电子束物理气相沉积热障涂层技术研究进展_郭洪波

2期
郭洪波，等：电子束物理气相沉积热障涂层技术研究进展
Fra Baidu bibliotek•9•
层主要作用是缓解基体与陶瓷层之间的热膨胀不 匹配，以及提高基体的抗高温氧化腐蚀性能。在实 际工作环境中，粘结层-陶瓷层界面将形成一层氧化 层（Thermally Grown Oxides，TGO），其主要成分 为 α-Al2O3，进而抑制氧元素进一步向涂层内部扩 散[7-8]。研究表明，电子束物理气相 TBCs 与等离子 喷涂 TBCs 相比具有以下优势：（1）柱状晶结构使 EB-PVD 涂层具有更高的应变容限，热循环寿命比 等离子 TBCs 提高近 8 倍；（2）涂层更致密，抗氧 化和热腐蚀性能较好，同时具有优良的抗外来物冲 击和冲刷性能；（3）涂层的界面以化学结合为主， 结合力显著增强；（4）表面光洁度更高，有利于保 持叶片的空气动力学性能，同时可以降低外来物在 涂层表面沉积，避免冷却孔堵塞；（6）可以通过改 变沉积参数如基板温度、加热电流、旋转速率等改 变涂层结构。
电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术是电子 束技术与物理气相技术相结合的产物。20 世纪中 叶，电子束与物理气相沉积技术结合并被成功地应 用于材料的焊接及涂层的制备。20 世纪 80 年代初， 美 国 Airco Temescal 公 司 首 先 在 实 验 室 采 用 EB-PVD 技术制得了具有良好重复性的高质量热障 涂层[1]。20 世纪 90 年代初，P&W、GE 等公司在 航空涡轮发动机的转子叶片上开始采用 EB-PVD 工 艺制备热障涂层[2-3]。乌克兰 Paton 焊接研究所于 20 世纪 50 年代开始从事 EB-PVD 技术及设备的研究, 在乌克兰科学院院士 B.A. Movchan 教授的领导下, 成功地将电子束熔炼工艺应用于物理气相沉积过 程, 获得了每小时可蒸发 10～15 kg 金属材料的蒸 发速率及每分钟可达 50～100 μm 的沉积速率, 而 成本与西方国家同类设备相比却大大降低[4]。目前 EB-PVD 热障涂层技术已经在世界各国得到大力推
与等离子喷涂（Plasma spraying，PS）热障涂 层的等轴晶组织相比，EB-PVD 热障涂层结构最大 的特点是其组织由垂直于基体表面的柱状晶组成， 如图 5 所示。研究发现，EB-PVD 制备的热障涂层 柱状晶与基体之间主要是冶金结合，在金属和陶瓷 涂层的结合部，YSZ 晶粒呈等轴晶状，在陶瓷层内 部为柱状晶，一个柱状晶两侧为羽毛状枝晶，柱状 晶通常沿〈100〉方向生长。柱状晶之间相互独立， 在热循环过程中，可以自由张开和闭合，因而大大 提高了涂层的应变容限，缓解了由于基体和陶瓷层 热膨胀系数差异而造成的热应力，进而大幅度提高 了热障涂层的热循环寿命。
Progress in EB-PVD Thermal Barrier Coatings
GUO Hong-bo，PENG Li-quan，GONG Sheng-kai，XU Hui-bin
（School of Materials Science & Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）
Abstract：Physical principles，components structures and technological features of EB-PVD were briefly demonstrated. Based on this，an overlook on recent research progress in EB-PVD thermal barrier coating（s TBCs） are presented. Keywords：Electron beam physical vapor deposition（EB-PVD）；Thermal barrier coatings （TBCs）；Bonding coatings
第1卷 第2期 2009 年 12 月
热喷涂技术 Thermal Spray Technology
Vol.1, No.2 Dec., 2009
电子束物理气相沉积热障涂层技术研究进展
郭洪波 ，彭立全，宫声凯，徐惠彬
（北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 100191）
摘 要：介绍了电子束物理气相沉积设备的原理、结构及其工艺特点，并在此基础上综述了 EB-PVD 热障涂层近年来的研究进展。 关键词：电子束物理气相沉积；热障涂层；粘结层； 中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1674-7127（2009）02-0007-08
广，并已经广泛应用在发动机叶片上，成为航空发 动机工作叶片热障涂层制备不可或缺的一项关键 技术。
北京航空航天大学自 20 世纪 90 年代中期从乌 克兰引进国内第一台大功率的 EB-PVD 设备，在我 国率先开展了 EB-PVD 热障涂层的研究工作。本文 将综述 EB-PVD 的工作原理、EB-PVD 热障涂层的 结构及性能特点以及近十年来北京航空航天大学 在 EB-PVD 热障涂层方面的研究进展。
西方各国最早用于 EB-PVD 的电子枪的设计原 理与结构基本上属于同一模式。这种电子枪在聚 焦、扫描、偏转及束流等方面的精度很高，缺点是 由于束斑直径较小，不适应大面积蒸发，往往必须 进行散焦处理。乌克兰 Paton 焊接研究所 B.A. Movchan 教授对用于熔炼的电子枪进行了改进，克 服了以上缺点[5]。图 1 和图 2 分别为北京航空航天 大学薄膜实验室从乌克兰 Paton 焊接研究所购进的 UE205 实验室型 EB-PVD 设备的外形及工作原理示 意图。该设备主真空室尺寸为 700 mm×700 mm ×700 mm，配备 4 把电子枪，同时装备了三个水冷 铜坩埚，可以进行双源同时蒸发。蒸发材料通过连 续送料机构进行补给，在可绕水平轴旋转的支架上 安装基板。用于蒸发沉积的电子枪为直型枪，每个 枪的最大功率均为 40 kW，采用 Pilles 系统。阴极 灯丝为细条状钨片，灯丝电流为 80～120 A，聚焦 加速电压为 20 kV，电子束流可达 2 A。该设备采用 计算机控制，电子束的束流束斑大小和束斑的移动 均由计算机操作完成。
2 EB-PVD 热障涂层
热障涂层（Thermal barrier coatings，简称 TBCs） 是为满足航空发动机发展需要于 20 世纪 60 年代开 发出的一种表面防护技术，它由隔热性能优良的陶 瓷层和起粘结作用的金属底层组成[6]。陶瓷层具有 很好的隔热效果，且硬度高、耐冲蚀、化学稳定性 好，而金属粘结层可以大大降低陶瓷层和基体合金 之间的热不匹配，同时还能起到抗高温氧化的作 用。通过电子束物理气相沉积技术将陶瓷层和金属 粘结层沉积在热端部件表面，能大大提高热端部件 例如航空发动机叶片的耐高温和抗氧化性能。美国 宇航局（NASA）研究表明，通过采用 TBCs 技术， 可以显著提高发动机推力（工作温度提高 14～15 K， 总推力增加 1%～2%）；同时可以有效降低热端部 件的工作温度，大幅度提高发动机寿命（表面温度 每降低 14 K，相当于提高工件寿命一倍）；此外采 用 TBCs 还可以降低耗油量，节省燃料以及提高涂 层耐冲刷和氧化腐蚀能力。TBCs 在航空、航天、 兵器、船舶以及民用等多领域具有广泛的应用前 景，美国近十年内 TBCs 年增长率达到了 20%以上。
陶瓷层
金属粘结层
内部的力学性能和膨胀系数梯度过渡，减小陶瓷层 与粘结层因热膨胀系数不同而引起的内应力，从而 提高涂层的结合强度和抗热震性能，是热障涂层未 来发展的一个重要方向。图 4 是采用 EB-PVD 方法 制备的梯度热障涂层截面形貌。顶层为 YSZ 陶瓷 层，底层为 NiCoCrAlY 金属粘结层，在金属粘结层 上沉积一层 YSZ-Al2O3 梯度过渡层。制备梯度过渡 层时，所用靶材为 Al-Al2O3-ZrO2-Y2O3 混合源，根 据合金中的各组元蒸发速率与其蒸汽压比和组分 比之间关系，用 EB-PVD 蒸发混合源时，由于 PAl>PAl2O3>PZrO2，在一定温度下，Al 首先被蒸 发出来。随着温度的升高，Al2O3 的蒸发速率逐渐 增加，而 Al 的蒸发速率则逐渐下降，最后蒸发出 来的是 ZrO2，从而制得了成分梯度变化的过渡层， 消除了层间界面。与传统双层结构热障涂层相比 较，这种梯度结构热障涂层降低了涂层内应力，缓 和了涂层界面处的应力集中，从而显著提高了涂层 的热循环寿命[10-13]。
EB-PVD 技术是一种新兴技术，虽然工艺设备 昂贵，加工成本较高，但由于它具有沉积速率高、 涂层致密且为柱状晶结构、几乎所有金属和陶瓷涂 层都可以在相对较低的温度下沉积等诸多优点，现 已经成为了热障涂层的最重要的制备技术之一。 2.1 EB-PVD 热障涂层的结构
EB-PVD 热障涂层结构有多种，包括双层结构、 梯度结构和多层结构，其中应用最为广泛的是双层 结构热障涂层。双层结构热障涂层由陶瓷顶层和金 属粘结层构成。陶瓷层主要起隔热作用，金属粘结
图 1 120kW 大功率电子束物理气相沉积设备 Fig.1 A photograph of 120 kW EB-PVD facility
垂直旋转结构
电子枪
主工作室 工件
水平旋转结构
料棒
图 2 EB-PVD 设备工作原理示意图
Fig.2 The working principle schematics of EB-PVD
1 EB-PVD 的工作原理简介
电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术是在真 空环境下，利用高能量密度的电子束加热放入水冷 坩埚中的待蒸发材料，使其达到熔融气化状态，并 在偏转磁场作用下蒸发至基板上凝结成涂层的技 术。利用 EB-PVD 方法制备涂层要经过三个步骤：
作者简介：郭洪波（1971-），男，湖南湘潭人，副教授，博士. Email：Guo.hongbo@buaa.edu.cn
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热喷涂技术
1卷
（1）用电子束蒸发气化涂层材料；（2）通过稀薄 气氛把蒸气从靶源输送到基体上；（3）涂层材料蒸 气在基材上冷凝，形成涂层。
在 EB-PVD 设备中，电子枪用来产生高能电子 束流，是 EB-PVD 设备最为关键的技术和部件。用 电流加热电子枪的阴极灯丝产生电子，带负电荷的 电子束高速飞向高电位正极的过程中，经过加速极 加速，又通过电磁透镜聚焦，电子束的功率加大， 再经二次聚焦后，其能量密度可达 109 W/m2 以上。 高能量密度电子使被蒸发的靶材在几分之一微秒 内温度升高至上万摄氏度，在这么短的时间内热量 来不及扩散，靶材瞬间被熔化和气化。
高温合金
80 μm
图 3 EB-PVD 双层结构热障涂层截面形貌
Fig.3 Cross-section of traditional two-layered TBC produced by EB-PVD
梯度结构热障涂层是指通过控制沉积工艺，在 陶瓷层和金属中间层之间实现化学成分连续变化、 而涂层结构梯度过渡的一种涂层体系。双层结构热 障涂层在陶瓷层和金属中间层之间存在明显的界 面，在冷热循环过程中由于陶瓷层和金属层之间热 膨胀的差异，在陶瓷/金属界面产生较大的热应力， 梯度涂层消除了层状结构之间明显的界面，使涂层
双层结构热障涂层结构相对简单，制备工艺稳 定成熟，目前已经广泛应用于航空发动机高压涡轮 导向叶片和工作叶片。图 3 所示为典型的电子束物 理气相沉积双层结构热障涂层的截面形貌。外层为 陶瓷层，其厚度一般在 100～300 μm 之间，常用的 陶瓷层材料是 7%～8%Y2O3 稳定的 ZrO2；底层为 粘结层，厚度一般在 50～200 μm，电子束物理气相 沉积粘结层材料主要为 NiCoCrAl-X（X：Y，Hf， Si 等）合金。热障涂层配合气膜冷却技术的使用可 以降低零件表面温度 170 °C 左右[9]。
50μm
YSZ-Al2O3 Bond coat Substrate
图 4 EB-PVD 梯度热障涂层截面形貌[12]