本发明专利技术公开了一种真空快速多相沉积系统制备YSZ涂层的方法，涉及一种新型结构热障涂层及其制备技术领域。所述制备方法中真空室压力低于1mbar，选择Ar35splm，He60slpm作为工作气体，通过调整电功率、电流、喷涂距离和送粉率等工艺参数，可以根据需要将YSZ颗粒加热到固液气三相或其任意组合相，即可以沉积出多种形貌的YSZ涂层，如柱状晶结构，纳米多层结构，纳米多层加柱状晶结构，纳米加微米多层结构等等。采用本发明专利技术提供制备方法得到的涂层组织致密，无液滴、颗粒以及针孔等缺陷，涂层与粘结层的结合力高；焰流能够在复杂的几何形状表面的流动，因此可以实现几何形状复杂的工件表面均匀涂层的制备。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种真空快速多相沉积系统制备YSZ涂层的方法，涉及一种新型结构热障涂层及其制备
。所述制备方法中真空室压力低于1mbar，选择Ar35splm，He60slpm作为工作气体，通过调整电功率、电流、喷涂距离和送粉率等工艺参数，可以根据需要将YSZ颗粒加热到固液气三相或其任意组合相，即可以沉积出多种形貌的YSZ涂层，如柱状晶结构，纳米多层结构，纳米多层加柱状晶结构，纳米加微米多层结构等等。采用本专利技术提供制备方法得到的涂层组织致密，无液滴、颗粒以及针孔等缺陷，涂层与粘结层的结合力高；焰流能够在复杂的几何形状表面的流动，因此可以实现几何形状复杂的工件表面均匀涂层的制备。【专利说明】一种真空快速多相沉积系统制备YSZ涂层的方法
本专利技术涉及一种新型结构热障涂层及其制备
，更具体的说，是指一种超低压等离子喷涂物理气相沉积方法制备结合力强的YSZ陶瓷层的方法。
技术介绍
热障涂层(TBCs)是目前最先进的高温防护涂层之一，主要用于高温发动机热端部件，用以提升发动机的入口温度，从而提高燃油的使用效率；更能保护基体抵御高温环境的腐蚀，延长热端部件的使用寿命。目前应用最广泛、综合性能最优异的热障涂层陶瓷材料是氧化钇掺杂的氧化锆(YSZ，Zr02-8%W Y2O3),这是由于它具有低的热导率，与金属基体热膨胀系数匹配，与金属基体的结合力好，化学稳定，耐腐蚀等等一系列优点，其熔点达到2700°C，块体导热系数为2.17W/ (m.k)，线膨胀系数是 11 ~13 X KT6K' 现有的真空快速多相沉积系统(PED,Plasma Evaporated Deposition system)的主要工作原理是超低压等离子喷涂物理气相沉积，采用大流量真空泵，并配置IOOkw以上大功率等离子喷枪，使从喷枪喷出的高温粉体在加热过程中达到一定比率的气化。气体进入电极枪内，被电弧加热离解成电子和离子的平衡混合物，形成等离子体，且处于高度压缩状态，具有极大的能量。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成超音速等离子流。标准的真空系统工作气压一般为50-200mbar，可以沉积50 μ m-2mm厚度的涂层，等离子焰流长50_500mm，直径 10_40mm。
技术实现思路
本专利技术提供一种真空快速多相沉积系统制备YSZ涂层的方法，所述制备方法包括如下步骤:第一步，准备高温基体。优选的，在高温基体合金表面制备一层粘结层，然后进行真空热处理。所述粘结层为NiCoCrAH粘结层。所述真空热处理条件为温度1000-1100°C，时间为2-6h。第二步，在高温基体上制备YSZ陶瓷层，具体步骤如下:(I)调整保护气体流量,选择Ar35splm, He60slpm。(2)将基体放入真空室内工件运动台上，抽真空室压力低于lmbar。(3)设定电功率75kw~lOOkw，设定电流为2000~2500A，引电弧，待电弧稳定后，调整工件距离为1400_，将工件移入等离子焰流中，加热基体，用红外探头探测基体温度，直至基体温度达到1000°C ；(4)打开送粉器，调整送粉率5~30g/min ；(5)调整工件转速0-30rpm，调整工件距离800~1400mm，工件在等离子焰流中加热并计时，加热时间为5-10min，加热时间越长沉积厚度越厚。(6)制备结束，停止送粉，灭电弧，待真空室冷却，泄真空，取出样品，得到YSZ涂层。本专利技术还提供一种用于实现上述制备方法的真空快速多相沉积系统，所述系统包括真空室、真空除尘塔、大气除尘塔、三级真空泵组、送粉器和等离子喷枪，此外还包括其他辅助设备，所述真空室采用三级真空泵组抽真空，实现压力低于Imbar的真空度；并且在真空泵组与真空室之间设置了真空除尘塔，真空室上连接大气除尘塔；所述等离子喷枪上配有四个送粉口，分别连接四个送粉器。本专利技术的优点在于:1.采用本专利技术提供制备方法得到的涂层组织致密，无液滴、颗粒以及针孔等缺陷，涂层与粘结层的结合力高。2.有效的控制了氧的污染，减少了喷涂粒子和基体的氧化。3.焰流能够在复杂的几何形状表面的流动，因此可以实现几何形状复杂的工件表面均匀涂层的制备。4.沉积速率高，通过真空快速多相沉积系统制备YSZ涂层制备100微米的柱状晶YSZ涂层，只需要不到10分钟时间；5.涂层微观结构和厚度可控制，既可以制备柱状晶结构，纳米多层结构，也可以制备纳米多层加柱状晶结构和纳米加微米多层结构等等。 【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术中采用的真空快速多相沉积系统组成结构示意图；图2为本专利技术中采用的真空快速多相沉积系统真空室原理图；图3为真空快速多相沉积系统多相沉积形貌形成原理图；图4为本专利技术制备得到的柱状晶YSZ涂层的表面SEM照片；图5为本专利技术制备得到的层状晶YSZ涂层的表面SEM照片。【具体实施方式】下面结合附图和实施案例对专利技术进行详细说明。本专利技术提供一种真空快速多相沉积系统制备YSZ涂层的方法，所述真空快速多相沉积系统，主要由真空室、真空除尘塔、大气除尘塔、三级真空泵组、送粉器和等离子喷枪构成，此外还包括其他辅助设备，如电源控制柜、中央控制单元(计算机控制和操作系统)、气体控制系统和循环水冷装置等，图1是所述真空快速多相沉积系统的设备示意图。(I)真空室密闭性非常好，可以抽至真空度为Imbar以下，同时连接多个水电电缆接头、充气接头以及送粉接头，内部设置等离子喷枪、聚焦透镜和基体。如图2所示，真空室外壁上设有观察窗，可以清楚得看到试样在等离子焰流中的加热情况和涂层沉积情况。同时真空室外有两个红外探头，可以探测等离子焰流和基体的温度，聚焦透镜可以探测粉末颗粒的粒径大小，基体固定在工件自动运动台中，可以通过调整控制程序自由选择转速以及工件距离。(2)真空除尘塔和大气除尘塔可以冷却从真空室中抽出的热气流和过滤此气流中夹带的粉末，避免粉末直接进入真空泵造成泵油污染和泵腔磨损。所述真空除尘塔连接在真空泵组和真空室之间，所述大气除尘塔连接在真空室和大气之间。喷涂产生粉末严重影响人体健康，并且金属粉末有爆炸的风险，真空除尘塔和大气除尘塔均采用防爆除尘设施，保障人身安全。(3)真空泵组分为三级，工作的先后顺序为机械泵(抽气能力630m3/h)、一级罗茨泵、二级罗茨泵(抽气能力2000m3/h、4500m3/h )，三级泵的协同工作，可以将真空室的气压抽至IPa以下。(4)等离子喷枪配有四个送粉口，分别连接四台送粉器，送粉器可以预热粉末，同时可以通过调整其转盘的速度精确控制送粉量的大小。多台送粉器同时工作，便可以喷涂多种复合成分的涂层。(5)等离子喷枪的功率可达到150kw，弧柱能量集中、温度高，能熔化几乎任何高熔点和高硬度材料，中心温度可达到15000-34000K，其横截面的能量密度可到105-106W/cm2。粒子在等离子弧中能够被加速到超音速，这使得涂层的致密度非常好，结合方式为显微冶金结合，结合强度非常高。真空快速多相沉积系统的主要工艺参数包括:电功率、基体温度、主气种类及流量、送粉率、工件距离、样品转速和枪体运动等。(I)电功率。(电功率)由等离子喷枪的弧电压与电流决定，输入电功率越大，越有利形成高温、高速等离子射流，也更加容易气化各种粉末粒子，因此对于要形成柱状晶的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种真空快速多相沉积系统制备YSZ涂层的方法，其特征在于：第一步，准备高温基体；第二步，在高温基体上制备YSZ陶瓷层，具体步骤如下：（1）调整保护气体流量，选择Ar35splm，He60slpm；（2）将基体放入真空室内工件运动台上，抽真空室压力低于1mbar；（3）设定电功率75kw～100kw，设定电流为2000～2500A，引电弧，待电弧稳定后，调整工件距离为1400mm，将工件移入等离子焰流中，加热基体，用红外探头探测基体温度，直至基体温度达到1000℃；(4)打开送粉器，调整送粉率5～30g/min；(5)调整工件转速0～30rpm，调整工件距离800～1400mm；（6）制备结束，停止送粉，灭电弧，待真空室冷却，泄真空，取出样品，得到YSZ涂层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪波，李晨祎，魏亮亮，高丽华，宫声凯，徐惠彬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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