熱噴涂及電子束物理氣相沉積技術(shù)在熱障涂層制備中的應(yīng)用

1、熱噴涂及電子束物理氣相沉積技術(shù)在熱障涂層制備中的應(yīng)用張紅松耿國強(qiáng)杜可可張政(河南工程學(xué)院機(jī)械工程系鄭州450007)摘要對(duì)常用熱障涂層制備技術(shù)包括火焰噴涂、爆炸噴涂、大氣等離子噴涂、高能等離子噴涂、超音速等離子噴涂、低壓等離子噴涂、溶液注入等離子噴涂及電子束物理氣相沉積技術(shù)進(jìn)行了綜述。介紹了上述幾種制備技術(shù)的原理、工藝特點(diǎn)、存在不足及解決措施。認(rèn)為發(fā)展爆炸噴涂工藝、溶液注入等離子噴涂工藝與EB2PVD工藝及其在新型熱障涂層制備中的應(yīng)用將

2、是熱障涂層制備技術(shù)研究的重點(diǎn)。關(guān)鍵詞熱障涂層火焰噴涂爆炸噴涂等離子噴涂中圖分類號(hào):TG174.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AApplicationofThermal2sprayingElectronBeamPhysicalVapDepositionTechnologiesonPreparationofThermalBarrierCoatingsZHANGHongsongGENGGuoqiangDUKekeZHANGZheng(Departmentof

3、MechanicalEngineeringHenanInstituteofEngineeringZhengzhou450007)AbstractAfewpreparationtechnologiesofthermalbarriercoatingsincludingflamesprayingdetonationsprayingatmosphericplasmasprayingplazjetplasmasprayingsupersonicp

4、lasmasprayinglowpressureplasmasprayingsolutionprecursplasmasprayingaswellaselectronbeamphysicalvapdepositiontechnologyaresum2marizedrespectively.Theprinciplestechnicalacteristicsexistingshtagesthecrespondingresolvingmeth

5、odsofeachtechnologyareintroduced.Itisindicatedthatthedevelopmentofdetonationsprayingsolutionpre2cursplasmasprayingelectronbeamphysicalvapdepositionaswellastheirapplicationsfpreparationofnovelthermalbarriercoatingsshouldb

6、eregardedtheresearchemphasisinthefuture.Keywdsthermalbarriercoatingsflamesprayingdetonationsprayingplasmaspraying河南工程學(xué)院博士基金(D2007012)張紅松:1976年生博士講師主要從事熱障涂層技術(shù)的研究E2mail:zhs761128@163.com熱障涂層(ThermalbarriercoatingsTBCs)是通過特

7、殊的工藝將具有良好隔熱性能的陶瓷材料涂到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱端部件表面得到的一層保護(hù)層厚度一般不超過0.5mm[1]。該類涂層雖然很薄卻能有效避免航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端關(guān)鍵部件與高溫燃?xì)獾闹苯咏佑|從而為發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件提供有效保護(hù)。由于其優(yōu)良的性能熱障涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)幾十年來的發(fā)展中獲得了廣泛應(yīng)用[2]。其中涂層制備方法及工藝的研究一直是廣大學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。近幾年來隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)向高流量比、高渦輪進(jìn)口溫度和高推重比方向的發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟冗M(jìn)

8、一步提高使得熱障涂層技術(shù)顯得更加重要有關(guān)涂層制備方法的研究在國內(nèi)外更加活躍[34]。熱噴涂及電子束物理氣相沉積技術(shù)作為熱障涂層常用的2種制備技術(shù)歷來備受關(guān)注本文就熱障涂層制備所用到的熱噴涂方法及電子束物理氣相沉積技術(shù)進(jìn)行了綜述并就將來涂層制備技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。1火焰噴涂1.1沉積原理火焰熱噴涂包括粉末火焰噴涂和絲材火焰噴涂在制備熱障涂層研究中多以粉末噴涂為主。噴涂中通常使用乙炔和氧組合提供熱量也可以使用甲基乙炔、丙二炔(MPS)

9、、丙烷、氫氣或天然氣。噴槍通過氣閥引入乙炔和氧氣二者混合后在噴嘴處產(chǎn)生燃燒火焰。噴槍上設(shè)有粉斗或進(jìn)粉管利用送粉氣流產(chǎn)生的負(fù)壓抽吸粉末使粉末隨氣流進(jìn)入火焰在火焰中被加熱熔化或軟化后在氣流和焰流的作用下噴射到基材表面形成涂層。1.2工藝特點(diǎn)及存在不足火焰噴涂可噴涂金屬、陶瓷、塑料等材料應(yīng)用非常靈活噴涂設(shè)備輕便簡單價(jià)格低于其他噴涂設(shè)備經(jīng)濟(jì)性好是目前噴涂技術(shù)中使用較廣泛的一種方法。但火焰噴涂也存在明顯的不足如火焰溫度低熔點(diǎn)超過2500e的材料很

10、難用火焰進(jìn)行噴涂。另外進(jìn)入火焰及隨后飛行中的粉末由于處在火焰中的位置不同被加熱的程度存在很大的差別導(dǎo)致部分粉末未熔融、部分粉末僅被軟化從而造成涂層的結(jié)合強(qiáng)度及致密性比較低。此外火焰中心為氧化性氣氛會(huì)加劇金屬粉末的氧化程度[5]。陳文華等采用火焰噴涂技術(shù)制備了Al2O3Fe功能梯度熱障涂層、普通純Al2O3熱障涂層和帶過渡層(Cu)的熱障涂層結(jié)果表明涂層的結(jié)合#98#材料導(dǎo)報(bào):綜述篇2009年7月(上)第23卷第7期度低、孔隙率高難以滿足

11、航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件氣動(dòng)性要求抗熱沖擊性能差。圖1等離子噴涂熱障涂層微觀組織Fig.1Microstructureofthermalbarriercoatingsmadebyplasma2spraying3.3改進(jìn)措施為了提高等離子噴涂熱障涂層質(zhì)量國內(nèi)外學(xué)者采用諸如熱擴(kuò)散處理、激光重熔、離子注入、后氧化處理、溶膠2凝膠、熱等靜壓等方法對(duì)等離子涂層加以改進(jìn)[2122]。研究表明采用激光重熔技術(shù)對(duì)等離子噴涂熱障涂層進(jìn)行處理能明顯提高涂層性能[

12、23]。其工藝過程是:先用等離子噴涂預(yù)置熱障涂層然后用高能激光熱源對(duì)表面涂層進(jìn)行加熱熔化高能熱源快速移動(dòng)表層材料快速凝固產(chǎn)生致密、均勻的涂層結(jié)構(gòu)且表面粗糙度提高。與等離子噴涂熱障涂層相比激光重熔熱障涂層可獲得致密的垂直于陶瓷層表面生長的柱狀晶組織和網(wǎng)狀微裂紋有助于提高涂層的應(yīng)變?nèi)菹?。并且較淺的熔深具有一定的封孔作用這對(duì)提高熱障涂層的抗熱沖擊性能和抗高溫氧化能力十分有益。如張罡等對(duì)等離子噴涂的YSZNiCoCrAlY熱障涂層作激光熔融處理

13、后發(fā)現(xiàn)涂層的抗氧化性能及抗熱沖擊性能比等離子涂層均有明顯改善[23]日本某大學(xué)熱噴涂中心在碳鋼表面首先用低壓等離子體噴涂ZrO2涂層然后又用功率為1kW的CO2激光束對(duì)ZrO2層重熔重熔后的涂層表面硬度由原來的HV870提高到HV1650涂層孔隙率也明顯下降[11]。因此激光重熔等離子噴涂熱障涂層已成為改善等離子噴涂熱障涂層性能的一種有發(fā)展前途的方法。4電子束物理氣相沉積4.1沉積原理除等離子噴涂技術(shù)之外電子束物理氣相沉積(Electr

14、onbeamphysicalvapdeposition簡稱EB2PVD)是另外一種最常用的熱障涂層制備方法。其原理是通過真空泵將設(shè)備中的真空室抽取真空達(dá)到一定的真空度要求后電子槍開始發(fā)射電子束。電子束熔化并蒸發(fā)處于真空室中的陶瓷坯料在蒸發(fā)過程中為確保涂層的持續(xù)生長陶瓷坯料要從底部送入坩堝內(nèi)。將經(jīng)過預(yù)熱的基體置于蒸汽中蒸汽以4~10Lmmin的速度沉積到基體上而形成涂層[24]。4.2工藝特點(diǎn)由于沉積原理的差異使得EB2PVD涂層與等離子

15、涂層有著截然不同的微觀組織。EB2PVD先在基體上形成1層細(xì)小的等軸晶然后在其上面形成織構(gòu)和柱狀晶。其顯微組織由許多彼此分離的柱狀晶體組成且每個(gè)柱狀晶體又與底層牢固結(jié)合(EB2PVD熱障涂層典型結(jié)構(gòu)如圖2所示)。柱狀晶結(jié)構(gòu)能顯著提高涂層的應(yīng)變?nèi)菹奘雇繉拥目篃釠_擊性能明顯提高研究表明等離子噴涂熱障涂層的疲勞壽命一般僅為EB2PVD涂層的30%~40%。除此之外EB2PVD涂層與等離子涂層相比還具有如下優(yōu)勢(shì)[25]:(1)涂層更加致密涂層的

16、抗腐蝕、抗氧化能力更強(qiáng)(2)涂層的界面以化學(xué)結(jié)合為主涂層結(jié)合強(qiáng)度顯著增強(qiáng)(3)涂層表面光潔度高避免了最終拋光和冷卻孔的調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)有利于保持發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能(4)需控制的涂層制備工藝參數(shù)較少而且通過控制工藝參數(shù)還可有效控制陶瓷層的結(jié)構(gòu)。圖2電子束物理氣相沉積熱障涂層微觀組織Fig.2MicrostructureofthermalbarriercoatingsmadebyEB2PVD表1給出了EB2PVDYSZ涂層與等離子噴涂YS

17、Z涂層在室溫下的部分性能[25]由表1可以看出EB2PVD涂層的表面粗糙度、結(jié)合強(qiáng)度、韌性及腐蝕速率等性能均優(yōu)于等離子涂層如此良好的涂層性能使得EB2PVD技術(shù)成為制備高壓渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片用熱障涂層首選手段同時(shí)在制備工業(yè)氣輪機(jī)葉片用熱障涂層方面也顯得日漸重要。表1等離子噴涂與EB2PVDYSZ熱障涂層室溫性能比較Table1Propertycomparisonbetweenplasma2sprayingEB2PVDthermalbarri

18、ercoatingsatroomtemperature性能EB2PVD涂層等離子噴涂涂層熱導(dǎo)率(W(m#K))1.5~1.90.8~1.1表面粗糙度Lm1.010結(jié)合強(qiáng)度MPa40020~40楊氏模量GPa90200腐蝕速率(mma)174.3存在的不足雖然與等離子噴涂相比EB2PVD熱障涂層存在諸多優(yōu)點(diǎn)然而其沉積效率較低涂層厚度不可控、表面清洗復(fù)雜、設(shè)備復(fù)雜昂貴、沉積速率相對(duì)較低、工藝流程繁瑣等缺點(diǎn)也是急需研究改進(jìn)的。受各元素蒸氣壓影