热喷涂技术在热障涂层制备中的应用
陈晓鸽,魏 媛
河南工程学院学报(自然科学版)2009年3月
摘 要:综述了热障涂层研究及应用中的几种热喷涂技术,包括火焰喷涂、爆炸喷涂和等离子喷涂,介绍了上述几种制备技术的原理并分析了各自的特点,认为爆炸喷涂工艺、溶液注入等离子喷涂工艺在新型热障涂层制备中的应用前景广阔.
关键词:热障涂层;火焰喷涂;爆炸喷涂;等离子喷涂；热喷涂
隔热涂层又称热障涂层(Thermal Barrier Coatings—TBCs),实际上是将一种热绝缘性能非常好的陶瓷材料通过特殊的工艺涂到航空发动机的关键热端部件表面,厚度一般不超过0. 5mm[1].虽然很薄,但该类涂层却能有效避免航空涡轮发动机热端关键部件与高温燃气的直接接触,从而有效保护发动机热端部件并显著提高发动机的燃油经济性.由于其优良的性能,几十年来热障涂层在航空发动机技术的发展中获得了广泛应用[2].在热障涂层技术近30年的发展过程中,涂层制备方法及工艺的研究一直广大学者关注的焦点.近几年来,随着航空发动机向高流量比、高涡轮进口温度和高推重比方向发展,发动机燃气温度进一步提高,使得热障涂层技术显得更加重要,有关涂层制备方法的国内外研究更加活跃[3, 4],成为近几年来该领域研究焦点之一.热喷涂技术作为最常用的热障涂层制备方法,它的发展在热障涂层技术领域占有十分重要的地位.为此,本文就热障涂层制备所用到的热喷涂方法进行了综述,并就将来涂层制备技术的发展方向进行了探讨.
1 火焰喷涂
1.1 沉积原理
火焰热喷涂技术分粉末火焰喷涂和丝材火焰喷涂,其中在制备热障涂层研究中多以粉末喷涂为主.喷涂中通常使用乙炔和氧组合提供热量,也可以使用甲基乙炔、丙二炔(MPS)、丙烷、氢气或天然气.喷枪通过气阀引入乙炔和氧气,二者混合后在喷嘴处产生燃烧火焰.喷枪上设有粉斗或进粉管,利用送粉气流产生的负压抽吸粉末,使粉末随气流进入火焰,粉末在火焰中被加热熔化或软化后,在气流及焰流的作用下喷射到基材表面形成涂层.
1.2 工艺特点及存在的不足
火焰喷涂可喷涂金属、陶瓷、塑料等材料,应用非常灵活,喷涂设备轻便简单,可移动,价格低于其他喷涂设备,经济性好,是目前喷涂技术中使用较广泛的一种方法.但是,火焰喷涂也存在明显的不足.如火焰温度低,熔点超过2 500℃的材料很难用火焰进行喷涂.另外,进入火焰及随后飞行中的粉末,由于处在火焰中的位置不同,被加热的程度存在很大的差别,导致部分粉末未熔融、部分粉末仅被软化,从而造成涂层的结合强度及致密性比较低.此外,火焰中心为氧化性气氛,会加剧金属粉末的氧化程度[5].如陈文华等采用火焰喷涂技术制备了Al2O3/Fe功能梯度热障涂层、普通纯Al2O3热障涂层和带过渡层(Cu)的热障涂层.结果表明,涂层的结合强度分别为5. 73 MPa、13. 21 MPa和25. 3 MPa,三种涂层在900℃热冲击7次、12次和16次便出现明显的涂层脱落现象,与等离子喷涂制备的热障涂层相比,该类涂层性能明显偏低[6].目前,在热障涂层的制备中,火焰喷涂已基本被等离子喷涂技术所取代.
2 爆炸喷涂
2.1 沉积原理
爆炸喷涂时先将一定比例的氧气和C2H2由供气口送入冷喷枪的燃烧室,然后由送粉器将喷涂粉末送入燃烧室,经火花塞点火,氧气和C2H2混合气体发生爆炸式燃烧,其热能加热喷涂粉末到一定状态,然后在爆炸冲击波的作用下把粉末颗粒喷向工件表面而形成涂层[7].
2.2 工艺特点
其主要优点是[8]: (1)涂层结合强度高,达70MPa,对于金属陶瓷涂层可达175 MPa,高于一般的火焰涂层和等离子涂层; (2)涂层致密,孔隙率小于1%; (3)涂层硬度高,耐磨性好; (4)爆炸喷涂是脉冲式的,工件每次受热气流冲击时间短,因而喷涂时工件热损伤小; (5)爆炸喷涂涂层粗糙度低,可低于Ra 1. 6μm,经磨削加工可达Ra 0. 025μm.同时,爆炸喷涂不可避免的存在噪声大、效率低、粉尘大等缺点.
2.3 存在的不足
爆炸喷涂作为一种新技术,自从1955年被美国联合碳化物公司研制成功并申请专利以来已得到广泛应用,尤其是在美国、日本和俄罗斯的航空工业上.如高低压压气机叶片、涡轮叶片、轮壳封严槽、齿轮轴、火焰筒外壁、衬套副翼、襟翼滑轨、制动装置等.但由于该技术从问世直至20世纪80年代一直未公开发表,所以在中国这种设备很少,目前国内的爆炸喷涂设备主要有三种: (1)北京621所自行研制的一台爆炸喷涂装置,由于开发研制早(20世纪80年代),存在一定的问题; (2)直接按乌克兰图纸在国内制作的设备2台; (3)我国引进乌克兰技术做了一些进一步改进的国产设备,主要是第聂泊—3型和捷米顿型两种,已有十余台.由于受设备的限制,目前国内对爆炸喷涂的涂层还没有进行系统的研究.尤其是爆炸喷涂熔点高的YSZ粉末时,由于粉末的高速运动,对粉末加热时间非常短,熔点高的粉末难以完全熔化.基于上述设备和工艺条件的限制,国内仅有极少数学者对爆炸喷涂制备热障涂层进行了研究.如武颖娜等人采用爆炸喷涂制备了YSZ/NiCrAlY热障涂层,结果表明爆炸涂层硬度是等离子涂层的两倍,同时爆炸涂层的抗氧化性能及抗热冲击性能均比较优良[9],涂层的热导率与等离子涂层相当,低于EB-PVD涂层[10].所以,采用爆炸喷涂完全能够制备出性能良好的热障涂层,但目前该方面的研究缺乏系统性,有待于进一步深入系统研究.
2.4 研究方向
从上可以看出,爆炸喷涂完全可以制备热障涂层,鉴于目前存在的不足,应从以下三个方面予以改进: (1)加大力度研制具有我国自主知识产权的先进的爆炸喷涂设备; (2)积极吸收引进国外先进技术,对现有爆炸喷涂设备进行升级改造; (3)在对现有爆炸喷涂设备进行升级改造的同时,系统研究爆炸喷涂工艺、涂层微观组织结构和性能三者之间的关系,并力争从爆炸喷涂的工艺理论方面方面取得突破,尽可能缩短我国与世界发达国家在爆炸喷涂研究方面的差距.
3 等离子喷涂
3.1 沉积原理
等离子喷涂不仅是目前最常用的制备热障涂层的热喷涂技术,也是最早用于制造热障涂层的先进工艺.它是用等离子体发生器(等离子喷枪)产生等离子体,同时送粉器管中输送的粉末在等离子焰流中被加热至熔化状态并高速喷涂在工件表面而形成涂层.当熔融状态的球形粉末撞击零件表面时,将发生塑性变形,附在工件表面,各颗粒也依次靠塑性变形而相互粘结,随着喷涂时间的增长,工件表面就获得了一定尺寸的喷涂层.目前,用于热障涂层制备的等离子喷涂技术主要包括以下几种形式: (1)常规等离子喷涂又称为大气等离子喷涂(APS),它利用氮气和氩气等离子体提供4 400℃~5 500℃的粉末加热区域,将陶瓷或金属粉末加热至熔融状态,喷向工件表面,粒子变形堆积形成涂层.APS的一般功率为30 kW~80 kW[11]. (2)高能等离子喷涂的功率范围为100 kW~250 kW,等离子体焰流出口温度可达8 000℃左右.由于功率大,等离子射流速度高,可使粉末完全熔化,并具有高的粒子碰撞速度,得到的涂层结合强度高、致密、且污染较少[11]. (3)低压等离子喷涂的功率范围一般为50 kW~100 kW,低压室压力为10 kPa~50 kPa.由于压力低,等离子束径粗而长、速度高、氧含量低,加上基体温度高,所以形成涂层含氧量低,涂层致密、质量好,但设备相当昂贵[12]. (4)超音速等离子喷涂(PlazJet)是利用非转移型弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”,得到稳定聚集的超音速等离子焰流进行喷涂的方法[13].该方式具有设备投资少、材料来源广、涂层质量好、生产效率高等诸多优点[14].开始时超音速等离子喷涂的最大功率多为80 kW,后经过技术革新出现的高效能超音速喷枪的功率降低到30 kW ~70 kW之间,而涂层的质量明显优于普通等离子涂层,与高能等离子喷涂相当[15, 16]. (5)溶液注入等离子喷涂(SPPS)是将事先配制好的制备热障涂层的溶液在气流的作用下,通过雾化喷嘴将其注入等离子焰流中,溶液微粒在热等离子体中发生一定的物理化学变化,最终在等离子体焰流的加速加热作用下,沉积到基体表面形成涂层[17].相对于一般的APS涂层,溶液注入等离子喷涂层在结构上发生了显著改变,在涂层的截面很少看到片层结构和平行于基体表面的微裂纹.涂层的力学性能,与基体材料的结合能力都得到较大改善.同时,由于涂层结构及力学性能的整体改善,使沉积厚度较大的热障涂层成为可能[18, 19].
3.2 存在的不足
等离子喷涂热障涂层由于工艺本身的特点,不可避免地存在着大量的气孔,气孔的存在有利于降低涂层的密度,并保证涂层具有较低的热导率.但是,由于涂层整体为片层状结构,而且片层之间含有大量与基体表面平行的微裂纹,从而降低了涂层的力学性能,并导致较差的结合力,在一定程度上限制了热障涂层的应用.同时,涂层中含有大量的熔渣、夹杂物和未熔粒子等,这些缺陷在高温时会导致硫化、坑蚀、盐腐蚀和氧化,降低涂层的服役寿命[19, 20].此外,涂层表面粗糙度低、孔隙率高,难以满足航空发动机热端部件气动性的要求,抗热冲击性能差.
3.3 改进措施
为了提高等离子喷涂热障涂层与工件的结合强度并减少涂层缺陷,国内外学者采用了诸如热扩散处理、激光重熔、离子注入、后氧化处理、溶胶凝胶、热等静压等方法对等离子涂层加以改进[21-24].研究表明,采用激光重熔技术对等离子喷涂热障涂层进行处理对涂层性能提高有明显的作用[25].激光重熔的工艺过程是,先用等离子喷涂预置热障涂层,然后用高能激光热源对表面涂层进行加热熔化,高能热源快速移动,表层材料快速凝固,产生致密、均匀的涂层结构,且表面粗糙度提高.同等离子喷涂热障涂层相比,激光重熔热障涂层可获得致密的垂直于陶瓷层表面生长的柱状晶组织和网状的微裂纹,有助于提高涂层的应变容限.并且,较浅的熔深具有一定的封孔作用,对提高热障涂层的抗热冲击性能和抗高温氧化能力十分有益.如张罡等人对等离子喷涂的YSZ/NiCoCrAlY热障作激光熔融处理后发现,涂层的抗氧化性能及抗热冲击性能比等离子涂层均有明显改善[25];日本某大学热喷涂中心在碳钢表面首先用低压等离子体喷涂ZrO2涂层,然后又用功率为1 kW的CO2激光束对ZrO2层重熔,重熔后的涂层表面硬度由原来的Hv 870提高到Hv 1 650,涂层孔隙率也明显下降[11].因此,激光重熔等离子喷涂热障涂层成为改善等离子喷涂热障涂层高温性能的一种有发展前途的研究方法.
4 结束语
随着航空发动机向高流量比、高推重比、高涡轮进口温度方向的发展,热障涂层成为解决未来航空发动机热端部件在更高温度下工作的关键技术.近几年来,国内外在热障涂层制备技术的研究方面虽然取得了显著进步,但涂层性能与制备工艺、应用范围局限性方面的矛盾仍然存在,要解决这些问题,今应着重开展以下几个方面的研究: (1)系统地研究爆炸喷涂工艺对涂层性能影响规律,探讨最佳制备综合性能优良的热障涂层的爆炸喷涂工艺. (2)溶液注入等离子喷涂技术在制备高质量的热障涂层方面具有较大的技术优势,是热障涂层制备工艺的发展方向.国外在该领域的研究起步较早,而且已经做了一定的工作.国内由于受到资金设备等条件的限制,相关报到较少.目前,围绕SPPS技术尚缺乏较为系统的研究,比如溶液先驱体的制备对涂层的成分和性能的影响,涂层制备后的后续处理以及溶液粒子在等离子焰流中的物理化学变化,是未来溶液注入等离子喷涂方面实验和理论的研究重点.(3)随着Ln2Zr2O7(Ln代表稀土元素)型稀土锆酸盐、LaMgAl11O19等新型热障涂层陶瓷的相继出现,探讨制备新型热障涂层的爆炸喷涂、各种等离子喷涂工艺,以及新型热障涂层的后处理工艺和装备等方面具有更广阔的前景[26, 27].
参考文献略
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