一种等离子物理气相沉积用喷枪及热障涂层制备方法技术

本发明专利技术公开了一种等离子物理气相沉积用喷枪及热障涂层制备方法，针对现有等离子物理气相沉积技术所用等离子喷枪阴阳极寿命短，及粉末成本高等问题，通过增加陶瓷衬套和辅助阳极的设计，加大了阴阳极间距离，轴向送粉，3

【技术实现步骤摘要】
一种等离子物理气相沉积用喷枪及热障涂层制备方法


[0001]本专利技术属于热障涂层的等离子喷涂和物理气相沉积
，具体为涉及一种气相沉积涂层用高效低成本的等离子喷枪及热障涂层制备方法。

技术介绍

[0002]热障涂层(简称TBCs)是先进航空发动机研制的关键科学技术，其是将耐高温、高隔热陶瓷材料涂覆在合金基体表面、以降低高温环境下合金表面温度的一种高温热防护技术。TBCs在发动机叶片上的使用，可显著提高发动机的工作温度，从而提高发动机的工作效率和推力，同时可降低涡轮叶片合金工作温度，从而大幅度提高发动机寿命和可靠性。然而，服役寿命短是制约TBCs发展与应用的瓶颈之一，是实现TBCs在先进航空发动机上安全应用所迫切需要解决的关键问题。
[0003]气相沉积柱状涂层的发展大大延长了热障涂层的服役寿命。这种涂层是指采用高能束流将热障涂层原材料加热至气化，在基体上实现气相沉积形成柱状或准柱状结构，在冷热循环服役过程中可大大减少热应力，延长涂层使用寿命。目前实现气相沉积的高能束流加热源主要包括电子束和等离子束。其中采用电子束热源的沉积效率低下，使用成本高昂，所得涂层的热导率高的问题难以解决。采用等离子体热源，把高熔点的涂层材料粒子气化状态，实现借助高速焰流将涂层材料喷射到基体表面，可成具有准柱状结构涂层。该方法沉积速度快，又可以实现气相沉积，所得柱状涂层内部含有很多枝晶间隙，大大降低了涂层热导率，因而目前等离子体热源在气相沉积柱状热障涂层制备方面被逐渐广泛应用。最主要的是，等离子射流可以绕射到几何形状复杂工件的阴影区域并完成涂层的均匀沉积，可以实现非视线区域涂层的沉积，这在航空发动机复杂型面叶片表面的涂层制备中具有极大优势。
[0004]目前采用等离子热源实现物理气相沉积的研究发展十分迅速，但在实际工件喷涂过程中存在一些问题严重制约了涂层性能以及进一步的应用。如目前的研究发现，等离子物理气相沉积在大多数情况下并不能使粉末完全气化，其宽大的等离子射流中分布着各种粒子(如气相粒子、液相粒子、部分熔融颗粒、未熔颗粒等等)，实际上是一个以气相沉积为主、多相混合沉积的涂层制备技术，这些粒子在射流中的状态和分布差异导致了工件表面涂层结构、厚度等的差异，也对涂层性能造成影响。
[0005]提高等离子物理气相沉积涂层制备过程中的粉末气化率的方法一般有两种，一是进一步提高等离子弧发生器的功率，等离子气相沉积用的喷枪功率高达100 kW以上，现有技术中通常采用大电流（1500~3000A），低电压（通常为38V以下）来实现，然而高功率要求阴极的电流密度过大，会导致阴极表面和阳极内面过早发生烧蚀，导致引弧不稳定，且阴阳极使用寿命低下，甚至还会出现阳极烧穿等现象引发事故。提高等离子物理气相沉积涂层制备过程中的粉末气化率的另一种方法是对喷涂陶瓷粉末进行改善，使其兼具流动性好和粒径小两个特点，粉末粒径越小，粉末在射流中加热越充分，气化程度越好，然而流动性和粒径细小是一对矛盾体，难以同时实现，必须对细小粉末进行造粒来满足流动性，而团聚造粒
粉要实现气化必须要求粉末具有特定的二次结构，这就造成了原材料的价格高居不下，喷涂成本过高。并且目前的气相沉积用喷枪一般采用径向送粉，粉末送不到射流中心，导致粉末融化和气化效率低下，有效沉积面积低。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种气相沉积涂层用高效低成本的等离子喷枪及热障涂层制备方法。
[0007]本专利技术完整的技术方案包括：一种等离子体喷枪，所述等离子体喷枪具有圆柱形的外形，在沿喷枪中心轴线方向上的一侧设有送粉管8，所述送粉管8的轴线与喷枪中心轴线重合；所述送粉管8的外侧设有多个沿喷枪中心轴线对称分布的中空水冷阴极，所述中空水冷阴极数量为3
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6个，中空水冷阴极直径尺寸为3~15 cm；所述喷枪在沿中心轴线方向上的另一侧设有包括带电子束物理气相沉积蒸镀钨涂层的纯铜水冷阳极1，所述水冷阳极1和中空水冷阴极之间的距离大于辅助阳极4与中空水冷阴极之间的距离，且所述水冷阳极1和中空水冷阴极之间的距离不小于5 cm；所述喷枪在靠近送粉管8一侧设有纯铜辅助阳极4，水冷阳极1和辅助阳极4之间设有冷却水通道2和第一绝缘衬套3，辅助阳极4和中空水冷阴极之间设有第二绝缘衬套5；喷枪在靠近送粉管8一侧设有第一工作气体通道6，所述第一工作气体用以电离产生等离子射流；喷枪工作时，送粉管8用以在将粉末12送入喷枪，所述粉末最小粒径为0.5 μm；辅助阳极4和中空水冷阴极之间首先引弧形成短离子弧11，稳定后水冷阳极1和中空水冷阴极间形成长离子弧13；水冷阳极1和单个中空水冷阴极间的最高电压为30
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150 V，最大电流为300 A；水冷阳极1和单个中空水冷阴极最大功率为45kW, 水冷阳极1和多个中空水冷阴极的总功率最大为270 kW，等离子焰流速度为6
‑
7马赫。
[0008]还包括第二工作气体通道10，所述第二工作气体为Ar，He，H2中的一种或几种的混合气体，用以稳定所产生的等离子射流。
[0009]所述纯铜水冷阳极1的直径D为50
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100 mm，第一绝缘衬套3为氧化物绝缘陶瓷，材质为氧化铝或氧化锆，长度为5
‑
30 cm，水冷阳极1和中空水冷阴极之间的距离为5~30cm。
[0010]所述第一工作气体为Ar，He，H2中的一种或几种的混合气体，所述第一工作气体的进气量为5
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120 L/min。
[0011]所用的粉末12为金属或陶瓷粉末，粒径范围D50：0.5
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75μm，送粉量范围为0
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50 g/min。
[0012]所述等离子体喷枪用于等离子物理气相沉积。
[0013]利用所述的等离子体喷枪进行等离子物理气相沉积的方法，包括以下步骤：（1）将高能等离子喷枪安装至等离子物理气相沉积涂层设备上，关闭真空室，抽真空，使真空室的压力低于0.08 mbar；（2）通过第二工作气体通道充第二工作气体，直至真空室压力达到130 mbar；（3）引弧，在低电流，低气体流量条件下在中空水冷阴极和辅助阳极之间引弧形成
短离子弧；（4）拉长等离子弧，待等离子弧稳定后，加大中空水冷阴极和水冷阳极间的电流和第一工作气体流量，将等离子弧由中空水冷阴极和辅助阳极之间转移到阴极和水冷阳极之间形成长离子弧；（5）再次抽真空达到2mbar左右；（6）加大电流，逐步加大中空水冷阴极和水冷阳极间的电流至100
‑
300 A，加大工作气量至60
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200 L/min，达到最大工作电压50
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150 V，总功率50~270 kW；（7）喷涂涂层，打开装有涂层粉末的送粉器，调整送粉率0.5
‑
20 g/min，调整喷涂距离700 ~1400 mm，开始沉积陶瓷涂层；（8）灭弧，陶瓷涂层沉积结束后，停止送粉，逐步减小气体流量和电流，直至等离子弧熄灭；（9）取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等离子体喷枪，其特征在于，在沿喷枪中心轴线方向上的一侧设有送粉管（8），所述送粉管的轴线与喷枪中心轴线重合；所述送粉管（8）的外侧设有多个沿喷枪中心轴线对称分布的中空水冷阴极；所述喷枪在靠近送粉管（8）一侧设有辅助阳极（4），水冷阳极（1）和辅助阳极（4）之间设有冷却水通道（2）和第一绝缘衬套（3），辅助阳极（4）和中空水冷阴极之间设有第二绝缘衬套（5）；所述喷枪在沿中心轴线方向上的另一侧设有包括带水冷阳极（1），所述水冷阳极（1）和中空水冷阴极之间的距离大于辅助阳极（4）与中空水冷阴极之间的距离；喷枪在靠近送粉管一侧设有第一工作气体通道（6），所述第一工作气体用以电离产生等离子射流，喷枪工作时，送粉管（8）用以在将粉末（12）送入喷枪；辅助阳极（4）和中空水冷阴极之间首先引弧形成短离子弧（11），稳定后水冷阳极（1）和中空水冷阴极间形成长离子弧（13）。2.根据权利要求1所述的一种等离子体喷枪，其特征在于，所述中空水冷阴极数量为3
‑
6个，中空水冷阴极直径尺寸为3~15mm；水冷阳极（1）和单个中空水冷阴极间的最高电压为150 V，最大电流为300A；水冷阳极（1）和单个中空水冷阴极最大功率为45 kW, 水冷阳极（1）和多个中空水冷阴极的总功率最大为270 kW。3.根据权利要求1所述的一种等离子体喷枪，其特征在于，还包括第二工作气体通道（10），用以稳定所产生的等离子射流。4.根据权利要求1所述的一种等离子体喷枪，其特征在于，所述水冷阳极（1）的直径D为50
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100 mm，第一绝缘衬套（3）为氧化物绝缘物，材质为氧化铝、氧化锆或者石英，长度为5
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30 cm，水冷阳极（1）和中空水冷阴极之间的距离为5~30 cm。5.根据权利要求1所述的一种等离子体喷枪，其特征在于，所述等离子体喷枪用于等离子物理气相沉积。6.利用权利要求1
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5任一项所述的等离子体喷枪进行等离子物理气相沉积的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将高能等离子喷枪安装至等离子物理气相沉积涂层设备上，关闭真空室，抽真空；（2）通过第二工作气体通道充第二工...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪波，彭徽，郭谦，何雯婷，魏亮亮，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：