CN114411087A - 一种涡轮导向叶片涂层制备工装及涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涡轮导向叶片涂层制备工装及涂层制备方法，以解决具有复杂结构型面和结构特征的涡轮导向叶片在进行涂层制备时难以形成均匀涂层的技术问题。该工装中上缘板涂层制备工装具有与上缘板的第一外表面和第一侧面相适配的第一容置槽；下缘板涂层制备工装具有与下缘板的第二外表面和第二侧面相适配的第二容置槽；叶身主体涂层制备工装包括与第一连接部相适配的第三容置槽和与第二连接部相适配的第四容置槽。该方法包括：1、通过石墨纸和封堵棒对非涂层区保护，进行涡轮导向叶片涂层制备工装的安装；2、安装好的工装进行涂层制备；3、取出带涂层的涡轮导向叶片的组件；4、带涂层的涡轮导向叶片的组装。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮导向叶片的涂层制备工装，具体涉及一种涡轮导向叶片涂层制备工装及涂层制备方法。
背景技术
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导向叶片设计要求的提高，这就需要涡轮导向叶片能够在高温、高压、高速气流冲刷的恶劣环境中长时间工作。
目前先进航空发动机的涡轮前燃气温度可高达2000K以上，远远高于高温合金的使用温度，即便采用世界公认具有潜力的陶瓷基复合材料作为高压涡轮导叶的主体材料，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。
通常在涡轮导向叶片结构设计时，除了采用导热、对流冲击、发散冷却等先进的冷却技术以外，在涡轮导向叶片表面制备一层环境屏障涂层也是一种有效保护其正常工作的重要手段。一方面可以适应航空发动机日益苛刻的服役环境，一方面能够避免恶劣环境对涡轮导向叶片的侵蚀和破坏，使基体材料性能不发生衰减。
然而涡轮导向叶片工作温度极高且具有复杂的曲面外形及特征，如图1所示为一种涡轮导向叶片组件，所述涡轮导向叶片组件包括上缘板01、下缘板02和叶身主体03，在所述上缘板01、下缘板02和叶身主体03上设置有多个气膜孔(图1中未显示)，所述叶身主体的设置有尾缘劈缝04，一般采用等离子喷涂、电子束物理气相沉积等实现涂层工艺制备涡轮导向叶片表面环境屏障涂层，但是涡轮导向叶片组件典型的结构特征和复杂的型面设计，使得制备涡轮导向叶片表面环境屏障涂层显得困难重重且难以实现涂层的均匀性。
发明内容
本发明目的在于解决具有复杂结构型面和结构特征的涡轮导向叶片在进行涂层制备时难以形成均匀涂层的技术问题，提出一种涡轮导向叶片涂层制备工装及涂层制备方法。
本发明的技术方案为：
一种涡轮导向叶片涂层制备工装，用于在涡轮导向叶片上制备涂层；所述涡轮导向叶片包括上缘板、下缘板和叶身主体；所述上缘板具有第一内表面、第一外表面和第一侧面，所述上缘板设置有多个贯穿第一内表面和第一外表面的上缘板气膜孔；所述第一内表面用于喷涂所述涂层；所述下缘板具有第二内表面、第二外表面和第二侧面，所述下缘板设置有多个贯穿第二内表面和第二外表面的下缘板气膜孔；所述第二内表面用于喷涂所述涂层；所述叶身主体包括主体部和连接部；所述主体部为中空的腔体，主体部包括外周面、内周面、第一端面和第二端面，所述主体部设置有多个贯穿外周面和内周面的主体部气膜孔，及沿连接部延伸方向贯穿主体部侧壁的尾缘劈缝；所述连接部包括与第一端面相接的第一连接部和与第二端面相接的第二连接部；所述主体部的外周面用于喷涂所述涂层，其特殊之处在于：
所述工装包括上缘板涂层制备工装、下缘板涂层制备工装和叶身主体涂层制备工装；
所述上缘板涂层制备工装具有第一容置槽；第一容置槽用于固定上缘板；所述第一容置槽与上缘板的第一外表面和第一侧面相适配，且上缘板的第一内表面暴露在第一容置槽开口处；
所述下缘板涂层制备工装具有第二容置槽；第二容置槽用于固定下缘板；所述第二容置槽与下缘板的第二外表面和第二侧面相适配，且下缘板的第二内表面暴露在第二容置槽开口处；
所述叶身主体涂层制备工装包括工装底座和设置在工装底座上方的连接顶帽；所述工装底座上端面设置有第三容置槽，第三容置槽与叶身主体的第一连接部相适配，用于固定所述第一连接部；所述连接顶帽具有用于与第二连接部相适配的第四容置槽，且与第二连接部固定连接。
进一步地，所述叶身主体涂层制备工装还包括设置在工装底座上部外侧的固定滑块和紧固环套，工装底座上部的外侧面设置有与固定滑块相适配的滑块卡槽，所述固定滑块卡进滑块卡槽并与所述叶身主体的第一连接部相抵接；所述紧固环套套设在工装底座上部外侧用于紧固固定滑块。
进一步地，所述工装底座的底端沿轴向设置有至少一个通气孔，所述通气孔与第三容置槽相通。
进一步地，所述上缘板涂层制备工装和下缘板涂层制备工装均设置有至少一个顶出孔。
进一步地，所述工装采用高纯细料石墨或电极石墨。
本发明还提供一种涡轮导向叶片涂层的制备方法，其特殊之处在于，基于上述的涡轮导向叶片涂层制备工装，具有以下步骤：
S1、涡轮导向叶片涂层制备工装的安装；
上缘板涂层制备工装的安装：沿第一容置槽四周均匀垫入石墨纸，将上缘板嵌入垫有石墨纸的第一容置槽中；采用封堵棒对上缘板气膜孔进行密封；
下缘板涂层制备工装的安装：沿第二容置槽四周均匀垫入石墨纸，将下缘板嵌入垫有石墨纸的第二容置槽中；采用封堵棒对下缘板气膜孔进行密封；
叶身主体涂层制备工装的安装：采用石墨纸对第一连接部和第一端面进行包裹，将包裹石墨纸的第一连接部插入工装底座的第三容置槽；采用石墨纸对第二连接部和第二端面进行包裹，将包裹石墨纸的第二连接部插入连接顶帽的第四容置槽并固定在第四容置槽内；采用叠层石墨纸对尾缘劈缝进行密封；采用封堵棒对主体部气膜孔进行密封；
S2、涡轮导向叶片涂层的制备；
将步骤1带有上缘板的上缘板涂层制备工装、带有下缘板的下缘板涂层制备工装及带有叶身主体的叶身主体涂层制备工装分别固定在转台上，进行厚度为300-500μm的涂层制备；
S3、取出带涂层的涡轮导向叶片组件；
去除上缘板、下缘板和叶身主体上的封堵棒和石墨纸，分别取出得到带涂层的上缘板、下缘板和叶身主体；
S4、带涂层的涡轮导向叶片的组装；
将步骤S3中带涂层的上缘板、下缘板和叶身主体进行组装，得到带涂层的涡轮导向叶片。
进一步地，步骤S1中，所述石墨纸铺设高度高出第一内表面、第二内表面及外周面边缘，且高度差为ΔH1，ΔH1≤1mm；
所述封堵棒材料为耐高温金属针或同涡轮导向叶片同种材质；所述封堵棒高出第一内表面、第二内表面、外周面，且高度差为ΔH2，ΔH2≤1.5mm；
所述叠层石墨纸对尾缘劈缝进行密封，采用的叠层石墨纸厚度为尾缘劈缝宽度的0.8～1.1倍，叠层石墨纸的宽度与尾缘劈缝宽度相同。
进一步地，步骤S1中，将包裹石墨纸的第一连接部插入工装底座的第三容置槽，将固定滑块卡进滑块卡槽并与所述第一连接部相抵接，再将紧固环套套设在工装底座外侧以紧固固定滑块；
所述第三容置槽侧壁与第一连接部之间的间隙为5～10mm，第四容置槽侧壁与第二连接部之间的间隙为5～10mm，所述间隙由包裹在第一连接部或第二连接部上的石墨纸填充。
进一步地，步骤S2中，在进行叶身主体涂层制备时，通过工装底座的底端通气孔抽气形成负压，用于缓解喷涂时焰流反射和火焰加工背伤。
进一步地，步骤S2中，所述涂层的制备可采用等离子喷涂或电子束物理气相沉积工艺中的一种或两种；
所述涂层为硅、莫来石、钡长石和稀土硅酸盐中的一种或多种；
所述涂层的层数为单层、双层或多层。
本发明的有益效果：
1、本发明采用分离式嵌套结构工装，将涡轮导向叶片拆分分成上缘板、下缘板和叶身主体并分别制备相适配的工装，实现了对复杂的结构型面制备均匀的涂层。
2、涡轮导向叶片涂层的制备方法通过特定的工装结构及对非涂层区域的保护，实现了复杂外形表面涂层的均匀性，同时避免了气膜孔这一独特的冷却结构特征在涂层制备时被破坏。
附图说明
图1为待涂层的涡轮导向叶片结构示意图(未示出气膜孔)；
图2为本发明实施例中上缘板涂层制备工装与上缘板的结构示意图(未示出气膜孔)；
图3为本发明实施例中下缘板涂层制备工装与下缘板的结构示意图(未示出气膜孔)；
图4为本发明实施例中叶身主体涂层制备工装与叶身主体配合的结构示意图；
图5为待涂层的涡轮导向叶片的叶身主体剖面图；
图6为本发明实施例中工装底座结构示意图；
图7为本发明实施例中叶身主体涂层制备工装与叶身主体的装配结构示意图。
附图标记如下：
01-上缘板，02-下缘板，03-叶身主体，04-尾缘劈缝；
1-上缘板涂层制备工装，101-第一容置槽，102-第一顶出孔，103-上缘板，2-下缘板涂层制备工装，201-第二容置槽，202-第二顶出孔，203-下缘板，3-叶身主体涂层制备工装，301-工装底座，302-连接顶帽，303-叶身主体，304-紧固环套，305-第三容置槽，306-主体部气膜孔，307-通气孔，308-滑块卡槽，309-固定销栓，310-固定滑块，311-尾缘劈缝。
具体实施方式
本实施例公开一种涡轮导向叶片涂层制备工装，以实现在涡轮导向叶片上制备均匀的环境屏障涂层；该涡轮导向叶片包括上缘板103、下缘板203和叶身主体303；上缘板103具有第一内表面、第一外表面和第一侧面，上缘板103设置有多个贯穿第一内表面和第一外表面的上缘板气膜孔；第一内表面用于喷涂涂层；下缘板203具有第二内表面、第二外表面和第二侧面，下缘板203设置有多个贯穿第二内表面和第二外表面的下缘板气膜孔；第二内表面用于喷涂涂层；叶身主体303包括主体部和连接部；主体部为中空的腔体，主体部包括外周面、内周面、第一端面和第二端面，主体部设置有多个贯穿外周面和内周面的主体部气膜孔306，及沿连接部延伸方向贯穿主体部侧壁的尾缘劈缝311；连接部包括与第一端面相接的第一连接部和与第二端面相接的第二连接部；主体部的外周面用于喷涂涂层。
待制备涂层的涡轮导向叶片的材质为陶瓷基复合材料，涡轮导向叶片可采用2D、2.5D复合材料纤维预制体方法制备，涡轮导向叶片由增强体和基体制备而成，其中，增强体可以是碳纤维或碳化硅纤维，也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、氮化硅和碳化硼的一种或多种。
参见图2-图7，本实施例采用分离式嵌套结构工装，该工装采用耐高温材料，如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导向叶片发生破坏；具体的，该工装包括上缘板涂层制备工装1、下缘板涂层制备工装2和叶身主体涂层制备工装3。
参见图2，上缘板涂层制备工装1具有第一容置槽101；第一容置槽101用于固定上缘板103；第一容置槽101与上缘板103的第一外表面和第一侧面相适配，且上缘板103的第一内表面暴露在第一容置槽101开口处；上缘板涂层制备工装1设置有两个第一顶出孔102，方便制备涂层后上缘板103的取出。
参见图3，下缘板涂层制备工装2具有第二容置槽201；第二容置槽201用于固定下缘板203；第二容置槽201与下缘板的第二外表面和第二侧面相适配，且下缘板203的第二内表面暴露在第二容置槽201开口处；下缘板涂层制备工装2设置有两个第二顶出孔202，方便制备涂层后下缘板203的取出。
参见图4-图7，叶身主体涂层制备工装3包括工装底座301和设置在工装底座301上方的连接顶帽302；工装底座301的上端面设置有第三容置槽305，第三容置槽305与第一连接部相适配，用于固定第一连接部；工装底座301的底端沿轴向设置有三个通气孔307，三个通气孔307均与第三容置槽305相通；叶身主体涂层制备工装3还包括设置在工装底座301上部外侧的固定滑块310和紧固环套304，固定滑块310具有与第一连接部相适配的曲面；工装底座301上部的外侧面设置有与固定滑块310相适配的滑块卡槽308，固定滑块310卡进滑块卡槽308并与第一连接部相抵接；紧固环套304套设在工装底座301上部外侧用于紧固固定滑块310。
连接顶帽302具有与第二连接部相适配的第四容置槽，连接顶帽302与第二连接部通过固定销栓309固定连接，具体的，第二连接部设置有连接部通孔，连接顶帽302设置有与连接部通孔相对应的顶帽通孔，固定销栓309穿过顶帽通孔和连接部通孔将连接顶帽302与第二连接部连接并固定。
涡轮导向叶片涂层的具体制备方法，包括以下步骤：
S1、涡轮导向叶片涂层制备工装的安装；
上缘板涂层制备工装1的安装：沿第一容置槽101四周均匀垫入石墨纸，将上缘板103嵌入垫有石墨纸的第一容置槽101中；采用封堵棒对上缘板气膜孔进行保护；
下缘板涂层制备工装2的安装：沿第二容置槽201四周均匀垫入石墨纸，将下缘板203嵌入垫有石墨纸的第二容置槽201中；采用封堵棒对下缘板气膜孔进行保护；
叶身主体涂层制备工装3的安装：采用石墨纸对第一连接部和第一端面进行包裹，将包裹石墨纸的第一连接部插入工装底座301的第三容置槽305，第三容置槽305侧壁与第一连接部之间的间隙为5～10mm，以便在与第一连接部相邻的外周面边缘处制备均匀的涂层，该间隙由包裹在第一连接部上的石墨纸填充；再将固定滑块310卡进滑块卡槽308并与第一连接部相抵接，最后将紧固环套304套设在工装底座301外侧以紧固固定滑块310。
采用石墨纸对第二连接部和第二端面进行包裹，将连接顶帽302的第四容置槽对应包裹石墨纸的第二连接部插入并使第二连接部固定在第四容置槽内；第四容置槽侧壁与第二连接部之间的间隙为5～10mm，以便在与第二连接部相邻的外周面边缘处制备均匀的涂层，该间隙由包裹在第二连接部上的石墨纸填充。
采用叠层石墨纸对尾缘劈缝311进行密封，具体的，采用的叠层石墨纸厚度为尾缘劈缝311宽度的0.8～1.1倍，叠层石墨纸的宽度与尾缘劈缝311宽度相同。
本实施例中在上缘板103、下缘板203及叶身主体303与工装之间设置石墨纸，以解决涂层制备工装与叶身材质不同时引发的热失配问题；石墨纸铺设高度高出第一内表面、第二内表面、外周面边缘，且高度差为ΔH1，ΔH1≤1mm，该高度差一方面可以有效避免因非完全镶嵌而导致的外露问题，另一方面可以防止石墨纸遮挡第一内表面、第二内表面、外周面边缘产生遮蔽效应；封堵棒材料为耐高温金属针或同涡轮导向叶片同种材质，且封堵棒高出第一内表面、第二内表面、外周面且高度差为ΔH2，ΔH2≤1.5mm，以防止在制备涂层时对第一内表面、第二内表面、外周面产生遮挡。
S2、涡轮导向叶片涂层的制备；
将步骤S1带有上缘板103的上缘板涂层制备工装1、带有下缘板203的下缘板涂层制备工装2及带有叶身主体303的叶身主体涂层制备工装3分别固定在可旋转的三爪转台上，进行厚度为300-500μm的涂层制备。
具体的，在进行叶身主体303涂层制备时，通过工装底座301的底端通气孔307抽气形成负压，以有效缓解喷涂时焰流反射和火焰加工背伤。
涂层的制备可采用等离子喷涂或电子束物理气相沉积中的一种或两种；涂层为硅、莫来石、钡长石和稀土硅酸盐中的一种或多种；涂层的层数可以单层、双层或多层。
以等离子喷涂为例，喷涂过程为：将待涂层工装经等离子焰流预热升温至300-500℃，开启喷涂装置，待等离子焰流稳定后，通过程序控制和工装联动完成涂层制备直至达到需要的300-500μm涂层厚度；具体工艺参数为：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％，载气为4-10slpm，喷涂距离为90-300mm，送粉速率为30-95g/min。按照上述方式进行涂层喷涂，直至制备出厚度为300-500μm的涂层。
S3、取出带涂层的涡轮导向叶片组件；
在涡轮导向叶片上缘板103和下缘板203涂层制备完毕后，采用镊子和刀片去除上缘板气膜孔和下缘板气膜孔上的封堵棒，及第一侧面和第二侧面的石墨纸，通过顶出孔顶出带有涂层的上缘板103和下缘板203。
在叶身主体303涂层制备完毕后，采用镊子和刀片去除主体部气膜孔306的封堵棒，及第一连接部、第二连接部和尾缘劈缝311处的石墨纸，随后去除连接顶帽302、固定销栓309、紧固环套304，取出两侧固定滑块310并取下带有涂层的涡轮导向叶片的叶身主体303。
S4、带涂层的涡轮导向叶片的组装；
将步骤S3中带涂层的上缘板103、下缘板203和叶身主体303进行组装，得到带涂层的涡轮导向叶片成品。
Claims (10)
1.一种涡轮导向叶片涂层制备工装，其特征在于：
包括上缘板涂层制备工装(1)、下缘板涂层制备工装(2)和叶身主体涂层制备工装(3)；
所述上缘板涂层制备工装(1)具有第一容置槽(101)；第一容置槽(101)用于固定上缘板(103)；所述第一容置槽(101)与上缘板(103)的第一外表面和第一侧面相适配，且上缘板(103)的第一内表面暴露在第一容置槽(101)开口处；
所述下缘板涂层制备工装(2)具有第二容置槽(201)；第二容置槽(201)用于固定下缘板(203)；所述第二容置槽(201)与下缘板(203)的第二外表面和第二侧面相适配，且下缘板(203)的第二内表面暴露在第二容置槽(201)开口处；
所述叶身主体涂层制备工装(3)包括工装底座(301)和设置在工装底座(301)上方的连接顶帽(302)；所述工装底座(301)上端面设置有第三容置槽(305)，第三容置槽(305)与叶身主体(303)的第一连接部相适配，用于固定所述第一连接部；所述连接顶帽(302)具有用于与叶身主体(303)的第二连接部相适配的第四容置槽，且与第二连接部固定连接。
2.根据权利要求1所述的涡轮导向叶片涂层制备工装，其特征在于：
所述叶身主体涂层制备工装(3)还包括设置在工装底座(301)上部外侧的固定滑块(310)和紧固环套(304)，工装底座(301)上部的外侧面设置有与固定滑块(310)相适配的滑块卡槽(308)，所述固定滑块(310)卡进滑块卡槽(308)并与叶身主体(303)的第一连接部相抵接；所述紧固环套(304)套设在工装底座(301)上部外侧用于紧固固定滑块(310)。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮导向叶片涂层制备工装，其特征在于：
所述工装底座(301)的底端沿轴向设置有至少一个通气孔(307)，所述通气孔(307)与第三容置槽(305)相通。
4.根据权利要求3所述的涡轮导向叶片涂层制备工装，其特征在于：
所述上缘板涂层制备工装(1)和下缘板涂层制备工装(2)均设置有至少一个顶出孔。
5.根据权利要求4所述的涡轮导向叶片涂层制备工装，其特征在于：
所述工装采用高纯细料石墨或电极石墨。
6.一种涡轮导向叶片涂层的制备方法，其特征在于，基于权利要求1-5所述的涡轮导向叶片涂层制备工装，包括以下步骤：
S1、涡轮导向叶片涂层制备工装的安装；
上缘板涂层制备工装(1)的安装：沿第一容置槽(101)四周均匀垫入石墨纸，将上缘板(103)嵌入垫有石墨纸的第一容置槽(101)中；采用封堵棒对上缘板气膜孔进行密封；
下缘板涂层制备工装(2)的安装：沿第二容置槽(201)四周均匀垫入石墨纸，将下缘板(203)嵌入垫有石墨纸的第二容置槽(201)中；采用封堵棒对下缘板气膜孔进行密封；
叶身主体涂层制备工装(3)的安装：采用石墨纸对第一连接部和第一端面进行包裹，将包裹石墨纸的第一连接部插入工装底座(301)的第三容置槽(305)；采用石墨纸对第二连接部和第二端面进行包裹，将连接顶帽(302)的第四容置槽对应包裹石墨纸的第二连接部插入并使第二连接部固定在第四容置槽内；采用叠层石墨纸对尾缘劈缝(311)进行密封；采用封堵棒对主体部气膜孔(306)进行密封；
S2、涡轮导向叶片涂层的制备；
将步骤1带有上缘板(103)的上缘板涂层制备工装(1)、带有下缘板(203)的下缘板涂层制备工装(2)及带有叶身主体(303)的叶身主体涂层制备工装(3)分别固定在转台上，进行厚度为300-500μm的涂层制备；
S3、取出带涂层的涡轮导向叶片组件；
去除上缘板(103)、下缘板(203)和叶身主体(303)上的封堵棒和石墨纸，得到带涂层的上缘板(103)、下缘板(203)和叶身主体(303)；
S4、带涂层的涡轮导向叶片的组装；
将步骤S3中带涂层的上缘板(103)、下缘板(203)和叶身主体(303)进行组装，得到带涂层的涡轮导向叶片。
7.根据权利要求6所述的涡轮导向叶片涂层的制备方法，其特征在于：
步骤S1中，所述石墨纸铺设高度高出第一内表面、第二内表面及外周面边缘，且高度差为ΔH1，ΔH1≤1mm；
所述封堵棒材料为耐高温金属针或同涡轮导向叶片同种材质；所述封堵棒高出第一内表面、第二内表面、外周面，且高度差为ΔH2，ΔH2≤1.5mm；
所述叠层石墨纸对尾缘劈缝(311)进行密封，采用的叠层石墨纸厚度为尾缘劈缝(311)宽度的0.8～1.1倍，叠层石墨纸的宽度与尾缘劈缝(311)宽度相同。
8.根据权利要求6或7所述的涡轮导向叶片涂层的制备方法，其特征在于：
步骤S1中，将包裹石墨纸的第一连接部插入工装底座(301)的第三容置槽(305)，将固定滑块(310)卡进滑块卡槽(308)并与所述第一连接部相抵接，再将紧固环套(304)套设在工装底座(301)外侧以紧固固定滑块(310)；
所述第三容置槽(305)侧壁与第一连接部之间的间隙为5～10mm，第四容置槽侧壁与第二连接部之间的间隙为5～10mm，所述间隙由包裹在第一连接部或第二连接部上的石墨纸填充。
9.根据权利要求8所述的涡轮导向叶片涂层的制备方法，其特征在于：
步骤S2中，在进行叶身主体(303)涂层制备时，通过工装底座(301)的底端通气孔(307)抽气形成负压，用于缓解喷涂时焰流反射和火焰加工背伤。
10.根据权利要求9所述的涡轮导向叶片涂层的制备方法，其特征在于：
步骤S2中，所述涂层的制备采用等离子喷涂或电子束物理气相沉积中的一种或两种；
所述涂层为硅、莫来石、钡长石和稀土硅酸盐中的一种或多种；
所述涂层的层数为单层、双层或多层。
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