自二十世纪60年代以来，早期的大气等离子喷涂(atmosphere plasma spraying，APS)到80年代真空等离子喷涂(vacuumplasma spraying，VPS)，90年代迅速发展的电子束物理气相沉积(electron beam physical vapor deposition，EB PVD)等热障涂层(thermal barrier coatings，TBCs)制各技术的发展已走过了近50年的历程Ll J。但是以陶瓷涂层与金属基体构成的热障涂层系统由于本身在物理化学、力学性能等方面的不匹配性，以及加工过程中工艺的复杂性和后续服役过程中的高温、腐蚀、磨损和热冲击等环境的苛刻性和严酷性，使得目前服役中的热障涂层运行寿命和隔热效果仍难以满足迅速发展的航空航天、新能源、国防科技等尖端工业业发展的需要L2-引。显然要想大幅提高目前TBC系统应。用水平和寿命，只有解放思想，在新材料、新工艺开发和产业化配套研究方面进行大胆创新，才有可能使热障涂层的质量和应用水平更上一个台阶。传统的大气等离子喷涂(APS)制备TBCs系统(APS．TBcs)为典型的层状多孔结构，隔热好、工艺简单、生产效率高，但界面结合弱、强度低、抗热震性差；电子束物理气相沉积(EB—PVD)涂层为致密柱晶结构，强度高、结合好，纵向晶界利于热应力释放，但同时也提供氧扩散快速通道，导致界面热生长氧化物(TGO)快速生长而剥落，且工艺严、效率低、成本高、应用受到局限。针对APS和EB．PVD制备TBCs系统的局限性，近年来也涌现出一些制备热障涂层的新工艺和新材料技术，如低压等离子喷涂、冷喷涂、超音速 火焰喷涂等与APS结合制备TBCs系统，溶液前驱体等离子喷涂，多弧镀、磁控溅射、扩渗层等与EB—PVD结合，以及开发新的ZrO2稳定剂或类ZrO2性质的稀土锆酸盐类热障涂层新材料等。
本文主要介绍最新开发的超音速大气等离子喷涂(supersonic atmospheric plasma spraying，SAPS)制备新型细密柱晶结构TBCs系统的性能特点。所谓超音速等离子喷涂(SAPS)是指在传统非转移型等离子弧基础上，通过对高压、高速等离子气体进一步强力压缩和加速而获得的高能量密度、加长的扩展等离子弧，可获得数倍于音速的超音速等离子体射流来进行喷涂的方法。与普通等离子喷涂(喷涂粒子速度约200~400m／s)相比，超音速等离子射流的高能量密度能够瞬间熔化高熔点喷涂材料，并能迅速加速熔融粒子突破声障至450~900m／s的超音速水平。相对于国内外现行通用的普通等离子喷涂工艺，超音速等离子喷涂由于 速度快，喷涂粉末颗粒在射流中停留时间缩短，熔融或半熔融粒子撞击基体时的动量增大，能量转换效率高，熔滴铺展充分，涂层薄片有效结合增加，涂层结合强度、致密性和孔隙率都有所改善；同时，研究表明由于采用内送粉，粉末直接送入能量密度更高、压力和刚性更大的超音速等离子射流中，粉末的剧烈碰撞或者粒子急速熔化后的二次雾化，射流中细小熔融粒子的数量远多于普通等离子射流。细小熔滴表面能大，碰撞到基体上飞溅小，冷速快，晶粒来不及长大，容易获得更加细密的涂层组织，涂层的韧性等综合指标均有所改善，尤其是在制备各种高熔点陶瓷、难熔金属和金属陶瓷等涂层领域，具有其它燃气火焰或电弧等高速喷涂方法所不可替代的优势。基于以上机制，用超音速等离子喷涂制备出细密柱晶新型结构热障涂层在热震性能、隔热性能和高温氧化等方面均展现出的一些与传统等离子喷涂不同的一些现象。另一方面，超音速等离子喷涂在制备MerA1Y等合金涂层方面，同样由于合金组织细密化和喷涂过程惰性气体环境以及更短的加热历程使涂层更洁净(SAPS氧化夹杂明显低于APS)，也初步显示在控制热生长氧化物(thermally grown oxide，TGO)方面的一些特点。此外，实验中已观察到的细密柱晶组织在高温服役过程中有利于形成尺寸较小的高密度、稳定性好、相对均匀的微裂纹分布，对于TBCs系统的隔热行为也有一些新的发现。
此外，从实际应用方面，SAPS的工艺流程与APS一样，可在不受空间限制的大气条件下，采用相对简单的一步法流程制备高性能的MCrA1Y合金底层和ZrO2陶瓷面层，充分发挥其灵活方便、工艺稳定、低成本、高效率的生产优势，突显其良好的产业化前景。因此，对自主核心技术的、处于国内外热喷涂研究前沿领域的超音速等离子喷涂制备高性能热障涂层技术进行深入研究和产业化开发，既有重要的理论新意，也有广阔的工程应用前景。
摘 要：本文介绍了最新开发的超音速大气等离子喷涂(SAPS)技术制备细密柱晶结构热障涂层系统 (SAPS．TBCs)的一些研究进展。由于SAPS喷涂15～45Hm粒径的8YSZ氧化锆球形粉末在等离子射流中飞行速度约为400．450m／s，是普通大气等离子(APS：130-220m／s)2～3倍，可方便制备出体积分数达80％以上的薄片状细密柱晶结构TBC涂层，柱晶轴向长度可方便地控制在2～5 m，孔隙率可根据需要在l％～12％范围内调变。研究表明，这种结构的8YSZ-TBC涂层试样1100~C淬水热震循环可达400周次以上，比相应APS—TBC涂层热震性能(小于150周次)高2～3倍：涂层结合强度从APS．TBC的30MPa左右提高到SAPS．TBC的50MPa左右；一个有趣的现象是APS．TBC的隔热效果随着温度和热循环周次的增加而下降，而SAPS．TBC的隔热效果反而升高；对全包覆涂层试样进行的1100~C、1000小时高温氧化实验表明，除了SAPS陶瓷面层更为细密、更多晶界对0。扩散起了较好 的阻挡作用外，SAPS制备MCrA1Y更为精细、纯净的底层合金组织也对TGO的氧化行为起了有益的作用，导致SAPS．TBC的TGO形态和动力学行为优于APS．TBC。此外，SAPS与APS一样，可在自然空间条件下采用相对简单、一气呵成的一步法工艺流程制备热障涂层，充分发挥其灵活方便、工艺稳定、低成本、高效率的生产优势，突显良好的产业化前景。
关键词：超音速等离子喷涂；热障涂层；测温测速；组织结构；热震；氧化；隔热
参考文献略
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