熱障涂層制備方法

熱障涂層制備方法

等離子噴涂

       等離子噴涂是把金屬或陶瓷粉末送入高溫的等離子體火焰，即利用等離子體焰流將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態。在高速等離子體火焰的引導下，高速撞擊工件表面。噴涂過程中，首先是噴涂材料被加熱達到熔化或半熔化轉臺；然后是被氣流推動向前噴射的飛行階段；最后以一定的動能沖擊基體表面，產生強烈碰撞展平成扁平層并瞬間凝固。最終形成的噴涂涂層是由無數變形粒子相互交錯，呈波浪形堆疊在一起的的層狀組織結構。顆粒與顆粒之間不可避免的存在一部分空隙或者孔洞，其孔隙率一般在4%~20%之間，涂層中伴有氧化物和夾雜。采用等離子體弧高溫熱源，超音速以及低壓或保護氣氛噴涂可減少這種空隙、孔洞等缺陷。

     由于涂層是層狀結構，所以涂層的性能具有一定的方向性，涂層與基體表面的結合一般認為有以下兩種：機械結合，碰撞而成的扁平狀的顆粒隨基體表面有一定的起伏，和凹凸不平的表面互相嵌合，形成機械釘扎而結合；另一種是冶金結合，這是當涂層和基體表面出現擴散和合金化時的一種結合烈性，包括在結合面上生成的金屬間化合物或固溶化，以上結合中等離子體噴涂涂層是以機械結合為主。

      涂層的性能與噴涂粉末的質量和噴涂的工藝密切相關。對于噴涂用的粉末的處理相當的重要。噴涂工藝對涂層性能的影響也很大，噴涂時功率高、涂層致密、基體溫度控制不當則會產生殘余應力導致涂層剝落和失效。

電子束物理氣相沉積（EB-PVD）

     近年來發展起來的EB-PVD熱障涂層是用高能電子束加熱并氣化陶瓷源，陶瓷蒸汽以原子為單位沉積到基體上而形成的，在制備梯度熱障涂層時，實現了金屬粘結層與陶瓷層之間結構和成分的連續過度。經過高溫后續處理，是粘結層與陶瓷層之間形成擴散，從而消除了內界面。其涂層組織為垂直于基體表面的柱晶狀組織。柱體和基體間屬于冶金結合，穩定性很好，且在高溫下，柱狀組織結構的涂層具有良好的應變承受能力。從而大大的提高了涂層的抗熱疲勞的性能。在熱循環實驗中，涂層的失效是由于Al2O3層內部開裂引起的。另外涂層表面光滑無需再加工，工藝參數易于控制，涂層可修復均是與等離子體噴涂制備熱障相比的優勢所在。然而，涂層厚度不可控，表面清洗復雜、設備復雜昂貴、沉積速率相對較低、工藝流程繁瑣這些缺點也是非常需要研究改進的。

                    EB-PVD原理示意圖

     
                    EB-PVD柱狀晶構圖

液體注入等離子體熱噴涂

        液體注入等離子體噴涂是近年來出現的一種很有前途的涂層制備方法，國內幾乎沒有報道，主要是國外進行了一些探索性的研究。液體注入等離子體噴涂設備熱障涂層的原理是鋯鹽溶液用輸送的馬達抽出，在載氣的作用下，經過霧化噴嘴，進入等離子體中，在熱等離子體中發生物理化學反應后，沉積到金屬基體上。粉末注入法制備的常規熱障涂層只能經受400次左右的熱循環，EB-PVD制備的熱障涂層是780次左右，液體注入法制備的新型熱障涂層可經受平均為1018次的熱循環，熱循環性能得到改善；涂層中相結構組成主要為非轉變型的四方相，且在1121℃下熱循環時無相變發生；裂紋的寬度會隨著熱循環的循環次數的增加而增加；涂層的硬度在熱循環的早期會有所增加；涂層的柱狀晶結構在熱循環過程中得以保留；液體進入等離子體噴嘴的穿入深度對涂層的沉積效率有著很大的影響；涂層失效主要發生在陶瓷面層內靠近陶瓷面層與粘結層的界面處。

     總的來說，利用溶液注入等離子體噴涂工藝制備的熱障涂層具有以下特點：（1）獨特的顯微結構：涂層的晶粒尺寸大小為10~30nm；均勻的納米級和微米級孔隙；具有縱向微裂紋；不存在層狀顆粒和片層晶界；（2）納米晶粒長大過程受到抑制；（3）涂層具有良好的抗熱震性能。

     Sol-gel復合料漿熱壓濾法制備陶瓷涂層

     采用Sol-gel復合料漿熱壓濾法制備出具有YPSZ顆粒鑲嵌于Al2O3-Y2O3空間網絡膜結構的Al2O3-ZrO2-Y2O3復合涂層，則可既綜合Al2O3-Y2O3和ZrO2-Y2O3兩種涂層的優點，獲得更好的綜合效果。

     使用熱壓濾法制備的PYSZ涂層具有納米/微米/微孔復合結構，可以有效的降低聲子熱傳導和對流熱傳導，使涂層具有較高的熱障效果。涂層的熱障效果隨料漿中溶膠含量的增加而增高。

     Al2O3-ZrO2-Y2O3復合涂層中Al2O3-Y2O3網絡膜能夠阻擋氧離子的傳輸，鑲嵌的YPSZ可以調節涂層與基體的熱膨脹匹配關系，同時涂層的納米/微米/微孔復合結構有利于應力的松弛，因此Al2O3-ZrO2-Y2O3復合涂層具有優異的抗高溫氧化和抗氧化物剝落的能力。

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