等离子物理气相沉积热障涂层研究进展

第9卷 第2期 热 喷 涂 技 术

V ol.9, No.22017年6月 Thermal Spray Technology Jun., 2017

等离子物理气相沉积热障涂层研究进展

高丽华１，２，于月光１，２，贾芳１，２，冀晓鹃１，２，　章德铭１，２

（1.北京矿冶研究总院，北京 100160；

2. 北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心，北京 102206）

摘要：等离子物理气相沉积技术可通过气相、液相与固相的共沉积，实现不同组织结构涂层沉积，在高性能热障涂层制备方面表现出了很好的应用前景。本文简要介绍了等离子物理气相沉积工艺特点，并从等离子物理气相沉积射流特性、喷涂工艺与涂层组织特点、涂层性能及沉积机理这几方面综述了近年来等离子物理气相沉积热障涂层的研究进展。

关键词：等离子物理气相沉积（PS-PVD ）；热障涂层（TBC ）；射流特性；沉积机理中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1674-7127（2017）06-0001-08 DOI 10.3969/j.issn.1674-7127.2017.02.001

Progress in Plasma Spray-Physical Vapor Deposition Thermal Barrier Coatings

GAOLi-hua 1，2，YU Yue-guang 1，2，JIA Fang 1，2，JIXiao-juan 1，2，

ZHANG De-ming 1，2

（1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy ，Beijing 100160，China ；2.Beijing Engineering Technology

Research Centre of Surface Strengthening and Repairing of Industry parts ，Beijing 102206，China ）

Abstract ：Plasma spray-physical vapor deposition (PS-PVD) has exhibited potential capacity to shape the coating microstructures by controlling the co-deposition of vapor phase,liquid droplets and solid phase. Therefore, PS-PVD shows good application prospects in the preparation of thermal barrier coatings. In this paper,the technological feature of plasma spray-physical vapor deposition was briefly demonstrated. Besides, an overlook on recent research progress in PS-PVD thermal barrier coatingswere presented, including plasma characteristics,process development and coating microstructure characteristics, coatingproperties and deposition mechanism.

Keywords ：Plasma Spray-Physical Vapor Deposition (PS-PVD)；Thermal Barrier Coatings(TBCs)；Plasma Characteristics ；Deposition Mechanism

作者简介：高丽华（1986-），女，河北邢台人，博士研究生，工程师. Email ：gaolihua87@

热障涂层（Thermal barrier coatings, TBCs ）技术通常是将耐高温、低热导、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层方式与金属基体相复合，以降低高温环境下金属表面温度的一种热防护技术。目前，热障涂层技术已经与高温结构材料技术、高效气膜

冷却技术并列成为航空发动机高压涡轮叶片的三大关键技术。典型的热障涂层通常由两层构成：中间为起抗氧化作用的金属粘结过渡层（Bond Coat, BC ），常用材料为MCrAlY （M: Ni, Co 或Ni+Co ）；外层为起隔热作用的陶瓷涂层，目前最

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常用的材料为氧化钇稳定氧化锆（Yttria stabilized zirconia，YSZ）。目前制备热障涂层比较成熟的技术主要有大气等离子喷涂技术（Air plasma spray，APS）及电子束物理气相沉积技术（Electron beam-physical vapor deposition，EB-PVD）[1]。等离子喷涂技术主要是利用熔化或者半熔化的液滴堆积形成涂层。EB-PVD技术则是在真空环境下，利用高能量密度的电子束加热靶材，使其蒸发沉积形成涂层。一般来说，等离子喷涂技术工艺稳定，操作比较简便，可以对已成型的工件进行表面喷涂，喷涂效率较高，但其不适于喷涂结构较复杂的工件[2]。而EB-PVD可以获得特定的柱状晶结构，涂层具有更高的应变容限，因此相比等离子喷涂热障涂层，EB-PVD TBCs热循环寿命明显提高。但其沉积速率低，故目前主要用于航空发动机涡轮工作叶片等重要组件的涂层防护[3-7]。如果能将两者的优势结合起来，采用等离子喷涂工艺实现涂层的气相沉积，那么不仅可以降低生产成本，又能提高涂层沉积速率和质量。基于该想法，国际上开发出一种新的涂层制备技术—等离子物理气相沉积技术（Plasma spray-physical vapor deposition，PS-PVD）[8-10]。该技术可以实现气相、液相与固相多相的复合沉积，从而实现不同组织结构的复合设计，在热障涂层领域表现出了很好的应用前景。

近十多年来，国内外一些研究机构相继引入该设备并开展了PS-PVD热障涂层的研究。本文简单介绍了PS-PVD的技术特点以及国内外在PS-PVD热障涂层方面的研究进展。

１等离子物理气相沉积技术特点

1998年瑞士SulzerMetco公司在多年低压等离子喷涂研究基础上提出了超低压等离子喷涂—薄膜技术。相比于低压等离子喷涂技术而言，其工作室压力更低（0.1~1kPa），且随着真空室压力降低，等离子射流逐渐变粗加长，其中的粉末粒子可被加热至气化，实现大面积致密金属/陶瓷薄膜的快速沉积。PS-PVD则是在超低压等离子喷涂技术的基础上通过进一步增加喷涂功率发展而来的[11]。通过采用超大功率的等离子喷枪（约180kW），PS-PVD可以将YSZ等陶瓷材料加热气化并实现快速气相沉积。这种气相沉积形成的涂层，其特性更接近于电子束物理气相沉积涂层。因此，该技术被认为兼具了等离子喷涂（沉积效率高）与电子束物理气相沉积（涂层具有高应变容限）两种技术的优点，可实现准柱状结构的快速沉积。

PS-PVD技术的另一大优点在于它突破了APS和EB-PVD共有的视线沉积限制，可以实现大面积的非视线沉积[12-14]。图1中对比了APS、VPS/LPPS以及PS-PVD三种工艺的等离子射流。普通的真空系统工作气压一般为50~200 mbar，等离子射流长度为50~500mm，直径为10~40mm，一般只能实现涂层的直线沉积。PS-PVD技术由于采用了超低的工作压力和超大功率等离子喷枪，等离子射流特性发生极大变化，等离子射流长度超过2m，直径扩至200~400mm，不仅有利于喷涂粒子的充分受热，而且喷涂粒子可随等离子射流流过形状复杂的工件的阴影区，实现几何形状复杂工件表面涂层的快速、均匀沉积[14-15]

。

图1三种工艺的等离子射流比较：

(a) APS；(b) VPS/LPPS；(c)PS-PVD [14]

Fig.1 A comparision of the plasma plume in three

different processes:

(a)APS；(b)VPS/LPPS；(c)PS-PVD[14]