物理氣相沉積制備葉片熱障涂層的控制系統與工藝方法

賈歡，楊振輝

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

航空發動機作為飛機的心臟，被譽為“工業之花”，它是一個國家裝備軍事水平、科技工業實力和綜合國力的重要標志。影響發動機壽命的因素，主要包括：排氣溫度過高、低循環疲勞導致壽命限制部件損壞、以及發動機加速緩慢等。葉片作為航空發動機的關鍵部件，在復雜的循環熱載荷和機械載荷下會表現出的疲勞失效現象，將嚴重影響發動機的壽命。熱障涂層技術的應用，能夠避免葉片等航空發動機熱端關鍵部件與高溫燃氣直接接觸，為發動機熱端部件提供有效保護，延長發動機的工作壽命。由于其優良性能，熱障涂層在航空發動機技術發展中獲得了廣泛應用。其中，涂層的制備方法和工藝研究更是國內外航空發動機技術關注的焦點。電子束物理氣相沉積（EB-PVD）技術作為熱障涂層常用的制備技術，歷來備受關注。但由于航空發動機葉片是一類典型的自由曲面零件，具有形狀復雜、尺寸跨度大等特點，在使用通常EBPVD技術制備熱障涂層時，存在明顯的“陰影”效應。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雜而帶來的“陰影”效應影響，在實際生產過程中應用驗證，有效提高了熱障涂層質量。

為實現上述目的，本文提出一種電子束物理氣相沉積技術制備熱障涂層的控制系統與工藝方法。

2 控制系統的技術方案

本文提出的技術方案為：一種電子束物理氣相沉積技術制備熱障涂層的控制系統與工藝方法，是在通用EB-PVD設備基礎上，增加外部控制系統來控制基體工件的運動狀態，通過對葉片等基體工件的旋轉軸進行速度和位置控制，使工件在涂層易形成區域快速通過，在涂層的不易積聚區域降低旋轉速度，甚至實現工件在某一特定區域內往復運動，使沉積形成的涂層更加均勻，有效降低“陰影”效應所造成的影響。工藝方法是通用EB-PVD設備控制系統實現對高壓電子束及物理沉積工藝進行控制，基本工藝包括：調制生成電子束，蒸發、電離、或濺射靶材，汽化靶材原子、分子或離子在基體上沉積。具體控制系統結構圖如圖1所示。

葉片基體工件運動控制方式由自行開發設計的運動控制系統來實現。該系統可實現對基體工件旋轉軸的速度、位置控制，與物理氣象沉積工藝動作配合使用，達到理想的涂層分布。

基體工件運動控制系統硬件部分由工業控制計算機、工業運動控制卡、伺服驅動器、伺服電機等組成。本控制系統所選用的硬件器件均滿足工業控制使用要求，對數據的存儲、處理具有較高的安全性，并且具備較強的防塵、防潮、抗干擾性能。

基體工件運動控制系統軟件使用NI公司的LabVIEW編程軟件自行開發設計。自行編制的系統軟件能夠實現對基體工件旋轉軸的速度、位置控制，可以調整基體工件的旋轉運動控制參數，使得到的涂層更加均勻，能夠有效降低“陰影”效應所造成的影響?；w工件運動控制系統軟件還具有系統上/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，并且具有分段調速功能?；w工件運動控制系統軟件與物理氣相沉積工藝控制系統通過I/O接口進行連接，可以實現系統急?？刂?、設備狀態等信息的交互。

圖1 控制系統結構圖

如圖1所示，本發明電子束物理氣相沉積設備的電氣控制主要由兩個控制系統協調完成。其一為工藝控制系統，主要負責設備EB-PVD工藝動作控制與工藝參數設置，具體包括：基體工件預熱處理，真空室工作環境準備，電子束生成與調制，靶材轟擊工藝參數設置，真空室溫度控制等。另一控制系統為工件軸運動控制系統，主要負責涂層制備過程中基體工件的旋轉速度與位置控制，即根據葉片熱障涂層制備工藝要求，對基體工件的運動進行分區間速度或位置控制，以滿足工藝技術要求。其設備控制系統結構圖請參閱圖1，工藝控制系統一方面激發生成電子束，并對電子束大小、能量、聚焦位置進行調制，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備，如葉片預熱，抽真空等。工件軸運動控制系統對基體工件的旋轉進行速度和位置控制，控制汽化的靶材粒子在葉片基體的某一區域內凝固，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備的基體工件運動控制系統主要硬件為研華品牌的工業控制計算機和工業運動控制卡、日本三菱公司生產的的伺服驅動器和伺服電機，所有器件均滿足工業控制使用要求。工控機對數據的存儲、處理具有較高的安全性，并且具備較強的防塵、防潮、抗干擾性能。運動控制卡基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規?？删幊唐骷崿F伺服電機的控制，并具有S型/T型加、直線插補和圓弧插補、多軸聯動函數等功能。伺服驅動和伺服電機通過位置、速度和力矩三種方式工作，實現高精度的傳動系統定位。

該電子束物理氣相沉積設備的基體工件運動控制系統軟件使用NI公司的LabVIEW編程軟件開發編寫。LabVIEW是一種程序開發環境，使用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，采用數據流編程方式。已廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW編程軟件充分發揮計算機的能力，具有強大的數據處理功能，可以創造出更強功能的應用。

3 該技術的具體實施方法

本電子束物理氣相沉積設備的基體工件水平旋轉軸運動控制系統軟件的操作界面中包含系統電源和伺服電源的上電、下電操作，工件旋轉軸的運動啟動、停止操作，可以實現工件軸定向連續運動和區間往復運動，并且具有分段調速功能。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速度與位置，具有功能實用、界面簡潔、易于操作、顯示豐富等特點，便于操作者掌握和使用。該系統還具有自保護功能，對運動過程中的非法操作進行功能禁止，可有效防止操作者因誤操作而引發的事故。

設備在工作之前，系統需要先執行回零操作。只有當設備執行完回零操作之后，才能正確確定工件的位置，從而保證工件的分段調速準確性。本設備基體工件運動控制系統軟件執行回零操作的流程如圖2所示。在操作界面下，首先順序執行電源上電和伺服上電操作，然后選擇運動方向并激活手動操作模式，手動執行回零操作。當運行到零位置時，執行位置復位操作，系統設定零位置完成。

圖2 工件軸運動控制系統回零操作流程圖

圖3和圖4分別為本發明基體工件運動控制系統軟件執行上電運行和下電退出的操作流程。在上電過程中，首先要依次執行電源上電和伺服上電，然后根據工藝需求來設置操作方式（系統默認為自動方式）。在自動方式下，必須先執行回零操作。回零完成后，設置運動模式。如果設定為連續運動，則需要設定運動方向；如果設置往復運動，需要給定區間范圍。在設定好運動控制參數后，設定分段區間及調速參數。系統默認情況下，按一定速度勻速運行。設定好參數后，按“啟動”鍵，基體工件將按設定參數開始運動。如需手動操作，點擊界面中“手動”按鈕，如果指示燈亮表明手動方式激活，可執行手動操作。在下電過程中，首先按“停止”按鈕，停止運動狀態。依次執行伺服下電、電源下電，再點擊“退出系統”按鈕退出系統。

該電子束物理氣相沉積設備制備的航空發動機葉片熱障涂層經過完備的涂層評估實驗室進行評估，該實驗室利用摩擦損傷試驗機、鹽霧試驗箱、電化學工作站、粗糙度儀、燃流在線監測系統、金相顯微鏡、顯微硬度儀、噴碳鍍膜儀、高溫抗氧化試驗機、金相制樣系統、熱鹽腐蝕試驗機、熱循環試驗機等檢驗設備，對涂層的結構特性特征、涂層的力學性能特征、涂層的結合強度、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物損傷性能、涂層的熱性能等進行綜合評估，以證實本發明制備的葉片熱障涂層可有效提高復雜型面上涂層的均勻度，改善發動機葉片的表面光潔度與耐熱性能，延長葉片的工作壽命。

圖3 工件軸運動控制系統上電操作流程圖

圖4 工件軸運動控制系統下電操作流程圖

4 結語

本設備屬于航空裝備制造領域，是一種電子束物理氣相沉積技術制備熱障涂層的控制系統與工藝方法，適用于航空發動機葉片等具有復雜型面熱端部件的熱障涂層制備，其優點及有益效果如下：

（1）本設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雜而帶來的“陰影”效應影響，在實際生產過程中應用驗證可有效提高了熱障涂層質量。

（2）本設備的基體工件運動控制系統軟件具有自保護功能，對于運動過程中不允許的操作進行功能禁止，有效防止操作者由于誤操作而引發操作事故。

（3）本設備的基體工件運動控制系統軟件具有手動/自動控制方式，連續/往復運動模式，以及分段調速等功能，能有效、便捷地設置涂層制備工藝參數，便于操作者掌握和使用。