物理气相沉积制备叶片热障涂层的控制系统与工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航空装备制造领域，具体地说是一种电子束物理气相沉积技术制备热障涂层的控制系统与工艺方法，适用于对航空发动机叶片等具有复杂型面热端部件的热障涂层制备。
【背景技术】
[0002]航空发动机作为飞机的心脏，航空发动机普遍表现在发动机寿命较短。影响发动机寿命的因素有很多，主要包括:排气温度过高、低循环疲劳导致寿命限制部件损坏、以及发动机加速缓慢等。叶片作为航空发动机的关键部件，在复杂的循环热载荷和机械载荷下会表现出的疲劳失效现象，将严重影响发动机的寿命。热障涂层技术的应用，能够避免叶片等航空发动机热端关键部件与高温燃气直接接触，为发动机热端部件提供有效保护，延长发动机的工作寿命。由于其优良性能，热障涂层在航空发动机技术发展中获得了广泛应用。其中，涂层的制备方法和工艺研究更是国内外航空发动机技术关注的焦点。电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术作为热障涂层常用的制备技术，历来备受关注。但由于航空发动机叶片是一类典型的自由曲面零件，具有形状复杂、尺寸跨度大等特点，在使用通常EB-PVD技术制备热障涂层时，存在明显的“阴影”效应。本发明提出一种新的电子束物理气相沉积涂层工艺方法，能有效降低由型面复杂而带来的“阴影”效应影响，在实际生产过程中应用验证，有效提高了热障涂层质量。
【发明内容】
[0003]为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种电子束物理气相沉积技术制备热障涂层的控制系统与工艺方法。
[0004]本发明的技术方案为:物理气相沉积制备叶片热障涂层的控制系统，包括顺序连接的工艺控制系统、高压电子束发生器、高压电子束，以及与工艺控制系统顺序连接的工艺动作控制器、工艺动作执行机构，还包括与高压电子束所作用的涂层靶材，用于在基体工件上生成涂层；所述工艺控制系统还连有工件轴控制装置，所述工件轴控制装置与基体工件连接，用于控制基体工件的旋转。
[0005]所述工件轴控制装置包括顺序连接的工件轴运动控制系统、工件轴运动控制器和工件轴运动执行机构；所述工件轴运动控制系统与工艺控制系统连接，所述工件轴运动执行机构与基体工件连接。
[0006]所述工件轴运动执行机构包括电机驱动器和电机；电机驱动器与工件轴运动控制器连接，电机通过联轴器与基体工件的夹具连接。
[0007]所述工件轴运动控制系统采用工控机。
[0008]物理气相沉积制备叶片热障涂层的工艺方法，包括以下步骤:
[0009]工艺控制系统通过工艺动作控制器控制工艺动作执行机构，使基体工件位于加工位置，如预处理室或涂层制备真空室；
[0010]在涂层制备过程中，工艺控制系统控制高压电子束发生器激发生成电子束轰击靶材，同时工件轴控制装置的工件轴运动控制系统控制基体工件旋转；
[0011]电子束轰击靶材时汽化靶材材料，汽化的靶材粒子在基体工件的表面内凝固，得到设定区域内的基体工件热障涂层。
[0012]所述工件轴控制装置的工件轴运动控制系统控制基体工件旋转包括以下步骤:1)工件轴运动控制系统控制工件轴运动控制系统进行回零操作；
[0013]2)然后通过工件轴运动控制系统选择连续运动还是往复运动；如果是连续运动，则设定电机正转或反转；如果是往复运动，则控制电机到达设定的起止点；
[0014]3)选择是否分段调速；如果是，则设定分段信息并控制电机旋转；否则清空分段信息，设定电机转速并控制电机旋转。
[0015]所述回零操作具体为:通过工件轴运动控制系统设定电机转速和方向，控制电机选择至设定的零位置。
[0016]所述设定分段信息包括设定电机的多个角度位置，以及每相邻的两个角度之间的电机转速。
[0017]物理气相沉积制备叶片热障涂层的工艺方法还包括手动方式:通过工件轴运动控制系统设定电机转速和方向，电机驱动器控制电机运转。
[0018]本发明的优点及有益效果是:
[0019]1、本发明是一种新的电子束物理气相沉积涂层工艺方法，能有效降低由型面复杂而带来的“阴影”效应影响，在实际生产过程中应用验证，有效提高了热障涂层质量。
[0020]2、本发明的基体工件运动控制系统具有手动/自动控制方式，连续/往复运动模式，以及分段调速等功能，能有效、便捷的设置涂层制备工艺参数，便于操作者掌握和使用。
【附图说明】
[0021]图1为本发明的电子束物理气相沉积设备控制系统结构图；
[0022]图2为本发明工件轴运动控制系统回零操作流程图；
[0023]图3为本发明工件轴运动控制系统上电操作流程图；
[0024]图4为本发明工件轴运动控制系统下电操作流程图；
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0026]一种电子束物理气相沉积技术制备热障涂层的控制系统与工艺方法，是在通用EB-PVD设备基础上，增加外部控制系统来控制基体工件的运动状态，也就是说通过对叶片等基体工件的旋转轴进行速度和位置控制，使得工件在涂层易形成区域快速通过，而在涂层你不易积聚区域降低旋转速度，甚至可以实现工件在某一特定区域内往复运动，从而使得沉积形成的涂层更加均匀，有效降低“阴影”效应所造成的影响。工艺方法是通用EB-PVD设备控制系统实现对高压电子束及物理沉积工艺进行控制，即控制实现基本工艺步骤，包括:调制生成电子束，蒸发、电离、或溅射靶材，汽化靶材原子、分子或离子在基体上沉积。
[0027]叶片基体工件运动控制方式由自行开发设计的运动控制系统来实现。该系统可以实现对基体工件旋转轴的速度、位置控制，与物理气象沉积工艺动作配合使用，从而达到理想的涂层分布。
[0028]基体工件运动控制系统硬件部分由工业控制计算机、工业运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机等组成。本控制系统所选用的硬件器件均满足工业控制使用要求，对数据的存储、处理具有较高的安全性，并且具备较强的防尘、防潮、抗干扰性能等特点。
[0029]基体工件运动控制系统软件使用NI公司的LabVIEW编程软件自行开发设计。自行编制的系统软件能够实现对基体工件旋转轴的速度、位置控制，可以调整基体工件的旋转运动控制参数，使得到的涂层更加均匀，能够有效降低“阴影”效应所造成的影响。基体工件运动控制系统软件还具有系统上/下电控制、伺服上/下电控制等功能，能够以文本、仪表盘及图形显示工件角度位置信息等，并且具有分段调速功能。基体工件运动控制系统软件与物理气相沉积工艺控制系统通过I/o接口进行连接，可以实现系统急停控制、设备状态等信息的交互。
[0030]如图1所示，本发明电子束物理气相沉积设备的电气控制主要由两个控制系统协调完成。其一为工艺控制系统，主要负责设备EB-PVD工艺动作控制与工艺参数设置，具体包括:基体工件预热处理，真空室工作环境准备，电子束生成与调制，靶材轰击工艺参数设置，真空室温度控制等。另一控制系统为工件轴运动控制系统，主要负责涂层制备过程中基体工件的旋转速度与位置控制，即根据叶片热障涂层制备工艺要求，对基体工件的运动进行分区间速度或位置控制，以满足工艺技术要求。其设备控制系统结构图请参阅图1，工艺控制系统一方面激发生成电子束，并对电子束大小、能量、聚焦位置进行调制，受控的轰击靶材，汽化靶材材料；另一方面为制备涂层做工艺准备，如叶片预热，抽真空等。