具体涉及一种涡轮外环涂层制备工装及其使用方法。解决了目前缺乏特定工装用于涡轮外环表面的环境屏障涂层制备技术问题。本发明涂层制备工装包括多个涂层工装基座、涂层工装背板、涂层工装前板和涂层工装挡板；涂层工装基座上设置有卡槽，多个卡槽形成安装卡槽；涂层工装背板和涂层工装前板设置在安装卡槽内；涂层工装前板包括连接梁和多个隔断梳齿；相邻隔断梳齿之间形成多个构件安装卡位；涡轮外环构件位于构件安装卡位内；连接梁上设置有用于涡轮外环构件固定限位的斜面翻边卡扣；涂层工装背板上设置有挡板滑槽，涂层工装挡板通过挡板滑槽设置在隔断梳齿和涡轮外环构件的上端面上方。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡轮涂层制备工装，具体涉及一种涡轮外环涂层制备工装及其使用方法。
背景技术
涡轮外环(也称涡轮罩环)是涡轮静子的主要结构件，是发动机涡轮系统的重要组成之一，安装于涡轮机匣上，围绕涡轮转子叶片进行对应排布，其主要作用是组成涡轮部件的燃气通道。在航空发动机和燃气轮机等燃气涡轮发动机中，提高涡轮前燃气温度，是提高发动机性能的最直接有效的方法之一。对于发动机的涡轮系统而言，提高涡轮前燃气温度意味着对涡轮系统设计提出更高的要求，比如涡轮外环构件需要耐更高温度、更长寿命、更轻质等。
目前，随着航空发动机的先进发展，燃气主流温度可达到1900℃以上，远远高于高温合金的使用温度，当燃气气流经过涡轮外环时，内壁面温度可高达1250℃甚至更高。此外，高温燃气中的水蒸气、燃气、游离氧、CMAS等物质能够对涡轮外环造成不可逆转的影响。因此，即便采用世界公认具有潜力的陶瓷基复合材料作为涡轮外环主体材料，在面对恶劣的工况和日益增长的需求时，依旧需要采取一定防护手段来保证其正常工作。
环境屏障涂层是建立在陶瓷基复合材料和发动机恶劣环境之间的保护屏障，可通过热喷涂工艺制备而得。在涡轮外环表面制备一层环境屏障涂层是一种保护涡轮外环正常工作的非常有效的手段，一方面可以适应航空发动机日益苛刻的服役环境，另一方面能够避免恶劣环境对涡轮外环的侵蚀和破坏，使基体材料性能不发生或者减少衰减。
然而涡轮外环结构形式多样，其典型的结构特征和型面设计(例如图1和图2所示)在采用等离子喷涂或电子束物理气相沉积等工艺制备涡轮外环表面环境屏障涂层时，需依据待保护表面，同时结合涡轮外环密排盲孔阵列、复杂曲面、底端台阶等结构和型面特征，设计特定的涂层工装，方可实现涡轮外环构件涂层的制备。但在现有技术中，尚未见有使用此类特定涂层工装的文献报导。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术缺乏特定工装用于涡轮外环表面的环境屏障涂层制备技术问题，而提供一种涡轮外环涂层制备工装及其使用方法。
本发明的构思是：通过在涂层制备时采用分体式装配结构夹具工装，既实现了具有复杂结构型面和结构特征的涡轮外环表面涂层制备，又避免了涡轮外环构件典型结构特征在涂层制备时被破坏，同时保证了涡轮外环外形表面涂层的均匀性。更重要的是，使用本发明工装时，可采用等离子喷涂或电子束物理气相沉积等工艺对涡轮外环涂层进行批量化制备，节约成本，降低能耗，提高生产效率。
本发明的技术解决方案是：
一种涡轮外环涂层制备工装，其特殊之处在于：
包括多个涂层工装基座、涂层工装背板、涂层工装前板和涂层工装挡板；
所述涂层工装基座上设置有倾斜的卡槽，卡槽的下方内侧面为长斜面，上方内侧面为短斜面；
所述多个涂层工装基座并排放置，多个涂层工装基座的卡槽形成安装卡槽；
所述涂层工装背板和涂层工装前板从下到上依次设置在安装卡槽内，所述长斜面与涂层工装背板的下表面相适配，所述短斜面与涂层工装前板的上表面相适配；
所述涂层工装前板包括连接梁和等距设置在连接梁顶端的多个隔断梳齿；所述连接梁、多个隔断梳齿与涂层工装背板上表面之间形成多个构件安装卡位；
待涂层的涡轮外环构件位于构件安装卡位内，涡轮外环构件的左右两侧边分别与相邻隔断梳齿接触，涡轮外环构件的非涂层面、多个隔断梳齿的下表面均与所述涂层工装背板的上表面贴合接触，隔断梳齿与涡轮外环构件的曲率和高度均相同，且隔断梳齿的上表面与涡轮外环构件涂层面相齐平；
所述连接梁上设置有与和涡轮外环构件底端搭接结构相适配的斜面翻边卡扣，用于将涡轮外环构件底端搭接结构固定锁紧；
所述涂层工装背板上表面设置有挡板滑槽；
所述涂层工装挡板的内端设置在挡板滑槽内，涂层工装挡板的底面与隔断梳齿的顶端和涡轮外环构件的顶端相适配并接触。
进一步地，所述连接梁上位于涡轮外环构件的两端边缘位置处分别设置有退构件孔。
进一步地，所述多个隔断梳齿的全部或者部分通过销钉连接在涂层工装背板的上表面。
进一步地，所述卡槽的倾斜角为30-60°。
进一步地，所述多个涂层工装基座、涂层工装背板、涂层工装前板和涂层工装挡板均采用耐高温材质。
进一步地，所述耐高温材质为高纯细料石墨或电极石墨。
同时，本发明还提供了上述涡轮外环涂层制备工装的使用方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1)将涂层工装前板安装在涂层工装背板上；
步骤2)涡轮外环构件的安装；
步骤2.1)涡轮外环构件长边的保护；
采用石墨纸对涡轮外环构件长边部分进行包裹，将包裹好的涡轮外环构件装配在构件安装卡位中，石墨纸长度为涡轮外环构件长边的0.9～1.1倍，且石墨纸不应超出涡轮外环构件涂层面周边1mm；
步骤2.2)涡轮外环构件底端搭接结构的保护；
在斜面翻边卡扣与涡轮外环构件底端接触前，采用石墨纸包裹涡轮外环构件底端搭接结构，将超出的石墨纸沿着斜面翻边卡扣边缘进行去除，同时清理石墨纸边缘毛刺和切割碎屑，随后将涡轮外环构件底端搭接结构和斜面翻边卡扣配合锁紧，并保持涡轮外环构件涂层面与隔断齿梳的上表面完全平齐；
步骤3)涂层工装挡板和涂层工装基座安装；
步骤3.1)将涂层工装挡板沿着挡板滑槽安装好，在涂层工装挡板和涡轮外环构件顶端之间垫入石墨纸，使石墨纸超出涡轮外环构件涂层面部分小于1mm；
步骤3.2)将步骤3.1)安装好的整体部件安装在涂层工装基座上，得到涡轮外环构件的涂层制备工装成品；
步骤4)涡轮外环涂层的制备；
将涡轮外环构件的涂层制备工装成品固定于涂层制备工作台上，在涡轮外环构件表面通过热喷涂工艺制备厚度为300-500μm的环境屏障涂层；
步骤5)涡轮外环构件的取出；
涡轮外环构件涂层制备完毕后，将涂层工装基座上的整体部件从涂层工装基座上取下；沿挡板滑槽将涂层工装挡板取下；将带有涂层的涡轮外环构件从构件安装卡位中退出，得到带有涂层的涡轮外环构件成品；
步骤6)涂层工装前板的拆装；
将涂层工装前板从涂层工装背板上拆下。
进一步地，步骤5)中，所述将带有涂层的涡轮外环构件从构件安装卡位中退出是通过用细棒通过退构件孔将带有涂层的涡轮外环构件从构件安装卡位中退出。
进一步地，步骤1)中，通过销钉将涂层工装前板定位安装在涂层工装背板上。
本发明的有益效果：
1、本发明的涡轮外环涂层制备工装为分体式装配结构夹具工装，既满足了采用等离子喷涂、电子束物理气相沉积等工艺制备涡轮外环涂层的需求，又保护了涡轮外环构件典型结构特征在涂层制备时不被破坏，还保证了曲面结构型面涂层的均匀性。
2、本发明的涡轮外环涂层制备工装可以通过增加构件安装卡位实现多工位涡轮外环构件的涂层制备，较之于单件涡轮外环构件涂层制备而言，若采用本发明实施例(四工位)涡轮外环涂层工装进行涂层制备，整体效率提升约40％，进而可实现批量化制备，节约成本，降低能耗。
3、本发明的涡轮外环涂层制备工装中涂层工装基座上卡槽设计有倾斜角，倾斜角范围为30-60°，太陡不利于涡轮外环构件的安装固定，角度过小会使涡轮外环构件被高速喷射焰流形成的火焰反伤，从而对涂层有影响。
附图说明
图1为涡轮外环构件示意图；
图2为涡轮外环构件典型特征的局部放大示意图；
图3为本发明涡轮外环涂层制备工装实施例的爆炸图；
图4为本发明实施例中涂层工装基座三维结构示意图；
图5为本发明实施例中涂层工装背板三维结构示意图；
图6为本发明实施例中涂层工装前板三维结构示意图；
图7为图6的俯视图；
图8为图7的A-A剖面图；
图9为本发明涡轮外环涂层制备工装实施例与涡轮外环构件装配图。
附图标记：1-涂层工装基座，2-涂层工装背板，21-挡板滑槽，22-第一销钉孔，3-涂层工装前板，31-连接梁，32-隔断梳齿，33-退构件孔，34-斜面翻边卡扣，35-第二销钉孔，4-涂层工装挡板，5-销钉，6-涡轮外环构件。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进行详细的说明。
如图3-图8所示，本发明一种涡轮外环涂层制备工装，为具有四工位的涡轮外环涂层制备工装，包括两个涂层工装基座1、涂层工装背板2、涂层工装前板3和涂层工装挡板4。
涂层工装基座上设置有倾斜的卡槽，卡槽倾斜角为33.5°，卡槽的下方内侧面为长斜面，上方内侧面为短斜面；两个涂层工装基座并排放置，两个涂层工装基座的卡槽形成安装卡槽。涂层工装背板2和涂层工装前板3从下到上依次设置在安装卡槽内，长斜面与涂层工装背板2的下表面相适配，短斜面与涂层工装前板3的上表面相适配。
涂层工装前板3包括连接梁31和等距设置在连接梁顶端的五个隔断梳齿32；连接梁31、五个隔断梳齿32与涂层工装背板2上表面之间形成四个构件安装卡位；连接梁31上位于涡轮外环构件6的两端边缘位置处分别设置有退构件孔33，方便涡轮外环构件6涂层制备完后将涡轮外环构件6从涂层制备工装上取下。待涂层的涡轮外环构件6位于构件安装卡位内，涡轮外环构件6的左右两侧边分别与相邻隔断梳齿32接触，涡轮外环构件6的非涂层面、五个隔断梳齿32的下表面均与涂层工装背板2的上表面贴合接触，五个隔断梳齿32通过四个销钉5连接在涂层工装背板2的上表面，涂层工装背板2上设置有四个第一销钉孔22，除去中间隔断梳齿32，其余四个隔断梳齿32上均设置有与第一销钉孔22相适配的第二销钉孔35，销钉5依次穿入第二销钉孔35和第一销钉孔22将涂层工装前板3连接在涂层工装背板2上表面；隔断梳齿32与涡轮外环构件6的曲率和高度均相同，且隔断梳齿32的上表面与涡轮外环构件6涂层面相齐平；连接梁31上设置有与和涡轮外环构件6底端相适配的斜面翻边卡扣34，用于涡轮外环构件6底端搭接结构的固定和限位。涂层工装背板2上表面设置有挡板滑槽21。涂层工装挡板4的内端设置在挡板滑槽21内，涂层工装挡板4的底面与隔断梳齿32的顶端、涡轮外环构件6的顶端相适配并接触。两个涂层工装基座1、涂层工装背板2、涂层工装前板3和涂层工装挡板4均采用耐高温材质，耐高温材质可以是高纯细料石墨或电极石墨，以防止由于紧固安装，在高温情况下工装材料因热失配导致涡轮外环发生破坏。涂层制备工艺为热喷涂工艺，可以是等离子喷涂，可以是电子束物理气相沉积和两者的结合。
待制备涂层的涡轮外环构件6的材质为陶瓷基复合材料，涡轮外环主体可采用2D、2.5D复合材料纤维预制体方法制备，其结构特征有复杂曲面外形、Z型搭接结构和密排盲孔阵列。陶瓷基复合材料的增强体可以是碳纤维、可以是碳化硅纤维，可以是碳纤维和碳化硅纤维两者的结合；基体可以是碳化硅、可以是氮化硅、可以是碳化硼，也可以是上述几种基体材料的结合。
本发明还提供了利用上述涡轮外环涂层制备工装的使用方法，包括以下步骤：
步骤1)将涂层工装前板3定位安装在涂层工装背板2上；
将涂层工装前板3的隔断梳齿32下表面与涂层工装背板2上表面相接触，使隔断梳齿32上的第二销钉孔35与涂层工装背板2上的第一销钉孔22正对，通过销钉5依次穿入第二销钉孔35和第一销钉孔22将涂层工装前板3固定于涂层工装背板2之上。此时，连接梁31、五个隔断梳齿32与涂层工装背板2上表面之间形成涡轮外环构件6的构件安装卡位。销钉5在涂层工装前板3上表面应与隔断梳齿32高度相平齐，以防止在涂层制备时因封堵销钉孔导致销钉5无法取出，此外还能防止拆卸工装时引起涂层脱落。
步骤2)涡轮外环构件6的安装；本步骤完成后，得到带有涡轮外环构件6的涂层制备工装半成品。
步骤2.1)涡轮外环构件6长边的保护；
采用石墨纸对涡轮外环构件6长边部分进行包裹，将包裹好的涡轮外环构件6装配在构件安装卡位中，石墨纸长度为涡轮外环构件6长边的0.9～1.1倍，且石墨纸不应超出涡轮外环构件6涂层面周边1mm。采用石墨纸对涡轮外环构件6长边的保护，一方面可以有效解决涂层制备工装与涡轮外环材质不同时引发的热失配问题；另一方面可以有效避免超出的石墨纸产生的涂层遮蔽效应；更重要的是防止涡轮外环构件表面涂层与涂层制备工装产生粘连，为构件的拆装带来不便。
步骤2.2)涡轮外环构件6底端搭接结构的保护；
在斜面翻边卡扣34与涡轮外环构件6底端接触前，采用石墨纸包裹涡轮外环构件6底端搭接结构，将超出的石墨纸沿着斜面翻边卡扣34边缘进行去除，同时清理石墨纸边缘毛刺和切割碎屑，随后将涡轮外环构件6底端搭接结构和斜面翻边卡扣34配合锁紧，并保持涡轮外环构件6涂层面与隔断齿梳32的上表面完全平齐。
被涡轮外环构件6底端搭接结构锁紧的石墨纸应完全包裹涡轮外环构件6的底端搭接结构，并采用美工刀将超出的石墨纸沿着斜面翻边卡扣34边缘进行去除，同时清理石墨纸边缘毛刺和切割碎屑，消除切割石墨纸后对涂层制备带来的不利影响。
步骤3)涂层工装挡板4和涂层工装基座1安装；
步骤3.1)将涂层工装挡板4沿着挡板滑槽21安装固定好，在涂层工装挡板4和涡轮外环构件6顶端之间垫入石墨纸，使石墨纸超出涡轮外环构件6涂层面部分小于1mm，以防止石墨纸遮挡涂层产生遮蔽效应；
步骤3.2)将步骤3.1)安装好的整体部件安装在涂层工装基座1上，得到涡轮外环构件6的涂层制备工装成品，如图9所示；
步骤4)涡轮外环涂层的制备；
将涡轮外环构件6的涂层制备工装成品固定于涂层制备工作台上，在涡轮外环构件6表面通过热喷涂工艺制备厚度为300-500μm的环境屏障涂层；
环境屏障涂层的体系可以是硅，可以是莫来石，可以是钡长石，可以是稀土硅酸盐，可以是它们的一种或多种组合。环境屏障涂层的层数可以单层、双层或多层。环境屏障涂层的制备工艺参数为：等离子体气体总气量为150-250lpm，其中Ar占比为0-10％，N2占比为65％-85％，H2占比为15％-30％，同时三种气体占比之和为100％，载气为4-10slpm，喷涂距离为90-300mm，送粉速率为30-95g/min。环境屏障涂层的制备步骤：先将待制备涂层试样经等离子焰流预热升温至300-500℃，开启送粉装置并待焰流稳定后，通过程序控制和工装联动完成涂层制备。此步骤可能需循环执行1-5次。
步骤5)涡轮外环构件6的取出；
涡轮外环构件6涂层制备完毕后，将涂层工装基座1上的整体部件从涂层工装基座1上取下；沿挡板滑槽21将涂层工装挡板4取下；用细棒通过退构件孔33将带有涂层的涡轮外环构件6从构件安装卡位中退出，得到带有涂层的涡轮外环构件6成品；
步骤6)涂层工装前板的拆装；
将涂层工装前板3从涂层工装背板2上拆下，涂层制备工序结束。
Claims (9)
1.一种涡轮外环涂层制备工装，其特征在于：
包括多个涂层工装基座(1)、涂层工装背板(2)、涂层工装前板(3)和涂层工装挡板(4)；
所述涂层工装基座(1)上设置有倾斜的卡槽，卡槽的下方内侧面为长斜面，上方内侧面为短斜面；
所述多个涂层工装基座(1)并排放置，多个涂层工装基座(1)的卡槽形成安装卡槽；
所述涂层工装背板(2)和涂层工装前板(3)从下到上依次设置在安装卡槽内，所述长斜面与涂层工装背板(2)的下表面相适配，所述短斜面与涂层工装前板(3)的上表面相适配；
所述涂层工装前板(3)包括连接梁(31)和等距设置在连接梁顶端的多个隔断梳齿(32)；所述连接梁(31)、多个隔断梳齿(32)与涂层工装背板(2)上表面之间形成多个构件安装卡位；
待涂层的涡轮外环构件(6)位于构件安装卡位内，涡轮外环构件(6)的左右两侧边分别与相邻隔断梳齿(32)接触，涡轮外环构件(6)的非涂层面、多个隔断梳齿(32)的下表面均与所述涂层工装背板(2)的上表面贴合接触，隔断梳齿(32)与涡轮外环构件(6)的曲率和高度均相同，且隔断梳齿(32)的上表面与涡轮外环构件(6)涂层面相齐平；
所述连接梁(31)上设置有与和涡轮外环构件(6)底端搭接结构相适配的斜面翻边卡扣(34)，用于将涡轮外环构件(6)底端搭接结构固定锁紧；
所述涂层工装背板(2)上表面设置有挡板滑槽(21)；
所述涂层工装挡板(4)的内端设置在挡板滑槽(21)内，涂层工装挡板(4)的底面与隔断梳齿(32)的顶端和涡轮外环构件(6)的顶端相适配并接触。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮外环涂层制备工装，其特征在于：
所述连接梁(31)上位于涡轮外环构件(6)的两端边缘位置处分别设置有退构件孔(33)。
3.根据权利要求2所述的一种涡轮外环涂层制备工装，其特征在于：
所述多个隔断梳齿(32)的全部或者部分通过销钉(5)连接在涂层工装背板(2)的上表面。
4.根据权利要求3所述的一种涡轮外环涂层制备工装，其特征在于：
所述卡槽的倾斜角为30-60°。
5.根据权利要求4所述的一种涡轮外环涂层制备工装，其特征在于：
所述多个涂层工装基座(1)、涂层工装背板(2)、涂层工装前板(3)和涂层工装挡板(4)均采用耐高温材质。
6.根据权利要求5所述的一种涡轮外环涂层制备工装，其特征在于：
所述耐高温材质为高纯细料石墨或电极石墨。
7.一种权利要求1-6任一所述的涡轮外环涂层制备工装的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)将涂层工装前板(3)安装在涂层工装背板(2)上；
步骤2)涡轮外环构件(6)的安装；
步骤2.1)涡轮外环构件(6)长边的保护；
采用石墨纸对涡轮外环构件(6)长边部分进行包裹，将包裹好的涡轮外环构件(6)装配在构件安装卡位中，石墨纸长度为涡轮外环构件(6)长边的0.9～1.1倍，且石墨纸不应超出涡轮外环构件(6)涂层面周边1mm；
步骤2.2)涡轮外环构件(6)底端搭接结构的保护；
在斜面翻边卡扣(34)与涡轮外环构件(6)底端接触前，采用石墨纸包裹涡轮外环构件(6)底端搭接结构，将超出的石墨纸沿着斜面翻边卡扣(34)边缘进行去除，同时清理石墨纸边缘毛刺和切割碎屑，随后将涡轮外环构件(6)底端搭接结构和斜面翻边卡扣(34)配合锁紧，并保持涡轮外环构件(6)涂层面与隔断齿梳(32)的上表面完全平齐；
步骤3)涂层工装挡板(4)和涂层工装基座(1)安装；
步骤3.1)将涂层工装挡板(4)沿着挡板滑槽(21)安装好，在涂层工装挡板(4)和涡轮外环构件(6)顶端之间垫入石墨纸，使石墨纸超出涡轮外环构件(6)涂层面部分小于1mm；
步骤3.2)将步骤3.1)安装好的整体部件安装在涂层工装基座(1)上，得到涡轮外环构件(6)的涂层制备工装成品；
步骤4)涡轮外环涂层的制备；
将涡轮外环构件(6)的涂层制备工装成品固定于涂层制备工作台上，在涡轮外环构件(6)表面通过热喷涂工艺制备厚度为300-500μm的环境屏障涂层；
步骤5)涡轮外环构件(6)的取出；
涡轮外环构件(6)涂层制备完毕后，将涂层工装基座(1)上的整体部件从涂层工装基座(1)上取下；沿挡板滑槽(21)将涂层工装挡板(4)取下；将带有涂层的涡轮外环构件(6)从构件安装卡位中退出，得到带有涂层的涡轮外环构件(6)成品；
步骤6)涂层工装前板的拆装；
将涂层工装前板(3)从涂层工装背板(2)上拆下。
8.根据权利要求7所述的一种涡轮外环涂层制备工装的使用方法，其特征在于：步骤5)中，所述将带有涂层的涡轮外环构件(6)从构件安装卡位中退出是通过用细棒通过退构件孔(33)将带有涂层的涡轮外环构件(6)从构件安装卡位中退出。
9.根据权利要求7或8所述的一种涡轮外环涂层制备工装的使用方法，其特征在于：步骤1)中，通过销钉(5)将涂层工装前板(3)定位安装在涂层工装背板(2)上。
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