[发明专利]一种高效率的涡轮叶片电子束物理气相沉积装置

说明书

本发明公开了一种高效率的涡轮叶片电子束物理气相沉积装置，包括整体呈圆柱形的中央腔室和在中央腔室的外侧沿圆周均匀分布设置的若干个功能腔室，中央腔室和各功能腔室的连通处均设有插板阀门，中央腔室包含叶片装夹递送机构，可绕其中心轴旋转，中心轴连接有若干组伸缩臂，伸缩臂均连接有叶片装夹器，伸缩臂的伸长或收缩均为独立控制，伸缩臂为伸长状态时可形成对相应功能腔室的真空密封，伸缩臂为收缩状态时叶片装夹递送机构可整体绕其中心轴旋转，以便将同一批次的待沉积涂层叶片依次经过各功能腔室完成涡轮叶片的涂层沉积。本发明可同时对不同批次的待沉积涂层叶片进行安装、预热、沉积、冷却和拆卸工序，有效提升了涂层生产的整体效率。

技术领域

本发明属于航空技术领域，具体涉及一种高效率的涡轮叶片电子束物理气相沉积装置。

背景技术

航空发动机被称为飞机的“心脏”，其高温部件的使用性能决定着发动机的服役寿命。热障涂层作为高性能航空发动机热端部件上必然使用的防护涂层，早已被各国航发部门列为航空发动机高温热防护的关键技术。而电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术是目前航空发动机中运行环境最苛刻的前级涡轮叶片上使用最广泛的热防护技术，EB-PVD是电子束技术和物理气相沉积技术的结合，其原理是在真空环境下通过高能电子束轰击陶瓷靶材，靶材材料向上蒸发沉积到位于其上方的叶片表面形成涂层。经过几十年的发展，已经发展出多代热障涂层用EB-PVD设备，但依然存在设备检修复杂、生产效率低、涂层质量稳定性差等问题。

实际上，目前的EB-PVD设备所使用的电子枪均有上百甚至数百千瓦的单枪功率，电子枪功率大小直接决定了涂层的沉积速率。一般来说，涂层沉积速率可达到数微米/分钟，这使得EB-PVD设备仅需要约30分钟的蒸发时间就可以完成叶片上的涂层沉积。出于对涂层特殊微结构、特定成分以及生产良品率的考量，在涂层沉积之前需要对待沉积涂层的叶片进行预热，也需要在沉积后对涂层进行补氧氧化。因此，即使是在设计先进的无需破沉积室真空的EB-PVD生产设备中，完成一整套涂层沉积前后的必需步骤依旧很耗时间。通常EB-PVD设备生产热障涂层的必要流程为：安装叶片、预热叶片、叶片上沉积涂层、叶片冷却(同时补氧氧化)、拆卸已沉积涂层的叶片。在传统EB-PVD设备中，这些必需的工艺步骤通常为依次进行，单次涂层沉积的生产时间需要约2h，这就制约了整机的涂层生产效率。

发明内容

本发明目的在于针对上述EB-PVD整机的热障涂层生产效率低的缺陷，提出一种包含“风车形”叶片装夹递送机构的涡轮叶片电子束物理气相沉积装置，以同时将轮换批次叶片送至装卸、预热、沉积、冷却工位，即可在EB-PVD设备中同时开展这几个工艺步骤，大大提升了涂层生产的整体效率。通过整机的多腔体设计、单盘多叶片的装夹夹具、快速靶材送料机构、以及高功率电子枪和抽真空系统，即可在EB-PVD设备上高效率的实现热障涂层的生产。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案为一种高效率的涡轮叶片电子束物理气相沉积装置，包括实现涂层制备必需的抽真空系统、真空阀门、电子枪系统、靶材送料系统、机械传动系统和冷却水系统，还包括整体呈圆柱形的中央腔室和在中央腔室的外侧沿圆周均匀分布设置的若干个功能腔室，中央腔室和各功能腔室的连通处均设有插板阀门，中央腔室包含叶片装夹递送机构，可绕其中心轴旋转，所述中心轴连接有若干组伸缩臂，伸缩臂远离中心轴的一端均连接有叶片装夹器，伸缩臂的伸长或收缩均为独立控制，伸缩臂为伸长状态时可形成对相应功能腔室的真空密封，伸缩臂为收缩状态时叶片装夹递送机构可整体绕其中心轴旋转，以便将同一批次的待沉积涂层叶片依次经过各功能腔室完成涡轮叶片的涂层沉积。

叶片装夹器一端配有真空封堵盘，伸缩臂为伸长状态时真空封堵盘和中央腔室内壁接触可形成对应功能腔室的真空密封。

功能腔室包括沿顺时针或逆时针方向依次排列的叶片装卸腔室、叶片预热腔室、涂层沉积腔室和叶片冷却腔室，四个腔室在圆周方向上间隔90度。

叶片装卸腔室用于将待沉积涂层叶片安装至叶片装夹递送机构的叶片装夹器上。