EB-PVD制备热障涂层完整介绍

电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备热障涂层技术

黄升

摘要：本文介绍电子束物理气相沉积（EB-PVD）制备热障涂层技术，结合发展历程综述其技术原理、设备构造及工艺特点。

关键词：电子束物理气相沉积（EB-PVD）热障涂层

1 引言

当今航空涡扇发动机正朝高流量比、高推重比和高涡轮进口温度方向发展，这就使得发动机叶片所承受温度不断升高，据报道目前商用飞机燃气温度达1500 °C、军用飞机燃气温度高达1700 °C[1]。而当前所使用镍基高温合金最高工作温度只能达到1200 °C，并几乎已达到其使用温度上限，提升空间极其有限。面对发动机使用的高温障碍，降低发动机叶片温度就成了极其关键的任务。热障涂层就是一种降温的有效途径（见图1），自20世纪70年代初问世以来[2]，受到广泛重视并迅速发展成为高温涂层研究的热点[3-8]。

图1 涡轮叶片承温能力

所谓热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）是指由金属缓冲层或者黏结层和耐热性好、隔热性好的瓷热保护功能层组成的层合型金属瓷复合涂层系统[9]。一般由具有一定厚度和耐久性的瓷涂层、金属粘结层和承受机械载荷的合金组成。目前根据不同设计要求热障涂层具有如图2所示双层、多层、梯度系统三种结构形式。

图2 热障涂层结构示意图

而电子束物理气相沉积（Electron bean-physical vapor deposition EB-PVD）制备热障涂层（TBCs）是在20世纪80年代开发，近年来不断发展成熟起来的新技术，其使用高能

电子束加热并汽化瓷源，瓷蒸汽以原子形式沉积到基体上而形成涂层。EB-PVD法制备的TBCs涂层表面光洁，有良好的动力学性能；涂层/基体的界面以冶金结合为主，结合力强，稳定性好。特别是其制备涂层组织为垂直基体表面柱状晶结构，具有很高的应变容限，较热喷涂制备涂层热循环寿命提升巨大。另外EB-PVD工艺技术精密，具有良好的可重复性。

简而言之，EB-PVD法制备热障涂层是兼具优良性能和巨大应用潜力的前沿技术。

2 EB-PVD技术发展历程

EB-PVD技术是伴随着电子束与物理气相沉积技术的发展而发展。直到上世纪中叶，电子束与物理气相沉积技术结合并成功地用于材料焊接及镀膜（或涂层）的制备。20世纪80年代，美国、德国等西方国家开始利用EB-PVD工艺制备热障涂层，但由于该设备在西方国家价格昂贵，且制备成本高，这使得对EB-PVD 技术的开发曾经一度停止[10, 11]。

20世纪50年代，前联对EB-PVD设备和工艺的投入全部集中在乌克兰巴顿焊接研究所，该所设计制造了30多台各种类型的EB-PVD设备。前联解体后，在科学院院士B A Movchen 的领导下，乌克兰巴顿焊接研究所成立了电子束国际中心（International Center for Electron Beam Technologies, ICEBT），并将EB-PVD设备的成本降低到接近西方国家同类设备的1/5。该中心成功地在叶片上制备出热障涂层，现已得到应用。到了上世纪九十年代中期，随着乌克兰巴顿焊接研究所研制的低成本的EB-PVD设备在世界各国的推广，从而掀起了EB-PVD技术的开发的新热潮[12-14]。

鉴于等离子喷涂（APS）涂层表面粗糙度大、孔隙多，难以适应气动性要求高的飞行器发动机涡轮转子叶片，加之APS涂层热稳定性和抗热冲击、热腐蚀性差。因此自20世纪70年代开始国外对EB-PVD制备TBCs开展了大量研究，自20世纪80年代美国、德国均获得可成功的应用[15]。由于EB-PVD TBCs柱状组织结构，能非常牢固地粘接在金属基体上，当基体受热膨胀时，柱状瓷晶体在水平方向具有大膨胀系数与基体匹配，在平面的氏模量较低，可更多地释放热应力，具有较好的抗热冲击性。正是这种高应力容限，使这种TBCs在高应力发动机上成功工作而不致剥落。这种特性是等离子喷涂TBCs不具备的。EB-PVD制备的TBCs在航空航天领域得到了广泛应用并发挥了巨大作用，正常情况下，TBCs可降低金属表面温度50～80 °C，个别高温点降温可达140 °C。

以EB-PVD技术在梯度热障涂层的研究历程中起的作用为例，为了解决金属与瓷热膨胀系数不匹配造成瓷层过早剥落现象，德国和加拿大研究人员最先提出了梯度热障涂层的设想。梯度热障涂层（图3）顶层YSZ（Yttria Stabilized Zironia）瓷层，底层为NiCoCrAlY金属粘接层，在二者之间引入了Al2O3-YSZ 梯度过渡层[16, 17]。该系统中金属粘接层到瓷层为连续过渡，消除了层状结构的明显层间界面，使涂层力学性能由基体向瓷层连续过渡。B A Movchan等人[18]选用Al-Al2O3-YSZ作为梯度过渡材料，利用EB-PVD采用单源多组分蒸发技术制备梯度热障涂层。采用EB-PVD方法制备梯度热障涂层，将在YSZ瓷层形成柱状晶结构，极提高瓷层的容应变能力。当Al2O3和ZrO2共同蒸发时，将在基体上得到具有微观多孔结构的Al2O3-YSZ混合层，可以降低材料的热导率。EB-PVD制备梯度TBC的抗热震性能得到了提高，在1135 °C (24 h)风冷至50 °C的热循环试验条件下，涂层能持续1500 h。

图3 梯度系统结构

3 EB-PVD技术原理、设备结构及工艺特点

3.1 EB-PVD技术原理

电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术是电子束技术与物理气相沉积技术相结合的产物。它是在真空环境下，利用高能量密度的电子束加热放入水冷坩埚中的被蒸发材料，使其达到熔融气化状态，并在基板上凝结成膜的技术。其物理过程如下：

被蒸发材料（固态）→金属熔融物和蒸气（气态）→涂层（固态）

3.2 EB-PVD设备结构

图4为乌克兰GEKONT公司研制的L5型EB-PVD设备[19]。该设备为工业型电子束设备，全长近9 m，总功率为280 kW，由容积为116 m3和位于主真空两侧的1至2个预真空室组成。

图4 EB-PVD设备工作原理图

配备8把电子枪，4个电子枪可分别或同时蒸发对应的4个锭料，2个电子枪用于从下方对基板进行加热，另外2个电子枪用于从上方对基板进行加热。每个电子枪的功率为60 kW，电子枪主要有直式皮尔斯枪和电磁偏转式枪。该设备采用的是直式皮尔斯枪，该枪具有结构简单，价格低廉和能量密度低等优点。聚焦电压为25 kV，电子束流2～3 A。

3.3 EB-PVD工艺特点