通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及连续纤维增强金属/陶瓷基复合材料先驱丝制备领域，具体的是一种通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的设备，还是一种通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的方法。
【背景技术】
[0002]连续纤维增强金属基复合材料是近年来发展起来的一类新型结构材料。它将陶瓷纤维的强度和刚度与合金基体的优点结合到了一起，具有高的比强度、比刚度和使用温度以及优异的抗疲劳和蠕变性能。在高温下强度仍能保持室温强度的70%、杨氏模量是金属钛的两倍，平均能提高基体使用温度200°C。可制作压气机叶片、机匣、间隔件、轴类、杆类、框架支撑、整体盘以及叶环等航空发动机零部件，能大幅度减轻航空发动机质量，如用其制作的压气机叶环重量仅为目前常用的钛合金整体叶盘重量的四分之一。
[0003]目前国际上正在研发的几种纤维增强金属基复合材料的制造方法有:箔-纤维-箔技术、等离子喷涂技术、基体涂层纤维(Matrix Coated Fiber，简称MCF)技术等。MCF技术是用物理气相沉积技术(EB-PVD和溅射沉积两种)在连续纤维上制备较厚的一层合金基体涂层，然后将带涂层的纤维进行敷层和热压，最后形成MMCs (金属基复合材料)。与另外两种方法相比，其优点是不需要箔材和粉末，避免了制箔、制粉带来的额外成本，几乎可以使用所有合金作为基体；纤维排布非常均匀，没有纤维接触现象，金属涂层可以有效保护纤维免受损伤；基体与纤维之间界面的剥离率低；纤维容纳量可调，最高可达80%，适用于制造盘、轴、环、筋、叶片等形状复杂的零件。正是由于MCF技术的这些优点，使其成为目前各国重点发展的工艺技术。在两种MCF法中，EB-PVD工艺，具有沉积速率高(可达300-600 μ m/h，比溅射沉积高30倍)、可连续生产、生产成本相对较低等一系列的优点。然而，由于EB-PVD过程的“阴影效应”，会导致Ti合金涂层厚度沿纤维径向不均匀，进而影响T1-MMCs (钛基复合材料)的性能，并且连续走丝是在高温环境中进行的，走丝难度大。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术中无法在连续丝材的表面连续的形成均匀的涂层的问题，本发明供给一种通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的设备和方法，该通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的设备和方法，可以在物理气相沉积过程中，提高连续丝材表面涂层的厚度均匀性，实现长丝材的连续给进沉积。为EB-PVD技术制备连续纤维增强钛基复合材料的研究供给手段，达到在提高纤维涂层的生产效率和材料利用率的同时节约能源的目的。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的设备，包括蒸气供应源、绕丝机构和两个具有一定间距的转向引导单元，该绕丝机构能够牵引纤维连续进给，转向引导单元能够在纤维经过该转向引导单元时使纤维转向和定位，所述通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的设备还包括蒸气供应源，蒸气供应源能够向该两个转向引导单元之间供给能够在纤维的表面形成涂层的气体。
[0006]一种通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的方法，该通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的方法包括以下步骤:
[0007]步骤1、牵引纤维持续进给并多次往返绕过两个具有一定间距的转向引导单元，所述两个转向引导单元为上述的两个转向引导单元，同时向该两个转向引导单元之间供给能够在纤维的表面形成涂层的气体。
[0008]本发明的有益效果是，采用“连续进给+多次往返+绕轴旋转”的多自由度的运动机构来实现连续丝材的连续给进沉积，在物理气相沉积过程中，可以提高连续丝材表面涂层的厚度均匀性，实现长丝材的连续给进沉积，填补了对用EB-PVD技术制备连续纤维增强钛基复合材料的研究的空白。
【附图说明】
[0009]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0010]图1是通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的方法的原理图。
[0011]图2是通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的设备的主视图。
[0012]图3是通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的设备的俯视图。
[0013]图4是水冷机构的示意图。
[0014]附图标记说明:
[0015]1.纤维，2.转向引导单元，3.蒸气供应源，4.绕丝轮，5.送丝轮，6.绕丝电机，7.排丝电机，8.导向筒，9.连接杆，10.支撑架板，11.水平轴，12.水冷定子，13.内筒轴，14.外筒轴，15.排液口，16.进液口，17.冷却液入口，18.冷却液出口，19.导电滑环，20.蒸气遮蔽板，21.壳体，22.轴承，23.唇形密封圈，24.水冷铜板。
【具体实施方式】
[0016]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【附图说明】本发明的【具体实施方式】。
[0017]一种通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的方法，包括以下步骤:
[0018]步骤1、牵引纤维1持续进给并多次往返绕过两个具有一定间距的转向引导单元2，转向引导单元2能够在纤维1经过该转向引导单元2时使纤维1转向和定位，向该两个转向引导单元2之间供给能够在纤维1的表面形成涂层的气体，如图1所示。
[0019]在本实施例中，两个转向引导单元2能够同步的以一个转动轴为轴旋转，该转动轴的轴线平行于两个转向引导单元2之间的连线，或蒸气供应源3能够以两个转向引导单元2之间的连线为轴旋转，两个转向引导单元2之间的连线可以为该转动轴的轴线，从而在纤维1的表面形成均匀的涂层。
[0020]在本实施例中，该气体为金属蒸气，纤维1为陶瓷纤维、碳纤维或。如SiC纤维的直径仅有80 μ m?130 μ m，其有效沉积面积极小，目前EB-PVD的钛合金涂层沉积速率普遍在3 ym/min?5 ym/min左右，沉积有效区的直径一般在300mm左右，而为了满足连续纤维增强钛基复合材料的使用要求，涂层厚度需要达到30 μπι?100 μm，纤维长度在千米量级。因此，如果仅使SiC纤维在蒸气云中通过一次，势必造成材料的极大浪费，绕丝速率也远无法满足批产的要求，因此，必须使纤维1在蒸气云中做多次往返运动。如图1所示，通过分析纤维涂层的沉积特点及真空室内的蒸气分布规律，让纤维沿一定的运动轨迹在蒸气中多次往返。SiC纤维1缠绕在两转向引导单元2上，通过接绕丝机构为纤维供给运动的动力，纤维通过蒸气云C，通过转向引导单元2后转向回到送丝轮上，完成纤维的往返运动，图1中A表示纤维牵引方向，B表示纤维供给方向。
[0021]在进行热障涂层沉积时，为了保证涂层在整个叶身的厚度均匀性，通常是用水平轴旋转叶片。但是由于连续纤维长度很长且直径很小，如果采用单根纤维绕水平轴旋转，其沉积效率肯定很低，为了避免该问题并实现涂层厚度均匀及长纤维沉积的有机结合，拟定让纤维轴线与设备水平轴平行并绕水平轴旋转，采用使纤维持续沿与蒸发源法线垂直的方向进行给进并多次往返通过蒸气的方法来保证长纤维连续沉积及涂层厚度的均匀性同时提高其沉积效率。该方案可以保证实现长线维连续沉积涂层与涂层厚度均匀性控制两个关键技术的有机结合。
[0022]为了保证连续纤维增强钛基复合材料的使用性能，降低压制成型的工艺难度，拟采用涂层厚度均匀性控制技术，实现纤维在连续给进的同时沿特定的水平轴线旋转，从而保证涂层沿纤维径向的厚度均匀性，如图2和图3所示。
[0023]下面介绍一种通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的设备，该设备可以实现上述通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的方法，或者可以理解为通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的方法在该通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的设备中实施。
[0024]一种通过物理气相沉积制备连续丝材表面涂层的设备，包括绕丝机