熱障涂層陶瓷噴涂層是如何成形的？

在乘風航空往期的公眾號小作文中已經介紹了航空發動機中“涂層種類”，也用多篇小作文介紹了現階段發動機中工作環境最嚴苛的涂層——熱障涂層的“使用必要性”、“隔熱效果”、“耐溫能力”和“選材唯一性”。這次我們就從“制備工藝”的角度和大家一起探討下工程師們是如何將6-8YSZ這天選之材應用到航空發動機中的。

從上個世紀中葉開始至今，熱障涂層陶瓷噴涂層的制備技術已得到了較為長足的發展，也陸續出現了多種不同方式的陶瓷噴涂層制備工藝。根據制備原理和應用條件的不同，熱障涂層的制備方法在工業領域主要分為以下兩種：大氣等離子噴涂法(APS)和電子束物理氣相沉積法(EB-PVD)。

涂層材料和涂層制備方法總是同步發展的，早在6-8YSZ被優選出來之前，現階段常用的熱障涂層加工工藝便已有了發展與應用。APS中等離子體的概念最早可追溯到19世紀后期用以描述電離氣體的“物質第四態”。隨著等離子物理學和動力理論的逐步建立，到了上世紀中葉一些發達國家的軍工科研機構便開始了對APS的研究，也隨即在熱障涂層領域獲得了比較好的應用效果。

APS技術是在火焰噴涂的基礎上發展起來的，其工藝溫度高(弧心溫度1-3萬°C)能適用于絕大部分材料的噴涂；涂層致密性好，結合強度高；工藝過程不易氧化,在噴涂金屬和陶瓷材料方面都有很強的優勢。

其工作原理是通過在正電陽極和負電陰極之間所產生的強電弧將流動氣體電離為等離子態，該等離子用以加熱被高壓氣體壓入的粉末顆粒，隨即被加熱到熔融或高塑性狀態的顆粒被噴涂到目標基板表面，而被噴射到基板上的熔融粒子快速冷卻凝固從而形成結構緊密的帶有特定微觀結構的熱噴涂涂層。

APS工藝方法所制備的熱障涂層具有較多的細微孔洞和微小裂紋，同時其涂層表面相對較為粗糙。涂層呈片層狀堆砌，孔隙率相對較高(8%-20%之間)，與基底的結合強度優異(40-70MPa)，且厚度易于精準調控，在隔熱效果方面可滿足目前使用要求。

在APS制備方法中，通過控制單次噴涂厚度、基體溫度或基體表面粗糙度等制備參數可獲得具備垂直裂紋的APS涂層(DVC)，該類涂層以垂直裂紋形式釋放加工和使用應力可提高涂層使用壽命。此外，懸浮液等離子噴涂SPS也可制備出帶垂直裂紋的涂層。

正是制備工藝帶來的高孔隙層狀結構讓APS涂層具備了熱導率低的特點，使得該工藝方法制備的涂層廣泛應用在地面燃氣輪機的渦輪葉片以及渦輪發動機的燃燒室內壁和靜止導向葉片上。目前APS技術工藝和制備設備歷經數十年的發展已經十分成熟，該工藝方法在涂層制造業中也已經形成相當的規模。

APS制備的涂層其結合機理一般認為有兩種或三種：首先是機械結合，熔融顆粒碰撞成扁平狀且隨表面有一定的起伏，并同凹凸不平的表面互相嵌合，形成機械釘扎而結合；另一種是冶金結合，這是當涂層和基體表面出現擴散和合金化時的一種結合方式，包括在結合面上生成的金屬間化合物或固溶化。

此外，該涂層和基底之間結合、侵潤充分，且距離接近到足以產生范德化力。以上結合中APS涂層是以機械結合為主。而熱障涂層陶瓷噴涂層常用的另一種工藝EB-PVD所制備的涂層與基底之間的結合主要為冶金結合，其結合強度比APS涂層更強。

EB-PVD技術是一種工藝條件和設備更為復雜的涂層制備技術，它是電子束技術和物理氣相沉積方法的應用結合。其工作原理主要是在真空腔體中利用高能量密度電子束轟擊塊狀原料(靶材)，靶材表面急劇受熱形成高溫熔池并向外蒸發，隨后蒸氣云在目標基板表面冷凝沉積并形成涂層。

值得注意的是，在EB-PVD工藝中涂層成形是以分子團、分子甚至是原子或是離子為單位的。涂層成形過程中也不可避免會的受到“陰影效應”的作用，影響涂層表面的粗糙度和厚度均勻性。

EB-PVD方法應用于制備熱障涂層、耐磨涂層、抗腐蝕涂層等功能性涂層，在先進制造領域特別是涂層防護技術領域體現出了較高的技術優越性：

1) EB-PVD幾乎可以蒸發所有物質，能用于多層材料的涂層制備。

2) 得益于電子束的精準控制，涂層的厚度可控性強。

3) 涂層和基板為冶金結合，涂層不易剝落。

4) 真空環境下制備有效避免了涂層污染。

5) 可獲得柱狀結構的涂層，其抗應變容限高。

EB-PVD所制備的熱障涂層橫截面微觀結構與APS工藝涂層的微觀結構截然不同。EB-PVD方法制備的這種柱狀晶型的微觀結構使涂層具有良好的應變容限以及優異的抗熱震性能和使用壽命，在多次反復高溫-低溫的服役環境下也不容易開裂或剝落，能滿足工件在急劇變化的溫度環境下的使用需求。在更為嚴苛的使用環境下EB-PVD涂層有著APS涂層無可比擬的優勢。而APS具備技術操作靈活、工藝成本低、涂層熱導率低的特點，常用在對幾何形狀復雜的葉片表面進行涂層噴涂。

總之，APS和EB-PVD涂層各有優勢，也各自在航空發動機熱障涂層的制備領域占有一席之地。

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