用于镀膜操作的固定装置的制作方法

专利名称：用于镀膜操作的固定装置的制作方法
用于镀膜操作的固定装置发明领域本发明涉及用于物理气相沉积镀膜(coating)操作的固定装置以及 同时对多个工件如燃气涡轮压縮机转子桨片和定子叶片镀抗蚀材料 膜的方法。发明背景飞机、坦克和直升机的燃气涡轮发动机常常会在沙漠环境中运 作，在此环境下，燃气涡轮压缩机转子桨片和定子叶片暴露于如沙土 和灰尘等腐蚀性介质中。这些腐蚀作用导致增加的燃料消耗、动力损 失、更高的整机运作温度以及可能引起压縮机和涡轮部件的损坏。抗 蚀镀膜如通过用阴极电弧物理气相沉积方法获得的TiN、 TiCN、 TiZrN、 TiZrCN、 TiAlN以及TiAlCN可用于延长压缩机翼在沙尘腐蚀 环境中的使用寿命。请参看如美国第5,071,693号专利。物理气相沉积是一种视线镀膜(line of sight coating)方法。待镀膜 的基板需要在蒸气中操纵以达到均匀的覆盖。基板不镀膜的部分需要 完全掩罩住。涡轮压缩机翼具有向外延伸以抽取空气进入燃烧室的翼部件。与 翼部分相对的涡轮翼的部分用于将翼连接至发动机的转盘或转子部 分，该部分不处于空气流动中，因此不需要保护其不受腐蚀作用。此 涡轮翼的部分通常具有楔形榫头的形状，以便于组装到发动机的转盘或转子部上的楔形榫槽中。因此，此涡轮翼的部分即是通常所谓的楔 形榫头。涡轮翼的楔形榫头的壁与转盘或转子的楔形榫槽的壁接触。长时 间后或者高速旋转后，楔形榫头的壁会出现疲劳有关现象，即所谓的 磨损。磨损可能会由于涡轮翼的翼部分用了镀膜而加剧。因此，为在 涡轮翼的不同部分达到所需要的性能以最大化涡轮翼的寿命，有必要 提供一种适当地给涡轮翼的翼部分镀膜而不影响涡轮翼的楔形榫头 部分的方法。物理气相沉积广泛应用于在涡轮翼上用电子束蒸镀施加陶瓷热 障镀膜。人们已经做了大量的工作以设计出用于在各种尺寸和形状的 翼上均匀镀膜的工艺和固定装置。美国第5，997,947号专利^^开一种用于电子束物理气相沉积 (EBPVD)镀膜方法中的模组的、电转动式的镀膜固定装置。该固定装 置包括支撑结构和与支撑结构相连用于允许其相对第一轴转动的机 构。固定装置进一步包4封殳于支撑结构内用以固持一个或多个待镀膜 工件的盒式机构。盒式机构通过轴杆连接到支撑结构，轴杆允许盒式 机构围绕大致平行于第 一轴的第二轴旋转，由此允许每个被镀膜的工 件围绕其纵轴旋转。盒式机构支撑每个工件，使得待镀膜翼表面维持 大致平行于镀膜源。如上所述，阴极电弧物理气相沉积可应用于施加抗蚀镀膜。阴极 电弧物理气相沉积首先是一个^L线沉积方法。在阴极表面阴极电弧放的二级作用包括室内大气中离子化蒸气的散射，其在角周围和孔洞内 产生一些深镀能力，更重要的是，产生高度离子化蒸气的静电吸引， 由此在工件边缘和尖锐外廓如翼尖端和翼的头部及尾部边缘形成增 加的镀膜材料累积。然而，当在平坦工件如压缩机桨片及叶片的平台 和翼的表面镀膜时，主要的沉积特征是蒸气的视线传播。为在工件如翼下部和平台上获得最大的镀膜厚度，在阴极表面和工件表面间的视 线不应一皮阻挡。本领域还需要提供一种用于物理气相沉积镀膜操作中的镀膜用 的固定装置，该镀膜操作允许^j"多个工件同时进行镀膜并促进高质量 镀膜生产。镀膜固定装置应该允许镀膜只施加到工件需要镀保护膜的 那些部分，而保护不需要镀保护膜的那些部分。进一步，镀膜固定装 置应该可再利用以及制造成本相对较低。 发明概述本发明涉及一种用于镀膜^t喿作的固定装置，包括 支撑结构，其包括圓形的底部元件，与所述圆形底部元件相对的 圓形的顶部元件，和连接所述顶部元件至所述底部元件的多个结构元件；垂直环列于所述支撑结构外周且形成圓柱状结构的多个面板元件(panel member),所述面板元件固设于所述圆形顶部元件及所述圆形 底部元件上；所述面板元件包括多个用于固持待镀膜工件的孔，所述孔朝外背 离所述支撑结构，所述孔构造成用以接受所述工件的不需镀膜部分；所述面板元件包括多个板件(plate member),至少一些板件提供用 于将孔内空间(volume)与孔外空间(volume)相隔离并固设所述工件于 所述孔内的屏障；所述孔设置于所述面板元件上使得所述工件沿垂直方向排列并 使工件需要镀膜的部分伸到孔外空间而不需要镀膜的部分保持在孔 的内部空间内，使得孔内空间与孔外空间基本上不会穿过所述屏障而 直接相通。本发明也涉及一种对多个工件同时镀膜的方法，其包括 (i)提供固定装置，包括支撑结构，其包括圓形的底部元件，与所述圆形底部元件相对的 圓形的顶部元件，和连接所述顶部元件至所述底部元件的多个结构元件；垂直环列于所述支撑结构外周且形成圓柱状结构的多个面板元件，所述面板元件固设于所述圓形顶部元件及所述圆形底部元件上； 所述面板元件包括多个用于固持待镀膜工件的孔，所述孔朝外背离所述支撑结构，所述孔构造成用以接受所述工件的不需镀膜部分； 所述面板元件包括多个板件，至少一些板件提供用于将孔内空间与孔外空间相隔离并支撑和固设所述工件于所述孔内的屏障；所述孔设置于所述面板元件上使得所述工件沿垂直方向排列并使工件需要镀膜的部分伸到孔外空间而不需要镀膜的部分保持在孔的内部空间内，使得孔内空间与孔外空间基本上不会穿过所述屏障而直接相通；(h)将工件加载固设于所述面板元件的孔内；(iii) 将所述固定装置设置于具有镀膜材料源的镀膜室内的可旋 转驱动系统上；以及(iv) 操作驱动系统使固定装置旋转，在伸到孔外空间的工件部分 上同时以物理气相沉积形成镀膜。附图简述

图1是固定装置的部分透视图，显示圓柱形的支撑结构和固设于其上的三个面板元件。图2是用于给转子桨片镀膜的面板元件的部分立体分解示意图。 图3是用于给定子叶片镀膜的面板元件的部分立体分解示意图。 图4是设置于镀膜室内转盘上的固定装置的部分侧视图。 图5是镀膜固定装置的照片，显示圓柱形的支撑结构和固设于其上的面板元件。图6是镀膜固定装置的照片，显示固设于固定装置上的面板元件。 图7是面板元件的部分照片，显示交错式的翼排列。发明详述如上所述，本发明的固定装置包括支撑结构14，其包括圓形底部元件IO、相对于圓形底部元件IO 的圓形顶部元件11以及连接顶部元件11到底部元件10的多个结构 元件12;垂直环列于所述支撑结构14外周且形成圓柱状结构的多个面板 元件13，所述面板元件13固设于所述圆形顶部元件11和所述圆形底 部元件10上;所述面板元件13包括用于固持待镀膜工件的多个孔，所述孔朝 外背离所述支撑结构，所述孔构造成用以接受所述工件的不需镀膜部分；所述面板元件13包括多个板件，至少一些板件提供用于将孔内 空间与孔外空间相隔离并固设所述工件于所述孔内的屏障；且所述孔设置于所述面板元件13上使得所述工件沿垂直方向排列 并使工件需要镀膜的部分伸到孔外空间而不需要镀膜的部分保持在 孔的内部空间，使得孔内空间与孔外空间基本上不会穿过所述屏障而 直接相通。在优选实施方案中，本发明的固定装置特别设计成用于在 压缩机翼上物理气相沉积TiN镀膜或类似的抗蚀镀膜。本发明的固定装置的关键特征中包括垂直设置的圓柱形固定装 置固持约12个或12个以下到约36个或36个以上，优选为约18到 30个，更优选为约22到26个，伸长的平面板固定装置；面板元件设 计为稳定地固持1行到约4行或4行以上，优选为2行，从约5个或 5个以下到约25个或25个以上，优选为约10到20个，更优选为约 10到15个翼并用于掩罩楔形3隼头；面板元件允许相似尺寸但不同类 型的部件在一个镀膜过程中容易混合及匹配；翼的垂直排列最小化镀膜前或镀膜期间在灰尘中的暴露；交错的翼排列最小化由于自我遮蔽而产生的镀膜损失；对楔形榫头的精密掩罩通过精密加工的掩罩和附 加的遮蔽物来实现；对具有周向的楔形榫头的部分的锁固通过可移动 的夹板来实现；具有凸缘型楔形榫头的部分的锁固通过插入夹层式设 计(drop-in sandwich type concept)来实现；以及面板设计成使得能在组 装后用水清洗或蒸气脱脂，以避免在洗后需要人接触该部分。如图1所示，镀膜固定装置显示圓柱形的支撑结构14 ,其具有 垂直环列于圆柱形的支撑结构14外周的面板元件13。图l显示圓形 底部元件IO，圓形顶部元件ll以及连接圓形底部元件IO到圓形顶部 元件11的结构元件12即杆状元件。图1中的圓形顶部元件11包括 接受所述面板元件13端部的坤;u构，底部元件10也包括接受面板元件 13端部的机构，从而将面板元件13固设于支撑结构14。在实施方案 中，顶部元件11可包括接受面板元件13的升高的唇缘或凸缘，此面 板元件13可包括允许其安装于升高的唇缘或凸缘上的钩状端部。底 部元件10可包括接受所述面纟反元件13端部的槽。其他将面板元件13 连接到圆柱形的支撑结构14的适当机构可包括钩、螺栓、螺母、螺 钉、线、夹子、插针等等。可将常规固定机构用于面板元件13和圓 柱形的支撑结构14。镀膜固定装置可包括从约12个或12个以下到约 36个或36个以上的面板元件13，具体数量依镀膜固定装置的尺寸和 面板元件13尺寸而定。固定装置的尺寸要求并不严格而能在宽的范围内变化。然而，如 图4所示，固定装置应该是尺寸适当的，以便允许其置于镀膜室41 的可旋转驱动系统40上，并允许驱动系统40运转以带动固定装置旋 转。固定装置的周长通常可在约75厘米或以下到约250厘米或以上 的范围内，优选为约90厘米到约200厘米，更优选为约90厘米到约125厘米。固定装置的直径通常可在约20厘米或以下到约100厘米或 以上的范围内，优选为约25厘米到约75厘米，更优选为约30厘米 到约50厘米。固定装置的高度通常可在约20厘米或以下到约100厘 米或以上的范围内，优选为约25厘米到约75厘米，更优选为约30 厘米到约50厘米。如图2所示，用于对转子桨片19镀膜的面板元件，其包括(i) 没有用于固持所述工件19的孔的底部掩罩板件20,所述底部掩罩板 件20提供用于将孔内空间与孔外空间相隔离的底部屏障，(ii)具有多 个用于固持所述工件19的孔的底部板件21，所述底部板件21设于所 述底部掩罩板件20上面，(iii)具有多个用于固持所迷工件19的孔的 夹板件22，所述孔与所述底部板件21上的孔相对齐，所述夹板件22 设于所述底部板件21的上面，所述夹板件22提供将孔内空间与孔外 空间相隔离并固设所述工件19于所述孔内的顶部屏障，(iv)具有多个 用于固持所述工件19的孔的转子桨片支撑板件23,所述孔与所述底 部板件21和所述夹板件22的孔相对齐，所述转子桨片支撑板件23 设置于所述夹板件22上面，(v)具有多个用于固持所述工件19的孔 的转子桨片掩罩板件24，所述孔与所述底部板件21、所述夹板件22 以及所述转子桨片支撑板件23的孔相对齐，所述转子桨片掩罩板件 24设置于所述转子桨片支撑板件23上，以及(vi)紧固机构25、 27、 28、 29，用于固定所述底部掩罩板件20、所述底部板件21、夹板件 22、转子桨片支撑板件23和转子桨片掩罩板件24于一起。用于固定所述底部掩罩板件20、所述底部板件21、夹板件22、 转子桨片支撑板件23和转子桨片掩罩板件24于一起的示例性的紧固 机构包括如图2所示的螺钉、隔圈、螺母等等。其他适宜的紧固机构 可包括螺栓、插针、线、夹子等等。可将常规固定机构用于面板元件。夹板件22是将转子桨片工件19固设于面板元件中的重要部分。如图2所示，夹板件22的孔能够可移动地与底部板件21和所述转子 桨片支撑板件23的孔相互锁定。所述夹板件22包括紧固机构孔，其 大于所述底部板件21和转子桨片支撑板件23的紧固机构孔，从而允 许所述夹板件22调整以固设转子桨片工件19在面板元件中。用于为转子桨片镀膜的面板元件尺寸要求并不严格而能在宽的 范围内变化。然而，面板元件应该是尺寸适当的，以便允许其固置于 支撑结构上。面板元件长度通常可在约20厘米或以下到约100厘米 或以上的范围内，优选为约25厘米到约75厘米，更优选为约30厘 米到约50厘米。面板元件宽度通常可在约2厘米或以下到约10厘米 或以上的范围内，优选为约2厘米到约6厘米，更优选为约2厘米到 约5厘米。面板元件厚度通常可在约0.1厘米或以下到约1厘米或以 上的范围内，优选为约0.2厘米到约0.6厘米，更优选为约0.2厘米到 约0.5厘米。如图3所示，用于为定子叶片35镀膜的面板元件包括(i)没有用 于固持所述工件35的孔的底部板件30，所述底部板件30提供用于将 孔内空间与孔外空间相隔离的底部屏障，(ii)具有多个用于固持所述 工件35的孔的根部掩罩板件31,所述根部掩罩板件31设于所述底部 板件30上面，(iii)具有多个用于固持所述工件35的孔的遮蔽板件32, 所述孔与所述根部^r罩板件31上的孔相对齐，所述遮蔽板件32设于 所述根部掩罩板件31上面，所述根部掩罩板件31和所述遮蔽板件32 提供将孔内空间与孔外空间相隔离并固设所述工件35于所述孔内的 顶部屏障，以及(iv)紧固机构33、 34,其用于固定所述底部板件30、 根部掩罩板件31和遮蔽板件32于一起。用于固定所述底部板件30、根部掩罩板件31和遮蔽板件32于一起的示例性的紧固机构包括如图3所示的螺钉、隔圈、螺母等等。其 他适宜的紧固机构可包括螺栓、插针、线、夹子等等。可将常规固定 机构用于面板元件。用于为叶片镀膜的面板元件尺寸要求并不严格而能在宽的范围 内变化。然而，面板元件应该是尺寸适当的，以便允许其固置于支撑结构上。面板元件长度通常可在约20厘米或以下到约IOO厘米或以 上的范围内，优选为约25厘米到约75厘米，更优选为约30厘米到 约50厘米。面板元件宽度通常可在约2厘米或以下到约IO厘米或以 上的范围内，优选为约2厘米到约6厘米，更优选为约2厘米到约5 厘米。面板元件厚度通常可在约0.1厘米或以下到约1厘米或以上的 范围内，优选为约0.2厘米到约0.6厘米，更优选为约0.2厘米到约 0.5厘米。面板元件允许相同尺寸但不同类型工件在一个镀膜过程中容易 混合及匹配。例如，固定装置可包括用于燃气涡轮压缩机转子桨片的 一些面板元件和用于燃气涡轮压缩机定子叶片的其他面板元件。优选 地，每个面板元件包括都是同样的工件。本发明的镀膜固定装置的设 计能够对大量的翼进行有效的镀膜并具有高生产力和产量。由于由颗 粒污染而引起的镀膜缺点最小化，使得第一次镀膜(first time coating) 产量非常高。这个高产量通过如下文所述垂直优化的翼定向来实现。如图l、 5和6所示，镀膜固定装置使尖端朝外来定位翼于圓柱 形表面上。为获得在一个镀膜过程中翼混合和匹配的灵活性，同样部 件类型的翼聚在部件特定的面^^反元件上，面板元件附设于圆柱形的支 撑结构上。面板元件通常可固持1行到约4行或4行以上，每行包括 从5个或5个以下到约25个或25个以上用于固持工件的孔。翼被垂 直定向以便最小化灰尘在其表面的堆集，并由此防止镀膜缺陷。翼优选为间隔排列设置以最大化镀膜材料累积并最小化自我遮蔽。这个通 过本文所描述以及图7所示的翼行间距和交错排列翼来实现。在本发明的镀膜固定装置中，楔形榫头被遮蔽以避免镀膜材料累 积，如果不遮蔽，所述累积将带来磨损问题并在转子/定子组装过程中 引起不期望有的尺寸问题。所有的遮蔽板都经过精密加工以对楔形榫头提供精密的遮蔽，使过喷(overspray)最小化。另外，如下文所述，通过给清洗液排设适当的排水孔，所有的固 定装置都设计成便于组装后水清洗或蒸气脱脂。这种方式确保在最后 的清洗后不会接触待镀膜表面。面板元件上用于固持工件的孔数量要求并不严格而能依使用的 阴极电弧镀膜设备的类型和尺寸以及翼的尺寸而在宽的范围内变化。 面板元件通常有1行到约4行或4行以上，优选为2行用于固持工件 的孔，每行有从5个或5个以下到约25个或25个以上的孔，具体数 量取决于工件的尺寸。优选地，面板元件有2行约5个到约20个用 于固持工件的孔。本发明的固定装置允许对工件诸如燃气涡轮压缩机转子桨片和 定子叶片进行镀膜，其可能有各种楔形榫头设计或构造，如周向的、 凸缘、轴向的等。至于翼楔形榫头的设计或构造，楔形榫头需要被遮 蔽以避免镀膜材料的累积，从而避免磨损问题以及在转子/定子组装过 程中引起不期望有的尺寸问题。根据本发明，用于具有周向的或轴向 的楔形榫头的翼，通常为转子桨片的面板元件设计成如图2所示，由 遮蔽板24、转子桨片支撑板23、夹板22、底板21和底部遮蔽板20 组成的多层片金属结构。用于具有轴向楔形榫头的翼的面板元件可设 计成包括安装部件，其也充当楔形榫头掩罩。用于具有带凸缘的楔形 榫头的翼，通常为定子叶片的面板元件设计成如图3所示，由遮蔽板32、根部遮蔽板31和底部板30组成的多层片金属结构。所有的遮蔽 板都经过精密加工以对楔形榫头提供精密的遮蔽，使过喷最小化。如下文所述，在本发明的优选实施方案中，镀膜固定装置包括垂 直排列的面板元件组成的圓柱形鼓。本发明的另一变形是由垂直层叠 的圆形或环形面板元件组成的圆柱。这个变形以面板元件实施方案中 同样的方式设置翼，并也可允"i午工件的混合和匹配。根据本实施方案，本发明涉及用于镀膜操作的固定装置，其包括支撑结构，其包括圓形底部元件、相对圓形底部元件的圓形顶部 元件，以及连接所述顶部元件到所述底部元件的多个结构元件；水平方向排列于所述支撑结构外周且形成圓柱状结构的多个圓 形面纟反元件；所述面板元件包括多个用于固持待镀膜工件的孔，所述孔朝外背 离所述支撑结构，所述孔构造成用以接受所述工件的不需镀膜部分；所述面板元件包括多个板件，至少一些板件提供用于将孔内空间 与孔外空间相隔离并固设所述工件于所述孔内的屏障；所述孔设置于所述面板元件上使得所述工件水平方向排列并使 工件需要镀膜的部分伸到孔外空间而不需要镀膜的部分保持在孔的 内部空间，使得孔内空间与孔外空间基本上不会穿过所述屏障而直接 相通。用于为桨片镀膜的圓形面板元件尺寸要求并不严格而能在宽的 范围内变化。然而，圓形面板元件应该是尺寸适当的，以便允许其固 置于支撑结构上。圓形面板元件周长通常可在约75厘米或以下到约 250厘米或以上的范围内，优选为约80厘米到约200厘米，更优选为 约90厘米到约150厘米。圓形面板元件宽度通常可在约2厘米或以 下到约IO厘米或以上的范围内，优选为约2厘米到约6厘米，更优选为约2厘米到约5厘米。
圆形面板元件上用于固持工件的孔数量要求并不严格而能在宽
的范围内变化。圓形面板元件通常有1行到约4行或4行以上，优选 为2行用于固持工件的孔，每行有从约12个或12个以下到约200个 或200个以上的孔，具体数量取决于工件的尺寸。优选地，圓形面板 元件有2行约12个到约IOO个用于固持工件的孔。
在包括圆形面板元件的实施方案中，支撑结构的圓形顶部元件可 包括接受所述圓形面板元件一侧的机构，底部元件也可包括接受所述 圓形面板元件一侧的机构，从而将圓形面板元件固设于支撑结构。在 实施方案中，顶部元件和底部元件可包括接受所述圓形面板元件一侧 的槽。其他适宜的用于将圆形面板元件附于圓柱支撑结构的机构可包 括螺栓、螺母、螺钉、插针、线、夹子等等。可将常规固定机构用于 圓形面板元件和支撑结构。
如同垂直排列的面板元件，圓形面板元件上的翼垂直定向，以便 灰尘在其表面的聚集最小化，并由此防止镀膜缺陷。翼优选为间隔排 列设置以使镀膜材料的累积最大化，并使自我遮蔽最小化。这个通过 本文所描述以及图7所示的翼行间距和交错排列翼来实现。
本发明的镀膜固定装置的组件可由本领域习知的任意合适材料 制成。然而，固定装置材料应该是导电的以便在镀膜操作的离子蚀刻 和镀膜工艺步骤中提供电流至待镀膜的工件。例如，所有圓柱形支撑 结构的组件以及所有面板元件的组件可由金属材料如SST 304和 Inconel不4秀钢制成。
所有固定装置通过给清洗液排设适当的排水孔，设计成便于组装 后能用水清洗或蒸气脱脂。这种方式确保在最后的清洗后不会接触待 镀膜表面。特别地，固定装置设计成使得其允许孔容易地排出清洗水溶液。这样能够在固定工件后只十固定装置组件进行清洗，以去除工件 表面的任何污点。工件表面的污点可在固定期间经人的接触等等而带 来。优选地，如图3所示，用于对叶片镀膜的面板元件的底部板件具 有多个排出清洗水溶液的排水孔。
如上所述，本发明涉及对多个工件同时镀膜的方法，其包括
(i) 提供固定装置，其包括
支撑结构14,其包括圓形的底部元件10，与所述圓形底部元件 IO相对的圓形的顶部元件11，连接所述顶部元件11至所述底部元件 10的多个结构元件12;
垂直环列于所述支撑结构14外周且形成圆柱状结构的多个面板 元件13，所述面板元件13固i殳于所述圆形顶部元件11及所述圓形底 部元件10上；
所述面板元件13包括多个用于固持待镀膜工件的孔，所述孔朝 外背离所述支撑结构，所述孔构造成用以接受所述工件的不需镀膜部
分；
所述面板元件13包括多个板件，至少一些板件提供用于将孔内 空间与孔外空间相隔离并固设所述工件于所述孔内的屏障；
所述孔设置于所述面板元件13上使得所述工件沿垂直方向排列 并使工件需要镀膜的部分伸到孔外空间而不需要镀膜的部分保持在 孔的内部空间，使得孔内空间与孔外空间基本上不会穿过所述屏障而 直接相通；
(ii) 将工件加载固设于所述面板元件13的孔内；
(iii) 将所述固定装置设置于具有镀膜材料源的镀膜室14内的可 旋转驱动系统40上；以及
(iv) 操作驱动系统40使固定装置旋转，对伸到孔外空间的工件部分同时通过物理气相沉积形成镀膜。如图4所示，固定装置在物理气相沉积镀膜室41内设置于可旋转驱动系统40如转盘上。电弧阴极42设置于镀膜室41的侧壁。可 旋转驱动系统40操作时使固定装置旋转。工件同时通过物理气相沉 积镀膜。图6显示固定装置充满面板元件，每个面板元件充满工件。本发明也涉及对多个工件同时镀膜的方法，其包括(i)提供固定装置，其包括支撑结构，其包括圓形的底部元件，与所述圆形底部元件相对的 圓形的顶部元件，和连接所述顶部元件至所述底部元件的多个结构元 件；水平方向排列于所述支撑结构外周且形成圆柱状结构的多个圓 形面纟反元件；所迷面板元件包括多个用于固持待镀膜工件的孔，所述孔朝外背 离所述支撑结构，所述孔构造成用以接受所述工件的不需镀膜部分；所述面板元件包括多个板件，至少一些板件提供用于将孔内空间 与孔外空间相隔离并固设所述工件于所述孔内的屏障；所述孔设置于所述面板元件上使得所述工件水平方向排列并使 工件需要镀膜的部分伸到孔外空间而不需要镀膜的部分保持在孔的 内部空间，使得孔内空间与孔外空间基本上不会穿过所述屏障而直接 相通；(li)将工件加载固设于所述面板元件的孔内；(lii)将所述固定装置设置于具有镀膜材料源的镀膜室内的可旋转驱动系统上；以及(iv)操作驱动系统使固定装置旋转，对伸到孔外空间的工件部分同时通过物理气相沉积形成镀膜。镀膜室内的物理气相沉积可用本领域所习知的传统方法来进行。请参看，例如美国第5,071,693号专利，其公开的内容通过引用结合 到本文中。用于本发明镀膜固定装置的示例性抗蚀镀膜系统可包括 TiN、 TiCN、 TiZrN、 TiZrCN、 TiAlN, TiAlCN等等。可用物理气相沉 积通过反应性蒸镀或溅镀，如阴极电弧蒸镀，中空阴极反应性电子束 蒸镀、反应性溅镀等等而施加抗蚀镀膜。为在工件上如翼的下部以及平台上提供最大的镀膜厚度，在阴极 表面和工件表面之间的一见线不应被阻隔。在面板和旋转固定装置上垂 直成行排列工件的优选的排列方式中，如果行间距太密，工件可遮蔽 其自身。当行间距足够宽，使得蒸气到达一排工件的过程中，蒸气流 不受相邻排中工件的阻碍，这种自我遮蔽可被最小化。为进一步促进蒸气流到达工件翼的平台和下部，有利的是，在沿 垂直方向上间隔工件以及交错行与行之间工件的位置，使得蒸气可经 过一行的工件并能到达下一行中交错工件翼的平台和下部。在优选的实施方案中，行间距有翼长度(平台到尖端)的一倍至两 倍，工件在垂直方向上的间距为翼弦宽的一倍至两倍，以及各行工件 交替的交错排列可在工件翼的平台和下部提供与没有任何自我遮蔽 的自由竖立的工件基本相同的沉积率。在本发明的实施方案中，工件上的多层含氮化物镀膜的形成方法 包括(a)将包含待镀膜工件的固定装置置于镀膜室41内的可旋转驱 动系统40上，所述固定装置包括支撑结构14,其包括圓形底部元件IO、相对于圆形底部元件IO 的圓形顶部元件11以及连4娄顶部元件11到底部元件10的多个结构 元件12;垂直环列于所述支撑结构14外周围形成圆柱状结构的多个面板元件13，所述面板元件13固设于所述圓形顶部元件11和所述圓形底 部元件12上；所述面板元件13包括用于固持待镀膜工件的多个孔，所述孔朝 外背离所述支撑结构，所述孔构造成用以接受所述工件的不需镀膜部分；所述面板元件13包括多个板件，至少一些板件提供用于将孔内 空间与孔外空间相隔离并固设所述工件于所述孔内的屏障；以及所述孔设置于所述面板元件13上使得所述工件沿垂直方向排列 并使工件需要镀膜的部分伸到孔外空间而不需要镀膜的部分保持于 孔的内部空间，使得孔内空间与孔外空间基本上不会穿过所述屏障而 直接相通。(b) 将钬基靶和含氮气体混合物加到镀膜室41;(c) 操作驱动系统40使固定装置旋转，同时由钬基靶蒸发钛以产 生钛蒸气与含氮气体混合物中的氮气反应，以在伸到孔外空间的工件 部分上形成具有所需含氮量的含氮化钛层；(d) 改变步骤(c)中氮与钛的比率，以在有镀层的工件上形成另一 含氮化钛层，其含氮量与之前沉积的镀膜中的含氮量相差至少2%氮 原子；以及(e) 重复步骤(d)至少一次，以形成至少二层的多层镀膜，其中至 少一层的含氮量与相邻镀层中的含氮量相差至少2%氮原子。氮与钛 的比率可通过改变电流、改变氮气流或者两者改变的组合而变化。在本发明的另一实施方案中，工件上的多层含氮化物镀膜的形成 方法包4舌(a)将包含待镀膜工件的固定装置置于蒸气沉积室41内的可旋转驱动系统40上，所述固定装置包括支撑结构14，其包括圓形底部元件IO、相对于圓形底部元件IO 的圆形顶部元件11以及连接顶部元件11到底部元件10的多个结构 元件12;垂直环列于所述支撑结构14外周围形成圓柱状结构的多个面板 元件13，所述面板元件13固^:于所述圓形顶部元件11和所述圓形底 部元件10上；所述面板元件13包括用于固持待镀膜工件的多个孔，所述孔朝 外背离所述支撑结构，所述孔构造成用以接受所述工件的不需镀膜部 分；所述面板元件13包括多个板件，至少一些板件提供用于将孔内-空间与孔外空间相隔离并固设所述工件于所述孔内的屏障；以及所述孔设置于所述面板元件13上使得所述工件沿垂直方向排列 并使工件需要镀膜的部分伸到孔外空间而不需要镀膜的部分保持于 孔的内部空间，使得孔内空间与孔外空间基本上不会穿过所述屏障而 直接相通。(b) 将阳极和钬基阴极以及含氮气体混合物加到蒸气沉积室41;(c) 操作驱动系统40使固定装置旋转，同时通过阴极和阳极施加 电压以形成电流，使钛基阴极蒸发出钛以产生钛蒸气与含氮气体混合 物中的氮气反应，以在伸到孔外空间的工件部分上形成具有所需含氮 量的含氮化钛层；(d) 改变步骤(c)中氮与钛的比率，以在有镀层的工件上形成另一 含氮化钛层，其含氮量与之前沉积的镀膜中的含氮量相差至少2%氮 原子；以及(e) 重复步骤(d)至少一次，以形成至少二层的多层镀膜，其中至少一层含氮量与相邻镀层中的含氮量相差至少2%氮原子。氮与钛的 比率可通过改变电流、改变氮气流或者两者改变的组合而变化。优选地，含氮气体混合物可以是氩氮、氪氮、氦氮、氙氮、氖氮等等。每层的含氮化合物可具有的氮原子百分比为33%到55%，优选为 40%到50%，更优选为42%到50%。相邻层的含氮化合物可具有的氮 原子百分比为33%到45%，优选为39%到42%。 一层的含氮量应与相 邻层中的含氮量相差至少2%氮原子。多层镀膜可用传统的工艺技术 如物理气相沉积法沉积而成。改变交替的薄层的氮与钛的比率会中止 镀膜化合物的晶粒增长进程，使得化合物的晶粒尺寸不大于各个层的 厚度。优选的镀膜可包括相交替的氮原子百分比为40%到55%的氮化钛 层和氮原子百分比为33%到45。/。的氮化钛层，其中，至少一层的含氮 量与在该层相对两侧的每个相邻层中的含氮量相差至少2。/。氮原子。 具有上述含氮范围的氮化钛可有同样的定向和结晶结构，晶格间距有 小差别，以便层间共格界面可期望产生高韧性。本发明的镀膜固定装置便于沉积出高质量均勻分布的镀膜。多层 镀膜的硬度和韧性与层的组成和间距密切相关。各层的厚度及整个多 层镀膜的厚度依特定的应用而定。对于要求高韧性的系统应用，具有 较低含氮量层厚度应为较高含氮量层厚度的1到20倍。整个镀膜厚 度为5微米到30微米通常可足够用于大多抗蚀应用。各层的厚度可有较大变化，例如，在O.l微米到5微米厚之间， 优选为约l微米厚。层的数量应该至少为两层，使得至少一层含氮量 比相邻层中的含氮量多或少2%氮原子。形成镀膜的含氮化合物层的 数量可为两层到特定应用所需的任意数量。通常5到50层，优选为15到40层镀膜适合于大多数的应用。在一些应用中，较为可取的是，使较厚的第一层含氮化合物支撑 镀膜随后的多层，和/或使厚的顶层提供较硬的顶表面。多层镀膜理想 地适合于对诸如钛、钢、铝、镍、钴或其合金等材料制成的工件进行 镀膜。在另一个实施方案中，涉及多层镀膜工件，例如转子桨片和定子 叶片，被镀上至少两层含氮化合物，每层包含至少一种选自钛、锆、 4太合金和锆合金的添加物，其中至少 一层含氮量与相邻层所含氮的量相差至少2%氮原子。该层也可包括至少一种选自铝、钒、钼、铌、 铁、铬和锰的元素。优选地，多层镀膜工件可包括三层或三层以上， 其中至少一层含氮量与每个相邻层所含氮的量相差至少2%氮原子。本发明的各种改进和变更对于本领域的技术人员来说是显而易 见的，并且可以理解的是，这些改进和变更都应包括在本申请的范围 内以及权利要求的精神和范围内。实施例多层氮化钛镀膜用图6所示的镀膜固定装置和物理气相沉积电弧 蒸镀方法沉积于转子桨片和定子叶片工件上。面板元件装载转子桨片 或定子叶片，然后固定于镀膜固定装置圆柱形的支撑结构上。镀膜固 定装置然后置入蒸气沉积室内。在沉积前，蒸气沉积室抽至低于7xl(T4 Pa的压力，然后用氩气回填到0.7Pa。待镀膜的转子桨片和定子叶片 工件被溅射以去除表面污物。镀膜固定装置在镀膜过程中以约1-10转 /分钟的速度旋转。随后，经钛阴极和室激发直流电弧，所述室作为阳 极，在氩氮气体混合物中，1.3到4.8Pa的总压力下，从钛阴极蒸发 钛。离子化的钛蒸气与N2离子反应，然后在工件上形成氮化钛镀膜。 在沉积过程中，镀膜的层结构通过改变氮气流速来形成。通常，镀膜由A和B氮化物层的层状结构组成，其中，B氮化物层的厚度大于A 氮化物层的厚度。A层的氮浓度通常高于B层的氮浓度。沉积产生15 层交替的A和B层的多层镀力莫。翼上靠近尖端的镀膜厚度约为17-20 微米，在翼上靠近平台的镀膜厚度约为7-9微米，在平台上的镀膜厚 度约为9-10微米。
权利要求
1.一种用于镀膜操作的固定装置，该装置包括支撑结构，其包括圆形的底部元件，与所述圆形底部元件相对的圆形的顶部元件，以及连接所述顶部元件至所述底部元件的多个结构元件；垂直环列于所述支撑结构外周且形成圆柱状结构的多个面板元件，所述面板元件固设于所述圆形顶部元件及所述圆形底部元件上；所述面板元件包括多个用于固持待镀膜工件的孔，所述孔朝外背离所述支撑结构，所述孔构造成用以接受所述工件的不需镀膜部分；所述面板元件包括多个板件，至少一些板件提供用于将孔内空间与孔外空间相隔离并固设所述工件于所述孔内的屏障；所述孔设置于所述面板元件上，使得所述工件沿垂直方向排列并使工件需要镀膜的部分伸到孔外空间，而不需要镀膜的部分保持在孔的内部空间内，使得孔内空间与孔外空间基本上不会穿过所述屏障而直接相通。
2. —种同时对多个工件镀膜的方法，该方法包括 ①提供固定装置，该装置包括支撑结构，其包括圓形的底部元件，与所述圓形底部元件相对的 圓形的顶部元件，以及连"t妄所述顶部元件至所述底部元件的多个结构 元件；垂直环列于所述支撑结构外周且形成圓柱状结构的多个面板元 件，所述面板元件固设于所述圓形顶部元件及所述圆形底部元件上；所述面板元件包括多个用于固持待镀膜工件的孔，所述孔朝外背 离所述支撑结构，所述孔构造成用以接受所述工件的不需镀膜部分；所述面板元件包括多个板件，至少一些板件提供用于将孔内空间 与孔外空间相隔离并固设所述工件于所述孔内的屏障；所述孔设置于所述面板元件上，使得所述工件沿垂直方向排列并使工件需要镀膜的部分伸到孔外空间，而不需要镀膜的部分保持在孔 的内部空间内，使得孔内空间与孔外空间基本上不会穿过所述屏障而直接相通；(ii) 将工件加载固设于所逸面板元件的孔内；(iii) 将所述固定装置置于具有镀膜材料源的镀膜室内的可旋转 驱动系统上；以及(iv) 操作驱动系统使固定装置旋转，对伸到孔外空间的工件部分 同时通过物理气相沉积形成镀膜。
3. 如权利要求1所述的固定装置或权利要求2所述的方法，其中 所述圆形底部元件包括圓形带^R元件，所述圓形顶部元件包括圆形带 状元件，所述结构元件包括斥刊夫元件。
4. 如权利要求1所述的固定装置或权利要求2所述的方法，其中 所述顶部元件包括接受所述面寺反元件端部的机构，所述底部元件包括 接受所述面板元件端部的机构，以固设所述面板元件于所述支撑结构 上。
5. 如权利要求1所述的固定装置或权利要求2所述的方法，其包 括约12个或12个以下到约36个或36个以上的面板元件。
6. 如权利要求1所述的固定装置或权利要求2所述的方法，其包 括面板元件，所述面板元件具有1到约4行或4行以上，其中每行包 括约5个或5个以下到25个或25个以上用于固持工件的孔。
7. 如权利要求1所述的固定装置或权利要求2所述的方法，其中 所述孔设置于所述面板元件上，使得所迷工件在相交错的垂直方向排 列。
8. 如权利要求1所述的固定装置或权利要求2所述的方法，其中 所述面板元件包括相同的工件。
9. 如权利要求1所述的固定装置或权利要求2所述的方法，其中 一个或一个以上的面板元件包含的工件不同于其他面板元件所包含 的工件。
10. 如权利要求1所述的固定装置或权利要求2所述的方法，其中所述面板元件包括(i)没有用于固持所述工件的孔的底部掩罩板 件，所述底部^f奄罩板件提供用于将孔内空间与孔外空间相隔离的底部 屏障，(ii)具有多个用于固持所述工件的孔的底部板件，所述底部板 件设于所述底部掩罩板件的上面，(iii)具有多个用于固持所述工件的 孔的夹板件，所述孔与所述底部板件上的孔相对齐，所述夹板件设于 所述底部板件的上面，所述夹板件提供将孔内空间与孔外空间相隔离 并固设所述工件于所述孔内的顶部屏障，(iv)具有多个用于固持所述 工件的孔的桨片支撑板件，所述孔与所述底部板件和所述夹板件的孔 对齐，所述桨片支撑板件设置于所述夹板件上面，(v)具有多个用于 固持所述工件的孔的桨片掩罩丰反件，所述孔与所述底部板件、所述夹 板件以及所述桨片支撑板件的孔相对齐，所述桨片掩罩板件设置于所 述桨片支撑板件上面，以及(vi)紧固机构，其用于固定所述底部掩罩板 件、底部板件、夹板件、桨片支撑板件和桨片掩罩板件于一起。
11. 如权利要求10所述的固定装置或权利要求10所述的方法， 其中所述夹板件的孔能够可移动地与所述底部板件和所述桨片支撑 板件的孔相互锁定。
12. 如权利要求10所述的固定装置或权利要求10所述的方法， 其中所述工件是具有周向的楔形榫头的翼。
13. 如权利要求10所述的固定装置或权利要求10所述的方法， 其中所述工件是具有轴向的楔形榫头的翼。
14. 如权利要求1所述的固定装置或权利要求2所述的方法，其 中所述面板元件包括(i)没有用于固持所述工件的孔的底部板件，所 述底部板件提供用于将孔内空间与孔外空间相隔离的底部屏障，(ii) 具有多个用于固持所述工件的孔的根部掩罩板件，所述根部掩罩板件 设于所述底部板件的上面，(iii)具有多个用于固持所述工件的孔的遮 蔽板件，所述孔与所述根部掩罩板件上的孔相对齐，所述遮蔽板件设 于所述根部掩罩板件的上面，所述根部掩罩板件和所述遮蔽板件提供将孔内空间与孔外空间相隔离并固设所述工件于所述孔内的顶部屏 障，以及(1V)紧固机构，其用于固定所述底部板件、根部掩罩板件和 遮蔽才反件于一起。
15. 如权利要求14所述的固定装置或权利要求14所述的方法， 其中所述工件是具有带凸缘的楔形榫头的叶片。
16. 如权利要求1所述的固定装置或权利要求2所述的方法，其 中所述工件用物理气相沉积法镀膜。
17. 如权利要求16所述的固定装置或权利要求16所述的方法， 其中所述工件用抗蚀镀膜系统的物理气相沉积法镀膜。
18. 如权利要求17所述的固定装置或权利要求17所述的方法， 其中所述抗蚀镀膜系统选自TiN、 TiCN、 TiZrN、 TiZrCN、 TiAlN和 TiAlCN。
19. 如权利要求18所述的固定装置或权利要求18所述的方法， 其中所述抗蚀镀膜系统包括多层抗蚀镀膜系统。
20. —种通过权利要求2所述的方法制造的镀膜工件。
全文摘要
本发明涉及一种用于物理气相沉积镀膜操作的固定装置，其包括支撑结构14，其包括圆形底部元件10、相对于圆形底部元件10的圆形顶部元件11以及连接圆形顶部元件11到圆形底部元件10的多个结构元件12；垂直环列于所述支撑结构14外周且形成圆柱状结构的多个面板元件13；所述面板元件13包括用于固持待镀膜工件19和35的多个孔，所述孔设置于所述面板元件13上，使得所述工件19和35在交错垂直方向排列。本发明也涉及一种使用本发明的固定装置对多个工件19和35，诸如燃气涡轮压缩机桨片和叶片同时镀抗蚀膜的方法。
文档编号C23C14/50GK101243203SQ200680029508
公开日2008年8月13日 申请日期2006年7月11日 优先权日2005年7月12日
发明者A·弗伊尔施泰因, D·夏普, S·凯恩 申请人:普莱克斯S.T.技术有限公司