一种涂层制备装置

技术领域

本发明涉及等离子物理气相沉积技术领域，特别是涉及一种涂层制备装置。

背景技术

低压等离子喷涂技术(LPPS)是在大气等离子喷涂(APS)技术的基础上发展起来的新技术。与传统大气等离子喷涂(APS)相比，在真空或低压下等离子射流被拉长，射流速率大大提高，喷涂粉末从等离子射流中获得速度更高，因此制备的涂层有更好的致密度和结合力。在低压等离子喷涂技术基础上，进一步降低工作压力(约200Pa)，增加喷涂功率(80-100kW)，等离子射流进一步膨胀加粗，等离子体的温度进一步提高(可以达到约1.5万℃)，可以将注入的待喷涂材料蒸发为气相。这种新型的喷涂技术称为等离子物理气相沉积技术(PS-PVD)。

采用等离子物理气相沉积技术(PS-PVD)制备的涂层，其特性接近于电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备的涂层，从而可以实现大面积致密金属或陶瓷薄膜的快速沉积。

采用等离子物理气相沉积技术(PS-PVD)制备叶片涂层时，通常需要将工件安装旋转工作台上。工艺过程中，旋转工作台带动工件不停地旋转，使得工件全周都涂敷上涂层。

现有技术中，多采用单轴的旋转工作台，在旋转工作台上安装一件工件及其夹具，如图1所示，电机带动旋转工作台转动，工件及其夹具随工作台的转动而转动，效率较低；为了提高工作效率，会在旋转工作台上设置多个工件及夹具，如图2所示，虽然工作效率有所提升，但是由于工件排布限制以及公、自转速不能独立调节等限制因素，导致涂层厚度均匀性较差。

因此，如何改变现有技术中，采用等离子物理气相沉积技术(PS-PVD)制备叶片涂层时，涂层均匀性较差的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种涂层制备装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高等离子物理气相沉积技术制备叶片涂层的均匀性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种涂层制备装置，包括：

公转组件，所述公转组件包括公转驱动器、公转驱动轴和公转盘，所述公转驱动器的输出端与所述公转驱动轴传动相连，所述公转盘与所述公转驱动轴相连；

自转组件，所述自转组件包括自转驱动器和自转驱动轴，所述自转驱动器的输出端与所述自转驱动轴传动相连；

工位组件，所述工位组件包括工位驱动轴、工位旋转轴和夹具，所述自转驱动轴与所述工位驱动轴传动相连，所述工位驱动轴可转动地与所述公转盘相连，所述工位驱动轴的轴线平行于所述公转驱动轴的轴线且二者之间具有间隙，所述工位驱动轴与所述工位旋转轴传动相连，所述夹具能够夹持待喷涂的叶片，所述夹具与所述工位旋转轴相连；所述夹具以及所述叶片均位于真空室内，所述真空室内设置喷枪；所述工位组件的数量至少为一组。

优选地，沿所述工位驱动轴到所述夹具的方向，所述工位旋转轴朝向靠近所述公转驱动轴的方向倾斜设置。

优选地，所述工位驱动轴利用万向联轴器与所述工位旋转轴相连。

优选地，所述公转组件还包括旋转工作台，所述旋转工作台与所述公转驱动轴相连，所述工位旋转轴可转动地穿过所述旋转工作台后与所述夹具相连。

优选地，所述工位组件的数量为多组，多组所述工位组件绕所述公转驱动轴的轴线周向均布。

优选地，所述自转驱动轴为空心结构，所述自转驱动轴可转动地套装于所述公转驱动轴的外部，所述自转驱动轴与所述公转驱动轴之间设置轴承；

所述真空室连接有底座，所述自转驱动轴可转动地穿过所述底座后与所述工位驱动轴传动相连，所述底座与所述自转驱动轴之间设置密封元件。

优选地，所述公转组件还包括公转支架，所述公转支架与所述真空室的外壁相连，所述公转驱动器固定于所述公转支架上，所述公转驱动器的输出端连接有公转驱动齿轮，所述公转驱动轴连接有公转中心齿轮，所述公转驱动齿轮与所述公转中心齿轮相啮合；

所述自转组件还包括自转支架，所述自转支架与所述真空室的外壁相连，所述自转驱动器固定于所述自转支架上，所述自转驱动器的输出端连接有自转驱动齿轮，所述自转驱动轴连接有第一自转中心齿轮和第二自转中心齿轮，所述自转驱动齿轮与所述第一自转中心齿轮相啮合；

所述工位组件还包括工位齿轮，所述工位齿轮与所述工位驱动轴相连，所述工位齿轮与所述第二自转中心齿轮相啮合。

优选地，所述的涂层制备装置，还包括导气组件，所述导气组件包括进气管和输气管，所述公转驱动轴以及所述工位旋转轴均为中空结构，所述进气管能够与外部气源相连通，所述外部气源能够向所述进气管输送保护气体，所述进气管与所述公转驱动轴的内腔相连通，所述公转驱动轴的内腔利用所述输气管与所述工位旋转轴的内腔相连通，所述夹具具有出气孔，所述出气孔能够与所述叶片的气膜孔相连通。

优选地，所述公转盘连接有储气罩，所述储气罩与所述公转盘围成储气腔体，所述公转驱动轴的内腔以及所述输气管均与所述储气腔体相连通。

优选地，所述公转驱动轴与所述进气管之间设置气滑环。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的涂层制备装置，公转组件中，公转驱动器利用公转驱动轴带动公转盘转动，工位组件中的工位驱动轴与公转盘转动相连，且二者的转动轴线不重合，使得公转盘能够带动工位驱动轴公转，继而利用工位旋转轴带动夹具和叶片公转；在公转的同时，自转组件中，自转驱动器利用自转驱动轴带动工位驱动轴自转，继而利用工位旋转轴带动夹具以及叶片自转，在公转和自转同时进行的条件下，采用真空等离子物理气相沉积技术，利用真空室内的喷枪对叶片进行真空等离子物理气相沉积涂层制备。需要强调的是，本发明中的公转组件和自转组件分别驱动，公转的转速和自转的转速能够进行独立调节，分别调节公转和自转的转速，从而使公转盘带动叶片公转以及叶片的自转均处于最佳转速状态，根据叶片的具体形状和尺寸，自转还可以采用变转速控制，极大地提高了涂层制备装置的灵活性，有利于提高叶片涂层的均匀性，提升叶片质量。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中叶片涂层制备设备一；

图2为现有技术中叶片涂层制备设备二；

图3为本发明的涂层制备装置的结构示意图；

图4为利用本发明的涂层制备装置制备的涂层的微观组织形貌图；

图5为本发明的涂层制备装置实施例一中叶片的示意图。

其中，1为公转驱动器，2为公转驱动轴，3为公转盘，4为自转驱动器，5为自转驱动轴，6为工位驱动轴，7为工位旋转轴，8为夹具，9为叶片，10为真空室，11为喷枪，12为万向联轴器，13为旋转工作台，14为底座，15为密封元件，16为公转支架，17为公转驱动齿轮，18为公转中心齿轮，19为自转支架，20为自转驱动齿轮，21为第一自转中心齿轮，22为第二自转中心齿轮，23为工位齿轮，24为进气管，25为输气管，26为储气罩，27为储气腔体，28为气滑环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种涂层制备装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高等离子物理气相沉积技术制备叶片涂层的均匀性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种涂层制备装置，包括公转组件、自转组件以及工位组件，其中，公转组件包括公转驱动器1、公转驱动轴2和公转盘3，公转驱动器1的输出端与公转驱动轴2传动相连，公转盘3与公转驱动轴2相连；自转组件包括自转驱动器4和自转驱动轴5，自转驱动器4的输出端与自转驱动轴5传动相连；工位组件包括工位驱动轴6、工位旋转轴7和夹具8，自转驱动轴5与工位驱动轴6传动相连，工位驱动轴6可转动地与公转盘3相连，工位驱动轴6的轴线平行于公转驱动轴2的轴线且二者之间具有间隙，工位驱动轴6与工位旋转轴7传动相连，夹具8能够夹持待喷涂的叶片9，夹具8与工位旋转轴7相连；夹具8以及叶片9均位于真空室10内，真空室10内设置喷枪11；工位组件的数量至少为一组。

本发明的涂层制备装置，公转组件中，公转驱动器1利用公转驱动轴2带动公转盘3转动，工位组件中的工位驱动轴6与公转盘3转动相连，且二者的转动轴线不重合，使得公转盘3能够带动工位驱动轴6公转，继而利用工位旋转轴7带动夹具8和叶片9公转；在公转的同时，自转组件中，自转驱动器4利用自转驱动轴5带动工位驱动轴6自转，继而利用工位旋转轴7带动夹具8以及叶片9自转，在公转和自转同时进行的条件下，采用真空等离子物理气相沉积技术，利用真空室10内的喷枪11对叶片9进行真空等离子物理气相沉积涂层制备。需要强调的是，本发明中的公转组件和自转组件分别驱动，公转的转速和自转的转速能够进行独立调节，分别调节公转和自转的转速，从而使公转盘3带动叶片9公转以及叶片9的自转均处于最佳转速状态，根据叶片9的具体形状和尺寸，自转还可以采用变转速控制，极大地提高了涂层制备装置的灵活性，有利于提高叶片9涂层的均匀性，提升叶片9质量。

在本具体实施方式中，公转转速和自转转速范围为0rpm～50rpm，无级可调。公转和自转的转速，对PS-PVD形成地柱状晶或准柱状晶组织有重要影响。在本具体实施方式中，通过工艺试验确定较优的转速比，形成良好的涂层组织，涂层的典型微观组织形貌如图4所示。

此处还需要解释说明的是，工位组件可根据实际工况设置，在叶片9规格允许的情况下可设置多组工位组件，以提高装置的制备效率。

其中，沿工位驱动轴6到夹具8的方向，工位旋转轴7朝向靠近公转驱动轴2的方向倾斜设置，方便喷枪11进行喷涂，以保证涂层质量，实际应用中，工位旋转轴7与公转盘3之间的角度可选择45°-90°。

为了保证扭矩的顺利传递，工位驱动轴6利用万向联轴器12与工位旋转轴7相连，实际应用中，还可以在公转盘3上设置支撑架，用于支撑工位旋转轴7，同时方便调整工位旋转轴7的倾斜角度，进一步提高装置的灵活适应性。

具体地，公转组件还包括旋转工作台13，旋转工作台13与公转驱动轴2相连，旋转工作台13位于公转盘3的上方，工位旋转轴7可转动地穿过旋转工作台13后与夹具8相连，设置旋转工作台13，确保了工位组件能够随公转驱动轴2转动，同时提高了工位组件的稳定性。

在本具体实施方式中，工位组件的数量为多组，多组工位组件绕公转驱动轴2的轴线周向均布，在保证叶片9涂层均匀性的同时，提高涂层制备工作效率。

另外，自转驱动轴5为空心结构，自转驱动轴5可转动地套装于公转驱动轴2的外部，使装置结构紧凑，有利于提高装置的适应性，自转驱动轴5与公转驱动轴2之间设置轴承，确保自转驱动轴5和公转驱动轴2能够顺利实现相对转动，根据具体工况调整公转和自转转速，满足涂层制备需求。

为了方便自转驱动轴5伸入真空室10与工位组件相连，真空室10连接有底座14，自转驱动轴5可转动地穿过底座14后与工位驱动轴6传动相连，设置底座14方便了自转驱动轴5的安装，同时保证了真空室10的结构强度，底座14与自转驱动轴5之间设置密封元件15，密封元件15可选择磁流体密封机构，避免泄露，提高真空室10的密封性。另外，在自转驱动轴5与公转驱动轴2之间可同样采用磁流体密封机构作为密封元件15，避免泄漏。

更具体地，公转组件还包括公转支架16，公转支架16与真空室10的外壁相连，公转驱动器1固定于公转支架16上，保证公转驱动器1的稳定性，公转驱动器1包括公转电机和与公转电机相连的公转减速机，公转驱动器1的输出端连接有公转驱动齿轮17，公转驱动轴2连接有公转中心齿轮18，公转驱动齿轮17与公转中心齿轮18相啮合，利用齿轮传动机构传递动力，结构紧凑，传动比可靠；在本发明的其他具体实施方式中，还可以选择链传动、带传动等传动机构实现动力的传递，提高装置的灵活适应性。

相应地，自转组件还包括自转支架19，自转支架19与真空室10的外壁相连，自转驱动器4固定于自转支架19上，提高自转驱动器4的工位稳定性，自转驱动器4包括自转电机和与自转电机相连的自转减速机，自转驱动器4的输出端连接有自转驱动齿轮20，自转驱动轴5连接有第一自转中心齿轮21和第二自转中心齿轮22，自转驱动齿轮20与第一自转中心齿轮21相啮合，自转驱动器4利用自转驱动齿轮20和第一自转中心齿轮21带动自转驱动轴5转动；工位组件还包括工位齿轮23，工位齿轮23与工位驱动轴6相连，工位齿轮23与第二自转中心齿轮22相啮合，自转驱动轴5利用第二自转中心齿轮22和工位齿轮23带动工位驱动轴6转动，工位驱动轴6利用万向联轴器12带动工位旋转轴7转动，进而带动夹具8和叶片9自转。

进一步地，本发明的涂层制备装置，还包括导气组件，导气组件包括进气管24和输气管25，公转驱动轴2以及工位旋转轴7均为中空结构，进气管24能够与外部气源相连通，外部气源能够向进气管24输送保护气体，保护气体可选择惰性气体(氩气等)，进气管24与公转驱动轴2的内腔相连通，公转驱动轴2的内腔利用输气管25与工位旋转轴7的内腔相连通，夹具8具有出气孔，出气孔能够与叶片9的气膜孔相连通，保护气体在气膜孔内以及气膜孔口形成一股从内至外的气流，阻碍气相粒子沉积在气膜孔以及气膜孔内壁，从而降低了气膜孔的缩孔率，进一步提高了叶片9涂层制备质量。

现有技术中，多采用堵孔(涂层前，用塞子堵住气膜孔，涂层后再取下塞子)的方式保持气膜孔，但这种方法存在明显缺点：气膜孔塞子在PS-PVD工艺下容易脱落或者粘连。因PS-PVD工艺需要在真空下将工件加热到800～1050℃，且工件一直在旋转中受到喷枪焰流的冲击，所以塞子容易脱落或者粘连到到叶片上；而且在安装和卸取气膜孔塞子过程中，容易损伤叶片及其涂层，特别是陶瓷涂层脆性大，取气膜孔塞子时很容易发生崩落，影响了涂层质量。本发明利用导气组件向气膜孔输送保护气体，有效降低了气膜孔的缩孔率。需要解释说明的是，保护气体由气膜孔进入真空室10，实际应用中，可通过调节保护气体的输送速率使得真空室10保持一定的真空度，亦或使真空室10与抽真空设备相连通，以保证装置整体的正常工作。

需要说明的是，输气管25与工位旋转轴7一一对应，当设置多组工位组件时，为了方便公转驱动轴2与多个输气管25相连通，公转盘3连接有储气罩26，储气罩26与公转盘3围成储气腔体27，公转驱动轴2的内腔以及输气管25均与储气腔体27相连通，确保保护气体的顺利流通。

为了方便进气管24与外部气源相连通，同时进气管24影响公转驱动轴2正常转动，公转驱动轴2与进气管24之间设置气滑环28，提高了装置的工作可靠性。

下面通过具体的实施例，对本发明的涂层制备装置，进行进一步的解释说明。

实施例一

以图5所示的叶片9为例，气膜孔的缩孔率标准要求不高于20％。采用PS-PVD常规工艺，部分气膜孔的实际缩孔率≥30％，超过标准要求。

叶片9为曲面结构，虽然PS-PVD工艺非视线沉积性能较好，但制备双联导叶时，不同区域涂层厚度差距仍较明显。

如图5所示，为双联导叶的典型截面，上部叶背侧(区域A)厚度大，下部叶片9叶盆侧(区域B)厚度较大，而遮挡区(喉部，上部叶片9叶盆侧与下部叶片9叶背侧相互遮挡的区域，下图区域C)厚度薄。

PS-PVD常规工艺典型厚度分布如表1所示(说明：表1中数值为各区域实际厚度与标准厚度的比值)：

表1PS-PVD常规工艺双联叶片厚度对比

采用本发明的涂层制备装置对叶片9涂层进行制备时，叶片9自转可采用非匀速旋转方式。各区域旋转至正对喷枪11(此时该区域涂层沉积速率最高)时，分别采用不同转速。涂层较薄区域正对喷枪11时，采用较低转速，延长该区域处于高沉积速率区的时间，以提高该区域的涂层厚度；涂层较厚区域正对喷枪11时，采用较高转速，缩短该区域处于高沉积速率区的时间，以降低该区域的涂层厚度。转速采用无级调节，各区域涂层厚度。

通过调节转速，提高较薄区域的涂层厚度，降低较厚区域的涂层，从而提高了叶片9涂层的均匀性。采用本发明的涂层制备装置制备的涂层厚度均匀性的效果，如下表2所示。

表2某型叶片PS-PVD涂层厚度均匀性提高效果表

因转速影响叶片9基材温度和涂层组织，因此调节幅度不能过大，以基准转速±30％范围内调节为宜。

同时，利用本发明的导气组件，向叶片9的气膜孔输送保护气体，降低气膜孔的缩孔率。保护气体流量的大小由叶片9数量、气膜孔径及气膜孔数量、气膜孔缩孔率要求具体确定。由于使用气体为氩气等惰性气体，不会残留在涂层或污染涂层。

采用导气组件降低叶片9气膜孔缩孔率的效果图如下表3所示。

表3某型叶片气膜孔缩孔率降低效果表

由此可见，本发明的涂层制备装置，采用双轴旋转结构，分别实现公转盘3的公转和叶片9的自转，且公转和自转的运动相互独立，可自由调节两者转速，使公会钻和自转均处于最佳转速状态。自转采用变转速无级控制，通过降低或提高叶片9各区域针对喷枪11时的转速，以提高或降低该区域的涂层厚度，从而有针对性地提高涂层厚度均匀性。与此同时，利用导气组件将保护气体引入叶片9的内腔，保护气体在气膜孔内以及气膜孔口形成一股从内至外的气流，阻碍气相粒子沉积在气膜孔以及气膜孔内壁，从而有效降低气膜孔的缩孔率，进而提高叶片9涂层制备质量。

名词解释：

气膜孔：位于航空发动机和燃气轮机的涡轮叶片和导向叶片上，叶片内腔的冷却空气，通过气膜孔流出覆盖到叶片表面，以降低叶片表面的温度，提高叶片耐温能力。通常气膜孔直径在0.2mm～1mm之间。

等离子喷涂：一种涂层制备方式，以等离子电弧作为热源，将待喷涂材料(陶瓷、金属等)等加热后高速喷向经过预处理的工件表面，在工件表面形成表面涂层的工艺技术。

PS-PVD：即等离子物理气相沉积技术(Plasma Spray-PhysicalVaporDeposition,简称PS-PVD)，是在低压等离子喷涂(Low Pressure Plasma Spray，LPPS)技术上发展起来一种的热障涂层制备技术。传统的大气或低压等离子喷涂技术真空工作室压力大约为5000Pa～8000Pa，而PS-PVD技术真空室压力只有5Pa～200Pa，而且大功率等离子喷枪的配备使得等离子射流急剧膨胀，长度可以达到约2000mm，直径约为200mm～400mm，形成的超音速等离子射流温度可以超过6000K。因此，粉末注入等离子射流中可以被熔化甚至被气化。由于等离子射流具有较大尺寸和较高的速度，它可以流过几何形状复杂的工件表面，甚至到达工件阴影区域，因此PS-PVD技术可以实现非视线区域的沉积。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。