典型涂層制備工藝研究

張偉偉　張曉琳

學(xué)院 陜西西安 710064；4.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院 陜西西安 710064）

摘 要：熱障涂層作為一種材料防護(hù)的重要手段，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的增大對(duì)熱障涂層的隔熱能力提出了更高的要求，制備工藝的優(yōu)化會(huì)顯著改變涂層的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響涂層熱導(dǎo)率、彈性模量、微觀硬度等參數(shù)。該文重點(diǎn)梳理了熱障涂層的幾種常用制備方法：APS（大氣等離子噴涂）、EB-PVD（物理氣相沉積）、PS-PVD（等離子噴涂-物理氣相沉積），理順了各方法制備涂層時(shí)的控制因素，為開發(fā)新型耐高溫?zé)嵴贤繉犹峁┝死碚摶A(chǔ)。

關(guān)鍵詞：材料防護(hù) 隔熱能力 制備工藝 APS

中圖分類號(hào)：TG17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（c）-0042-02

熱障涂層做為一種材料防護(hù)的重要手段，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，尤其是燃?xì)廨啓C(jī)等高溫苛刻環(huán)境中。典型的熱障涂層只有幾百微米，但其具有很強(qiáng)的隔熱能力，隔熱效果可達(dá)到100 K左右，這相當(dāng)于高溫合金發(fā)展幾十年的水平。伴隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的增大，自然對(duì)熱障涂層的隔熱能力提出了更高的要求。提升熱障涂層熱防護(hù)能力的重要手段有制備工藝改進(jìn)、開發(fā)新型涂層材料等。制備工藝的優(yōu)化會(huì)顯著改變涂層的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響涂層熱導(dǎo)率、彈性模量、微觀硬度等參數(shù)。因此，該文試圖梳理熱障涂層的幾種常用制備方法，理順各方法制備涂層時(shí)的控制因素，為開發(fā)新型耐高溫?zé)嵴贤繉犹峁├碚摶A(chǔ)。

熱障涂層的制備方法主要包括：APS（大氣等離子噴涂）、EB-PVD（物理氣相沉積）、VKS（真空動(dòng)力噴涂）、CS（冷噴）、CGDS、KS、SPS（懸浮液等離子噴涂）、SPSS（溶液前軀體等離子噴涂）、HVOF（超音速火焰噴涂）、PS-PVD（等離子噴涂-物理氣相沉積）等，其中應(yīng)用最為廣泛的是APS和EB-PVD，以及近期提出的基于APS和EB-PVD的PS-PVD。

1 物理氣相沉積

EB-PVD制備熱障涂層是在1970年由Pratt和Whitney最早發(fā)現(xiàn)的，即在真空室中放置含有YSZ的塊體基材，然后利用電子束蒸發(fā)，最后沉積在基體上形成涂層。蒸發(fā)前，基材的預(yù)熱溫度可達(dá)到1000 ℃左右，另外，即使是真空環(huán)境，也會(huì)存在較小的氧分壓，此時(shí)便不可避免地在基體上形成一層很薄的TGO層（約0.05～0.1μm）。EB-PVD制備的涂層是典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能有效降低涂層的面內(nèi)彈性模量，進(jìn)而減小合金基體和陶瓷表層間由于熱膨脹系數(shù)不同造成的涂層開裂。雖然EB-PVD制備成本較高，但EB-PVD制備的涂層壽命更長、涂層更平整。EB-PVD制備涂層時(shí)，可在蒸發(fā)室中同時(shí)蒸發(fā)多種原材料，混合后沉積在基底上，制備出許多在平衡狀態(tài)下難以制備的材料，這基于材料在氣相中可以不遵守其在液相或固相中必須遵守的溶解度法則。

早期的EB-PVD功率較低，制備材料較為有限，但隨著電子槍發(fā)射功率的提高，現(xiàn)階段的EB-PVD工藝幾乎可以用來蒸發(fā)、沉積任何物質(zhì)?，F(xiàn)有的制備工藝中粒子沉積速率可以在0.5 nm/min～120 μm/min范圍內(nèi)調(diào)整，而且為了最大限度地避免高溫下蒸發(fā)材料與坩堝材料的化學(xué)反應(yīng)，設(shè)備中均采用水冷銅坩堝系統(tǒng)。雖然EB-PVD制備工藝已經(jīng)非常成熟，但其也有許多固有的缺點(diǎn)，如：對(duì)于合金材料，在蒸發(fā)時(shí)，由于合金中各組元的物理化學(xué)性質(zhì)不同，因此容易出現(xiàn)選擇性蒸發(fā)，從而導(dǎo)致所獲得的涂層成分與期望成分有較大區(qū)別；另外，EB-PVD是一種非平衡工藝，由于受陰影效應(yīng)的影響，在涂層制備過程中，不可避免地會(huì)形成一些缺陷，因此，當(dāng)需要多的致密涂層時(shí)，沉積參數(shù)的控制較為復(fù)雜。典型的EB-PVD制備工藝如圖1所示[1-2]。

2 大氣等離子噴涂

APS采用剛性非轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源，以噴涂粉末材料為主的熱噴涂方法。其基本原理為：噴槍的電極和噴嘴分別接電源的負(fù)、正極，再向噴槍供給工作氣體，通過高頻火花引燃電弧，氣體被加熱到很高溫度而電離，在機(jī)械壓縮效應(yīng)、電磁壓縮效應(yīng)和熱壓縮效應(yīng)的作用下從噴嘴噴出，形成高溫高速等離子射流。送粉氣流推動(dòng)粉末進(jìn)入等離子射流后被迅速加熱和加速，形成熔融或半熔融的粒子束，撞擊到經(jīng)預(yù)處理的基材表面，在基體表面流散、變形、凝固，后來的熔融粒子又在先前凝固的粒子上層疊壓、堆積形成涂層[3]。與EB-PVD生成的柱狀結(jié)構(gòu)不同，APS制備的涂層微觀結(jié)構(gòu)為典型的層狀結(jié)構(gòu)，層間缺陷會(huì)顯著降低涂層的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)。當(dāng)今最流行的熱障涂層即是在19世紀(jì)70年代美國宇航局開發(fā)的噴在渦輪機(jī)葉片上的雙層結(jié)構(gòu)涂層——在NiCrAlY粘結(jié)層上通過APS制備8YSZ陶瓷層。這種雙層結(jié)構(gòu)涂層取得重大成功的主要原因是：提出用氧化釔來穩(wěn)定氧化鋯；采用的中間層NiCrAlY是阻氧的；僅有兩層，免去了多層結(jié)構(gòu)可能造成的熱不匹配損失。APS還有一種新工藝，可以在傳統(tǒng)層狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入垂直于基體的縱向裂紋，以此降低涂層的彈性模量，進(jìn)而增加涂層的壽命，APS廣泛應(yīng)用發(fā)電機(jī)中的燃燒室等需要較低制造成本且需要較大涂層厚度的部位。

就制備工藝而言，APS幾乎適用于所有難熔材料的噴涂、基體材料不受限制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制備各種熱障、抗氧化、耐蝕涂層。但其也有較為嚴(yán)重的缺點(diǎn)，如：噴涂涂層的孔隙率較大；冷卻速率較大，達(dá)到107 K/s，導(dǎo)致在涂層內(nèi)部易產(chǎn)生熱應(yīng)力和微裂紋；由于扁平粒子間是純粹的物理機(jī)械嵌合，因此結(jié)合強(qiáng)度較低。典型的EB-PVD制備工藝如圖2所示[4]。

3 等離子噴涂-物理氣相沉積

等離子物理氣相沉積PS-CVD是近年來新興的一種先進(jìn)涂層制備技術(shù)，其通過氣相、液相與固相的共沉積制備涂層，其是由瑞士的蘇爾壽美克公司基于LPPS發(fā)展而來的一系列最新技術(shù)，包括PS-CVD，PS-TF等。傳統(tǒng)涂層的真空環(huán)境真空度在50～200 mbar，所獲得涂層的厚度為20 um～2 mm，與大氣環(huán)境相比，較低的真空度導(dǎo)致火焰的長度由50 mm增加到500 mm，火焰直徑由10 mm增加到40 mm。更大的焰流會(huì)使掃描斑點(diǎn)增大，因此，火焰中粒子的溫度場和速度場會(huì)更均勻，會(huì)獲得更加均勻的涂層。

與傳統(tǒng)的LPPS相比，PS-PVD的等離子槍能量密度更高且工作環(huán)境壓力更低，在0.5～2 mbar之間，此時(shí)焰流的屬性會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化。射流長度會(huì)達(dá)到2 m，直徑為200～400 mm。蘇爾壽美克公司的O3CP噴槍的氣體流量可達(dá)到200 slpm，功率為180 kW。盡管PS-PVD的真空度比傳統(tǒng)EB-PVD的真空度（約為104 mbar）高，但如果將低真空度和高功率復(fù)合起來看，PS-PVD的優(yōu)勢(shì)便可顯現(xiàn)，其超高音速焰流的速度可達(dá)2000 m/s，溫度達(dá)到10000 K左右，因此其沉積效率會(huì)大幅提高。另外，與傳統(tǒng)涂層相比，PS-PVD具有非常好的繞鍍性，可在復(fù)雜工件表面均勻沉積涂層。

PS-PVD的最大特點(diǎn)是，在制備涂層過程中，其利用的不僅有融化的液滴，還有原材料蒸汽，這分別是APS和EB-PVD的原料，而且其所制得的涂層的性能也介于二者之間，也即，PS-PVD正是填補(bǔ)了APS和EB-PVD的工藝空白。典型的PS-PVD制備工藝如圖3所示[5]。

4 結(jié)語

3種制備方法各有優(yōu)劣，在具體實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)具體要求做以選擇。EB-PVD制備的涂層壽命更長、涂層更平整，而且可在蒸發(fā)室中同時(shí)蒸發(fā)多種原材料，混合后沉積在基底上，制備出許多在平衡狀態(tài)下難于制備的材料。APS幾乎適用于所有難熔材料的噴涂、基體材料幾乎不受限制，而且其沉積效率較高。PS-PVD具有非常好的繞鍍性，可在復(fù)雜工件表面均勻沉積涂層，由于PS-PVD利用的不僅有融化的液滴，還有蒸汽，這分別是APS和EB-PVD的原料，因此可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整制備工藝，獲得各種所需性能的涂層，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻(xiàn)

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