PS-PVD7YSZ涂層的氣相沉積機(jī)理和空間沉積特性.pdf

1、熱障涂層與高溫合金、氣膜冷卻技術(shù)并稱為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的三大關(guān)鍵技術(shù)。50年來，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展離不開熱障涂層的貢獻(xiàn)。新時(shí)期，航空發(fā)動(dòng)機(jī)向高推力、高效率方向發(fā)展，必然導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的工作溫度進(jìn)一步提高，故新一代超高溫、長壽命、高隔熱的熱障涂層迫切需要研究開發(fā)。使用傳統(tǒng)技術(shù)制備的熱障涂層并不能滿足未來高性能發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)峻的服役要求，所以發(fā)展新的熱障涂層制備技術(shù)是必然選擇，其中等離子噴涂-物理氣相沉積工藝(Plasma Spray-Phy

2、sical Vapor Deposition，PS-PVD)是最具潛力的未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層制備方法之一。目前，PS-PVD制各熱障涂層已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)瓶頸階段。單純的依靠工藝調(diào)節(jié)以提升涂層的性能，無法滿足熱障涂層的發(fā)展需求。因此，需要開展PS-PVD工藝沉積特性和涂層生長機(jī)理研究。通過了解PS-PVD涂層的沉積過程和影響因素（特別是PS-PVD柱狀結(jié)構(gòu)涂層），為PS-PVD熱障涂層的結(jié)構(gòu)調(diào)控提供理論支撐，并最終開發(fā)出符合要求的新一代熱

3、障涂層。
　　本文通過PS-PVD以逐步沉積、徑向沉積、軸向沉積的方式沉積氧化鋯(7％yttria-stabilised zirconia，7YSZ)柱狀涂層，采用SEM、XRM、TEM、XRD、3D輪廓儀等表征手段研究涂層結(jié)構(gòu)和性能的差異，再結(jié)合等離子射流光譜診斷和數(shù)值模擬，建立涂層生長模型、PS-PVD軸向和徑向空間沉積模型等，最終探討PS-PVD7YSZ柱狀結(jié)構(gòu)涂層的沉積機(jī)理和空間沉積特性。最后，通過PS-PVD在具有復(fù)雜型

4、面的多聯(lián)葉片上沉積涂層，研究PS-PVD非視線沉積特性，為其以后的工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。具體情況如下:
　　(1)依靠逐步沉積的方式研究PS-PVD獨(dú)特羽毛狀柱狀結(jié)構(gòu)的生長過程。研究發(fā)現(xiàn)，其生長大致可以分成3個(gè)階段:階段一，由氣相吸附基體后形核生長，最終形成由排列整齊的細(xì)柱狀晶構(gòu)成的致密涂層;階段二，細(xì)柱狀晶發(fā)展成大柱狀晶，該階段柱狀晶快速增高，涂層沉積效率最高;階段三，柱狀晶分枝發(fā)展成柱狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)入該階段后，涂層表面的枝晶的形成和抑

5、制達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，涂層的孔隙率、粗糙度、熱導(dǎo)率趨于穩(wěn)定。
　　(2)通過研究徑向分布沉積發(fā)現(xiàn)了PS-PVD區(qū)域沉積特性，沉積的涂層沿射流徑向可以劃分成3個(gè)區(qū)域:ZoneⅠ為氣相沉積區(qū)，主要是氣相沉積，高濃度的氣相形成典型的羽毛狀柱狀結(jié)構(gòu)涂層;ZoneⅢ為粒子沉積區(qū)，以熔融和微熔粒子沉積為主，涂層致密;ZoneⅡ位于兩者之間為過渡區(qū)域，區(qū)域內(nèi)涂層由氣相和固/液相小粒子混合沉積而成。結(jié)合光譜診斷，粉末粒子在PS-PVD等離子射流中的空間

6、分布模型被提出。氣相粒子主要集中在射流中心，熔融和粒子分布在射流的邊緣，且越靠近邊緣，它們的比例越高和尺寸越大。與Ar-He相比，Ar-He-H2氣相分布更寬泛一些，同時(shí)射流中微熔粒子的比例更高。
　　(3)通過PS-PVD在不同軸向位置沉積涂層，發(fā)現(xiàn)PS-PVD氣相沉積受非自發(fā)形核和自發(fā)形核控制。350mm和1800mm均為致密涂層。其中前者是高濃度氣相粒在基體前發(fā)生過飽和自發(fā)形核和液/固粒子共同作用形成的致密結(jié)構(gòu)涂層;后者是由

7、于氣相再凝固的粒子沉積而成致密結(jié)構(gòu)涂層。噴距650mm、950mm和1250mm都是典型的柱狀結(jié)構(gòu)涂層，涂層生長以非自發(fā)形核為主，進(jìn)入第三階段后，自發(fā)形核開始發(fā)揮作用，最終造成了涂層結(jié)構(gòu)細(xì)微的差異。
　　(4)通過PS-PVD基于噴距和噴涂角度的沉積實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PS-PVD射流的本征特性對涂層沉積有重大的影響?；w所處位置的射流溫度和速度影響氣相的形核和生長;此外，涂層的沉積效率與基體表面的射流壓力相關(guān)，壓力越大，沉積效率越高;柱狀