物理氣相沉積制備葉片熱障涂層的控制系統(tǒng)與工藝方法

賈歡，楊振輝

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的心臟，被譽(yù)為“工業(yè)之花”，它是一個(gè)國(guó)家裝備軍事水平、科技工業(yè)實(shí)力和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的因素，主要包括：排氣溫度過(guò)高、低循環(huán)疲勞導(dǎo)致壽命限制部件損壞、以及發(fā)動(dòng)機(jī)加速緩慢等。葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，在復(fù)雜的循環(huán)熱載荷和機(jī)械載荷下會(huì)表現(xiàn)出的疲勞失效現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。熱障涂層技術(shù)的應(yīng)用，能夠避免葉片等航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端關(guān)鍵部件與高溫燃?xì)庵苯咏佑|，為發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件提供有效保護(hù)，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壽命。由于其優(yōu)良性能，熱障涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展中獲得了廣泛應(yīng)用。其中，涂層的制備方法和工藝研究更是國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)關(guān)注的焦點(diǎn)。電子束物理氣相沉積（EB-PVD）技術(shù)作為熱障涂層常用的制備技術(shù)，歷來(lái)備受關(guān)注。但由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是一類典型的自由曲面零件，具有形狀復(fù)雜、尺寸跨度大等特點(diǎn)，在使用通常EBPVD技術(shù)制備熱障涂層時(shí)，存在明顯的“陰影”效應(yīng)。本文提出一種新的電子束物理氣相沉積涂層工藝方法，能有效降低由型面復(fù)雜而帶來(lái)的“陰影”效應(yīng)影響，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用驗(yàn)證，有效提高了熱障涂層質(zhì)量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本文提出一種電子束物理氣相沉積技術(shù)制備熱障涂層的控制系統(tǒng)與工藝方法。

2 控制系統(tǒng)的技術(shù)方案

本文提出的技術(shù)方案為：一種電子束物理氣相沉積技術(shù)制備熱障涂層的控制系統(tǒng)與工藝方法，是在通用EB-PVD設(shè)備基礎(chǔ)上，增加外部控制系統(tǒng)來(lái)控制基體工件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)葉片等基體工件的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行速度和位置控制，使工件在涂層易形成區(qū)域快速通過(guò)，在涂層的不易積聚區(qū)域降低旋轉(zhuǎn)速度，甚至實(shí)現(xiàn)工件在某一特定區(qū)域內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使沉積形成的涂層更加均勻，有效降低“陰影”效應(yīng)所造成的影響。工藝方法是通用EB-PVD設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電子束及物理沉積工藝進(jìn)行控制，基本工藝包括：調(diào)制生成電子束，蒸發(fā)、電離、或?yàn)R射靶材，汽化靶材原子、分子或離子在基體上沉積。具體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

葉片基體工件運(yùn)動(dòng)控制方式由自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)基體工件旋轉(zhuǎn)軸的速度、位置控制，與物理氣象沉積工藝動(dòng)作配合使用，達(dá)到理想的涂層分布。

基體工件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)等組成。本控制系統(tǒng)所選用的硬件器件均滿足工業(yè)控制使用要求，對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理具有較高的安全性，并且具備較強(qiáng)的防塵、防潮、抗干擾性能。

基體工件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件使用NI公司的LabVIEW編程軟件自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。自行編制的系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基體工件旋轉(zhuǎn)軸的速度、位置控制，可以調(diào)整基體工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，使得到的涂層更加均勻，能夠有效降低“陰影”效應(yīng)所造成的影響?；w工件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件還具有系統(tǒng)上/下電控制、伺服上/下電控制等功能，能夠以文本、儀表盤及圖形顯示工件角度位置信息等，并且具有分段調(diào)速功能?；w工件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件與物理氣相沉積工藝控制系統(tǒng)通過(guò)I/O接口進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)急?？刂啤⒃O(shè)備狀態(tài)等信息的交互。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，本發(fā)明電子束物理氣相沉積設(shè)備的電氣控制主要由兩個(gè)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成。其一為工藝控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)設(shè)備EB-PVD工藝動(dòng)作控制與工藝參數(shù)設(shè)置，具體包括：基體工件預(yù)熱處理，真空室工作環(huán)境準(zhǔn)備，電子束生成與調(diào)制，靶材轟擊工藝參數(shù)設(shè)置，真空室溫度控制等。另一控制系統(tǒng)為工件軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)涂層制備過(guò)程中基體工件的旋轉(zhuǎn)速度與位置控制，即根據(jù)葉片熱障涂層制備工藝要求，對(duì)基體工件的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分區(qū)間速度或位置控制，以滿足工藝技術(shù)要求。其設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖請(qǐng)參閱圖1，工藝控制系統(tǒng)一方面激發(fā)生成電子束，并對(duì)電子束大小、能量、聚焦位置進(jìn)行調(diào)制，受控的轟擊靶材，汽化靶材材料；另一方面為制備涂層做工藝準(zhǔn)備，如葉片預(yù)熱，抽真空等。工件軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)基體工件的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行速度和位置控制，控制汽化的靶材粒子在葉片基體的某一區(qū)域內(nèi)凝固，從而得到理想的葉片熱障涂層分布。

本文中電子束物理氣相沉積設(shè)備的基體工件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要硬件為研華品牌的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡、日本三菱公司生產(chǎn)的的伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，所有器件均滿足工業(yè)控制使用要求。工控機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理具有較高的安全性，并且具備較強(qiáng)的防塵、防潮、抗干擾性能。運(yùn)動(dòng)控制卡基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的控制，并具有S型/T型加、直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)、多軸聯(lián)動(dòng)函數(shù)等功能。伺服驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)通過(guò)位置、速度和力矩三種方式工作，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。

該電子束物理氣相沉積設(shè)備的基體工件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件使用NI公司的LabVIEW編程軟件開(kāi)發(fā)編寫。LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言，采用數(shù)據(jù)流編程方式。已廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW編程軟件充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出更強(qiáng)功能的應(yīng)用。

3 該技術(shù)的具體實(shí)施方法

本電子束物理氣相沉積設(shè)備的基體工件水平旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的操作界面中包含系統(tǒng)電源和伺服電源的上電、下電操作，工件旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)、停止操作，可以實(shí)現(xiàn)工件軸定向連續(xù)運(yùn)動(dòng)和區(qū)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且具有分段調(diào)速功能。該操作界面能夠以文本、儀表盤以及圖形等多種形式顯示工件的即時(shí)速度與位置，具有功能實(shí)用、界面簡(jiǎn)潔、易于操作、顯示豐富等特點(diǎn)，便于操作者掌握和使用。該系統(tǒng)還具有自保護(hù)功能，對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的非法操作進(jìn)行功能禁止，可有效防止操作者因誤操作而引發(fā)的事故。

設(shè)備在工作之前，系統(tǒng)需要先執(zhí)行回零操作。只有當(dāng)設(shè)備執(zhí)行完回零操作之后，才能正確確定工件的位置，從而保證工件的分段調(diào)速準(zhǔn)確性。本設(shè)備基體工件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件執(zhí)行回零操作的流程如圖2所示。在操作界面下，首先順序執(zhí)行電源上電和伺服上電操作，然后選擇運(yùn)動(dòng)方向并激活手動(dòng)操作模式，手動(dòng)執(zhí)行回零操作。當(dāng)運(yùn)行到零位置時(shí)，執(zhí)行位置復(fù)位操作，系統(tǒng)設(shè)定零位置完成。

圖2 工件軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)回零操作流程圖

圖3和圖4分別為本發(fā)明基體工件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件執(zhí)行上電運(yùn)行和下電退出的操作流程。在上電過(guò)程中，首先要依次執(zhí)行電源上電和伺服上電，然后根據(jù)工藝需求來(lái)設(shè)置操作方式（系統(tǒng)默認(rèn)為自動(dòng)方式）。在自動(dòng)方式下，必須先執(zhí)行回零操作?；亓阃瓿珊?，設(shè)置運(yùn)動(dòng)模式。如果設(shè)定為連續(xù)運(yùn)動(dòng)，則需要設(shè)定運(yùn)動(dòng)方向；如果設(shè)置往復(fù)運(yùn)動(dòng)，需要給定區(qū)間范圍。在設(shè)定好運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)后，設(shè)定分段區(qū)間及調(diào)速參數(shù)。系統(tǒng)默認(rèn)情況下，按一定速度勻速運(yùn)行。設(shè)定好參數(shù)后，按“啟動(dòng)”鍵，基體工件將按設(shè)定參數(shù)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。如需手動(dòng)操作，點(diǎn)擊界面中“手動(dòng)”按鈕，如果指示燈亮表明手動(dòng)方式激活，可執(zhí)行手動(dòng)操作。在下電過(guò)程中，首先按“停止”按鈕，停止運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。依次執(zhí)行伺服下電、電源下電，再點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”按鈕退出系統(tǒng)。

該電子束物理氣相沉積設(shè)備制備的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱障涂層經(jīng)過(guò)完備的涂層評(píng)估實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行評(píng)估，該實(shí)驗(yàn)室利用摩擦損傷試驗(yàn)機(jī)、鹽霧試驗(yàn)箱、電化學(xué)工作站、粗糙度儀、燃流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、金相顯微鏡、顯微硬度儀、噴碳鍍膜儀、高溫抗氧化試驗(yàn)機(jī)、金相制樣系統(tǒng)、熱鹽腐蝕試驗(yàn)機(jī)、熱循環(huán)試驗(yàn)機(jī)等檢驗(yàn)設(shè)備，對(duì)涂層的結(jié)構(gòu)特性特征、涂層的力學(xué)性能特征、涂層的結(jié)合強(qiáng)度、涂層的彈性模量、涂層的斷裂韌性、涂層的抗氧化和抗熱腐蝕性能、涂層的抗磨蝕和抗外來(lái)物損傷性能、涂層的熱性能等進(jìn)行綜合評(píng)估，以證實(shí)本發(fā)明制備的葉片熱障涂層可有效提高復(fù)雜型面上涂層的均勻度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的表面光潔度與耐熱性能，延長(zhǎng)葉片的工作壽命。

圖3 工件軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上電操作流程圖

圖4 工件軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)下電操作流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)備屬于航空裝備制造領(lǐng)域，是一種電子束物理氣相沉積技術(shù)制備熱障涂層的控制系統(tǒng)與工藝方法，適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等具有復(fù)雜型面熱端部件的熱障涂層制備，其優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：

（1）本設(shè)備是一種新的電子束物理氣相沉積涂層工藝方法，能有效降低由型面復(fù)雜而帶來(lái)的“陰影”效應(yīng)影響，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用驗(yàn)證可有效提高了熱障涂層質(zhì)量。

（2）本設(shè)備的基體工件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件具有自保護(hù)功能，對(duì)于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不允許的操作進(jìn)行功能禁止，有效防止操作者由于誤操作而引發(fā)操作事故。

（3）本設(shè)備的基體工件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件具有手動(dòng)/自動(dòng)控制方式，連續(xù)/往復(fù)運(yùn)動(dòng)模式，以及分段調(diào)速等功能，能有效、便捷地設(shè)置涂層制備工藝參數(shù)，便于操作者掌握和使用。