热障涂层制备技术研究进展
牟仁德，何利民，陆峰，陶春虎
机械工程材料
内容导读：热障涂层(TBC)是由隔热性能优良的陶瓷氧化物面层和起粘结作用的底涂层组成的防热系统。TBC的研究虽始于20世纪40年代，但实际应用仅有30a的历史。TBC具有很好的隔热效果，且硬度高、化学稳定性好，在发动机中应用具有防止高温腐蚀、延长热端部件使用寿命、提高功率和减少燃油消耗等优点，T13C的出现为大幅度改进热机性能开辟了新途径。目前，世界各发达国家都竞相研究和发展这一涂层，已成功应用于航空发动机、工业燃气轮机、柴油机、高温气冷反应堆等多种动力能源。
TBC主要包括双层、多层和梯度系统三种结构形式。双层系统制备工艺简单、隔热能力强，是目前实际应用最多的形式。该系统的表层陶瓷氧化物以6%一8%(质量分数，下同)稳定的Zr唤为主，粘结层为包覆型MCrAIY或扩散型(Ni，Pt)Al涂层。TBC制备工艺在实践中不断得到改进，出现了很多具有代表性的制备技术，如等离子喷涂、电子束物理气相沉积和化学气相沉积等川。作者对几种主要制备技术的沉积原理进行了简要论述，分析了各自的特点，并对涂层的显微结构、工作寿命及应用范围等进行了比较。
摘要:随着燃气涡轮发动机进口工作温度的提高，热障涂层技术受到了广泛的关注。综述了热障涂层研究及应用中的几种主要制备技术，包括等离子喷涂、电子束物理气相沉积、离子束辅助沉积、化学气相沉积等。介绍了上述几种制备技术的沉积原理，分析了各自的特点，并从涂层显微结构、涂层寿命、应用范围等方面进行了对比，认为离子束辅助沉积和化学气相沉积技术在未来高性能新型热障涂层制备中具有较大的发展潜力。
关键词:热障涂层;等离子喷涂;离子束辅助沉积;化学气相沉积；热喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/repentu/20120914/1347588345484.html
1等离子喷涂
1.1沉积原理
等离子喷涂技术(PS)是最早用于制造TBC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，同时送粉管中输送的粉末在等离子焰流中被加热到熔融状态，并高速喷涂在零件表面。当熔融状态的球形粉末撞击零件表面时，将发生塑性变形，附着在零件表面，各颗粒也依靠塑性变形而相互粘结，随着喷涂时间的增长，零件表面就获得了一定尺寸的喷涂层。用于TBC制备的等离子喷涂包括以下三种形式阁:(1)常规等离子喷涂又称大气等离子喷涂(APS)，它利用氮和氢等离子体提供4400一550。℃的粉末加热区，将陶瓷或金属粉末粒子加热至熔融或半塑性状态，并加速喷向工件，粒子变形堆积，形成涂层。APS的一般功率为30一80kw，典型的喷涂速率为0.1kg/(h·kw)。(2)高能等离子喷涂的功率范围为100一250kw，等离子体的出口温度可达8300℃。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，且污染少。(3)低压等离子喷涂的功率范围为50一100kw，低压室压力为10一50kPa。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，所以形成的涂层氧含量低，并且相当致密。涂层质量好，但设备昂贵。
1.2工艺特点
PS是利用高速飞行的熔融或半熔融态粒子撞击变形后叠加形成涂层，其表面粗糙度低，显微组织呈片层状，孔洞较多。目前，PS制备的热障涂层在航空发动机加力燃烧室火焰筒、鱼鳞板、涡轮静止叶片上均有应用。
1.3存在不足及改进措施
PS制备的涂层中含有大量熔渣、夹杂物和微裂纹等，这些缺陷在高温时会导致硫化、坑蚀、盐腐蚀和氧化，使涂层与基体结合强度降低、甚至剥落，引起失效，缩短涂层服役寿命[0，‘0]。此外，涂层表面粗糙度低、孔隙率高，难以满足航空发动机转子叶片的气动性要求，抗热冲击性能差。为了提高等离子喷涂TBC与金属基体的粘结强度和减少涂层缺陷，国内外研究者采用了扩散热处理、热等静压、激光重熔、离子注人等方法对等离子喷涂技术加以改进。研究表明，激光重熔对于改善等离子喷涂TBC的性能有明显的作用。激光重熔的工艺过程是，先用等离子喷涂预置ZrO2一Y203/MCrAIY涂层，然后用高能激光热源对表面薄层进行加热熔化，高能热源快速移动，表层材料快速凝固，产生致密、均匀的显微结构，且表面粗糙度高。经过激光重熔的ZrO2涂层出现紧密堆积的柱状晶结构，且柱状晶定向外延生长，垂直于基体表面。因此激光重熔能显著改善涂层质量和寿命。
2电子束物理气相沉积
为改善等离子喷涂TBC的不足，国内外研究者自20世纪70年代起，开展了电子束物理气相沉积(E件PVD)设备及工艺的研究。美国P&w公司在80年代取得突破，随后德国也获得成功应用。乌克兰巴顿焊接研究所研制成功的低成本设备，极大促进了这一技术的广泛应用〕。
2.1沉积原理
E珍PVD的工作原理首先是将设备真空室通过真空泵抽取真空，达到一定的真空度要求后，电子枪开始发射电子束，直接照射到水冷柑锅中被蒸发的材料上，利用电子束的能量加热并气化材料，材料蒸气以原子或分子的形式沉积到基体上形成涂层。
2.2工艺特点
EB-PVD涂层与等离子喷涂层的机械锚固的粘结机理不同，它是化学性结合。一般来说，EB-PVD先形成一层细的等轴晶，然后在其上面形成织构及柱状晶。其显微组织是由许多彼此分离的柱状晶体组成，且每个柱状晶体又与底层牢固结合。柱状晶结构能提高涂层的应变容限，使涂层抗剥落寿命比等离子喷涂层提高约7倍。另外，与等离子喷涂相比，EB-PVD法还有与切口表面的粘结力好，抗蚀性好，冷却通道不易堵塞等优点。由于柱状晶生长与热流方向平行，柱状晶结构会使得它的导热系数略高于等离子喷涂层，在一定程度上减弱了涂层的隔热效果，但柱状晶间的密闭气孔、平行于界面的微裂纹、微孔洞可有效地阻止热迁移山〕，因此EBPVD涂层能满足隔热要求。
由于EB-PVD涂层制作成本较高，目前只用于涡轮发动机转子叶片等服役环境特别恶劣的部位。
2.3存在不足
虽然EBPVD工艺有着广泛的应用范围和优点，但与等离子喷涂法相比，其沉积速率较低，涂层的热导率较高;受各元素蒸气压影响，当涂层材料成分复杂时，材料的成分控制较困难。采用EB-PVD技术制备TBC时，受预热温度的限制，工件尺寸不能太大;对于形状复杂的工件，EB-PVD存在所谓的“阴影”效应;此外，高能电子束设备及大尺寸真空室运行成本较高，原材料利用率较低。
3离子束辅助沉积技术
3.1沉积原理
离子束辅助沉积技术(IBAD)是近些年出现的一种新型材料制备技术。它把PVI和离子束轰击结合在一起，在沉积的同时，利用高能离子轰击沉积表面，影响表面环境，从而改变沉积薄膜成分、结构。典型的IBAD系统可分为两种类型，第一种以离子溅射方式作为沉积方法;第二种采用电子枪蒸发作为沉积方法。IBAD系统所用辅助离子源均为低能离子束，其能量大小一般为5一10keV，它的作用是在沉积层表面造成局部高温高压，与蒸发气相发生物理和化学变化，在基体上形成薄膜。
3.2工艺特点
通过一系列的物理和化学作用，IBAD工艺可以提高E件PVD工艺的沉积速率，准确控制涂层成分，降低预热温度，起辅助轰击作用的荷能离子与沉积原子的级联碰撞效应，增加了原子的迁移能力，减轻或消除了蒸发或溅射离子沉积时的“阴影”效应，减小涂层制备残余应力，增加可喷涂材料的尺寸。
总之，IBAD可以在较低温度甚至室温下沉积出均匀性强、聚集密度高、层间结合好的高质量热障涂层，也可以控制TBC的密度变化、增加热障界面，从而实现多层、梯度或微叠层等新结构TBC的制备。
3.3存在不足
由于IBAD技术的研究起步较晚，设备及工艺发展还不够成熟。概括起来主要包括以下几个方面:(1)辅助离子源的开发研制尚待深人。IBAD技术的发展要求未来的辅助离子束源能够实现宽能、大束流、低气耗、低污染和可自动控制。目前应用最为广泛的霍尔等离子体源还不能很好地满足上述要求。除此之外，辅助离子源的工作稳定性也是目前该领域有待解决的问题。(2)IBAD沉积TBC的工艺还处于探索研究阶段，工艺稳定性及实施范围有待进一步研究，急需制定相关工艺规范和行业标准，以满足工程化应用要求。(3)涂层晶体组织及显微结构研究不够全面，涂层形成过程及晶体学机理等方面还需系统研究。(4)由于蒸发离子束、溅射离子束及辅助离子束均为“视线”工艺过程，虽然辅助离子束增加了沉积原子的绕射性，能在很大程度上减轻EB-PVD技术中存在的“阴影”效应，但仍然不能完全消除。因此对于形状特别复杂的零部件，IBAD技术的应用仍然有一定的局限性。
4化学气相沉积
虽然PS和EB-PVD法已经用于TBC的制备，但这两种技术均为“视线”工艺过程，一般只能用于沉积简单形状的工件，对于形状复杂的工件或有遮挡的部位，如管的内表面，则很难进行沉积。为解决复杂形状工件TBC的制备，化学气相沉积(CVD)技术得到了应用和发展卿」。
4.1沉积原理
CVD是借助多元气体在加热的工件表面发生化学反应，生成所需的涂层。CVD通常可以按照沉积反应中的产物母体材料和能量来源进行分类。常规CVI)使用电阻或电磁感应加热，因此又称为热法CVD。CVD工艺过程包括由金属一有机体的产物母体产生错和忆，然后在有壁面加热的反应器中与氧反应，形成TBC。
4.2工艺特点
采用CVD技术制备TBC时，由于对反应气体的强制导流可使涂层元素到达复杂形状或内腔中的任何部位，包括冷却孔和复杂气体通道，所以该技术的最大特点是表面涂覆率极高;其次，CVD技术便于实现微叠层或具有成分梯度的涂层制备，没有堵孔和涂覆后的清理问题，涂层厚度和成分的均匀性及可控性好，涂层与基体结合牢固，涂层显微结构类似柱状晶;此外，涂层制备成本较低，尤其适合工业燃气涡轮机叶片和导向器之类的复杂大型构件上TBC的沉积制备。
4.3存在不足及改进措施
常规CVD技术制备TBC最大的不足是沉积速率低，约。.5一20um/min;其次，是反应温度较高。高的反应温度有利于增加沉积速率，但是涂层与基体的粘结会因反应温度的升高而变差，改善涂层应变容限的柱状晶结构也会消失。
为了克服CVD的这些缺点，研究者们发展了等离子增强化学气相沉积和激光CVD。等离子体能极大地提高原材料的反应活性，因此能大幅度提高沉积速率和降低反应温度。激光不但可以提高原材料的反应活性，还可以直接加热基体。通过移动光斑和工件，激光法可以在很大的工件表面快速沉积TBC，沉积速率可以达到EB-PVD甚至APS的水平。
5 结束语
热障涂层技术是未来制造高性能发动机必不可少的技术，近年来国内外在热障涂层制备技术研究方面取得了显著的进步，但仍然存在涂层性能与设备成本及工艺成本矛盾、应用范围局限等方面的问题，要克服这些问题，今后应着重开展以下几方面的研究:(1)改善PS热障涂层质量的沉积工艺和后处理工艺研究，提高涂层与基体的结合力，增加涂层的服役寿命。(2)进一步降低EB-PVD设备成本和工艺成本，开展复合化、多层化热障涂层的EB-PVD制备工艺研究，以及实现EB-PVD技术的低温化。(3)IBAD技术在未来新型微叠层或梯度陶瓷热障涂层的工业化生产中具有很好的应用前景，目前应加强IBAD辅助离子源和沉积靶材的研制，实现IBAD工艺的规范化和标准化，扩大技术的应用范围。(4)CVD在复杂形状表面或者内腔TBC的制备方面具有巨大的潜力。应着重开展CVD技术中新型反应器的设计及工艺研发，引人等离子体、微波、超声波、激光等辅助能源，激活反应气体分子，降低沉积温度并提高沉积速率、涂层均匀性和结合力。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
