柱状结构涂层制备方法技术

本发明专利技术提供了一种柱状结构涂层制备方法，涉及热防护涂层制备技术领域，为解决由于固

【技术实现步骤摘要】
柱状结构涂层制备方法


[0001]本专利技术涉及热防护涂层制备
，具体而言，涉及一种柱状结构涂层制备方法。

技术介绍

[0002]热障涂层TBCs(Thermal Barrier Coatings)技术是高性能燃气涡轮发动机中不可或缺的关键技术，是提高燃气轮机热端部件使用温度，延长其服役寿命的有效手段。目前规模化应用的热障涂层制备技术主要包括大气等离子喷涂(Atmosphere Plasma Spraying,APS)和电子束物理气相沉积技术(Electric Beam
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Physical Vapor Deposition,EB
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PVD)。EB
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PVD和APS技术各有自己的优点和不足。APS沉积效率高、热导率低、成本低廉，但涂层的一些关键性能较差，例如：抗热震性能、结合强度等；而EB
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PVD柱状晶结构涂层结合力高，抗热震性能好，但热导率高，沉积速率较低，设备昂贵，导致涂层制备和使用成本较高。此外，无论是APS还是EB
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PVD，均为视线沉积过程，对于一些叶型复杂的多联叶片，无法实现涂层的均匀沉积。
[0003]等离子物理气相沉积技术(Plasma Spraying
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Physical Vapor Deposition,PS
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PVD)是在低压等离子喷涂技术(Low Pressure Plasma Spraying，LPPS)的基础上发展的一种新的涂层制备技术，它兼具APS和EB
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PVD的优点，采用大功率的等离子喷枪以及超低的工作气压，产生的高能等离子射流不仅可以将喷涂粉末迅速气化，从而快速加速到2～3倍以上音速，实现了气
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液
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固多相复合沉积和准柱状晶复合结构涂层制备。
[0004]PS
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PVD工艺在喷涂沉积过程中，依靠超低压条件下(5～200Pa)的等离子膨胀流(直径200～400mm，长度1.5～2m)，在高能高速条件下，采用细团聚球形粉体(1～30μm)输送至射流中，粉体在射流中停留极短的时间(1μm颗粒喷嘴内部高温区飞行时间30～50μs)，同时由于能量吸收率和利用率的因素，PS
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PVD涂层沉积过程中存在固
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液
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气三相复合沉积，为了提高涂层结合力和抗热震性能，同时保持高沉积效率和涂层的低热导率特性，技术人员需要严格控制工艺参数，以实现起始沉积时高气相比例的形核沉积，并形成枝晶发达的准柱状结构涂层。本领域内的技术人员，采用OES光谱监测等离子体电子能量密度和涂层材料特定元素发光光谱，提升工艺过程可控性，也有部分工程技术人员提出了采用耦合喷枪功率、真空度、总工作气流量、电流等控制，实现固定喷涂距离和喷涂轨迹下的复合结构和梯度准柱状结构涂层的制备。
[0005]PS
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PVD工艺过程中在等离子射流中复杂的颗粒物理状态(液滴、原子团簇、纳米尘埃、微小颗粒、蒸发气相等)，在高速、高温的等离子体中运动也是非连续和稳定的状态，随着距离喷枪一定距离等离子体的层流特性改变、等离子体高频振荡等因素影响，导致工艺存在一定范围的波动，同时复杂的非连续状态沉积物质，也会导致柱状结构涂层的形核、生长不连续的现象(S.
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H.Liu.Materials Today Physics,2021(21))。也有研究人员报导了PS
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PVD工艺制备8YSZ涂层的柱状晶不连续性，认为PS
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PVD沉积过程分为典型的三个阶段：1)细小等轴晶生长；2)随后竞争性生长，形成细小柱状晶；3)择优生长，形成尺寸连续增大
的柱状晶，其中有较明显的柱状晶不连续现象。
[0006]申请人在PS
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PVD热障涂层失效研究中，发现在加热
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急冷条件下，PS
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PVD热障涂层失效容易在柱状晶厚度方向的不连续位置及柱状晶内部，结果如图1所示。如图2所示，观察其制备态形貌，发现纳米粒子、柱状晶生长方向的少量液相等，会影响气相连续沉积的效果。如图3所示，图3中的纵轴表示涂层的厚度，而两个横轴则表示基体表面的两个方向，图中的颜色不同表示相应的大致厚度，分析其核心原因，主要是由于粉体和高能等离子体耦合束斑，从各个维度看高气相沉积的区域约φ3cm～φ4cm区域，射流边缘沉积速率相对较低，且偏离射流中心的区域固
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液两相比例会逐步升高；同时为了使基板能充分承受PS
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PVD射流热流量，喷涂沉积距离通过在800～1500mm之间，以避免基板超温，在较远的距离处，射流会加大的环境气氛的交换，导致高气相沉积区和射流边缘、气氛交换率提升，导致此时射流中心位置的液
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固相含量随机无序变化，同时喷涂沉积距离提升，导致气相产生冷凝的纳米颗粒。上述因素可能是导致沉积过程中，柱状晶生长不连续的核心因素。
[0007]这一因素克服极其困难，要保证射流中粒子的承载量(沉积速率)，同时维持喷涂沉积距离下高气相沉积比例，持续维持高气相沉积比例使涂层柱状结构涂层连续生长，同时期待涂层枝晶生长发达，取得更优异的隔热效果，兼顾连续和枝晶的因素，使得这一工艺控制过程和方法异常复杂和困难。可能的解决方案有增大喷枪功率、提高真空度等等，但无疑均会增大系统投入、工艺成本，且降低等离子喷枪阴阳极使用寿命。

技术实现思路

[0008]本专利技术的第一个目的在于提供一种柱状结构涂层制备方法，以解决现有工艺中由于固
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液
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气三相复合沉积，在喷涂距离位置容易出现无序的射流状态，导致气氛交换过程中沉积纳米粒子或液滴，影响柱状晶连续生产的技术问题。
[0009]本专利技术提供的柱状结构涂层制备方法，采用等离子物理气相沉积的方法制备涂层，采用工艺配方管理系统管理工艺，所述工艺配方管理系统用于在上一工步执行时间完成后自动切换下一工步，在不同的工步中，等离子物理气相沉积过程中送粉量逐级提高，且耦合次气氢气流量的调整。
[0010]本专利技术柱状结构涂层制备方法带来的有益效果是：
[0011]通过在等离子物理气相沉积的过程中，逐步增加送粉量，可以在喷涂开始的初期，以较低的送粉量进行喷涂。此时，在沉积材料与包括基体加金属粘结层的基底的界面位置，可以提高射流中气象承载比例和气化效果，减少液滴和固相颗粒沉积，保障界面结合和起始高气相比例的气相形核，提高柱状结构涂层底部涂层生长质量。而且，采用工艺管理系统，实现了多工步之间喷涂参数的无缝调节，可以细微调节各个工艺参数，实现高气相比例连续沉积，相对的多工艺耦合调节，实现低成本、高可靠性的工艺连续自动调节控制，便于工业化生产和应用。
[0012]优选的技术方案中，基底预热完成后，先进行低送粉量喷涂沉积，所述低送粉量喷涂沉积过程中，送粉量为1～3g/min，所述低送粉量喷涂沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柱状结构涂层制备方法，其特征在于，采用等离子物理气相沉积的方法制备涂层，采用工艺配方管理系统管理工艺，所述工艺配方管理系统用于在上一工步执行时间完成后自动切换下一工步，在不同的工步中，等离子物理气相沉积过程中送粉量逐级提高，且随送粉量变化耦合调整增加次气氢气含量。2.根据权利要求1所述的柱状结构涂层制备方法，其特征在于，基底预热完成后，先进行低送粉量喷涂沉积，所述低送粉量喷涂沉积过程中，送粉量为1～3g/min，所述低送粉量喷涂沉积的持续时间为1～2min。3.根据权利要求1所述的柱状结构涂层制备方法，其特征在于，所述等离子物理气相沉积过程中，使用的气氛包括主气和次气，所述次气包括氢气，伴随送粉量的增加逐级增加氢气流量。4.根据权利要求3所述的柱状结构涂层制备方法，其特征在于，所述氢气流量等于(送粉量数值
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2)/2，所述氢气流量的单位为slpm，所述送粉量数值的单位为g/min。5.根据权利要求1所述的柱状结构涂层制备方法，其特征在于，所述工艺配方管理系统中，储存每个工步的真空度、喷涂电流、主气流量、次气流量、送分盘转速、粉筒加热温度、粉筒搅拌速率、送粉载气流量、喷枪夹持机械手程序号和工步运行时间，所述工步运行时间最短为0.5s。6.根据权利要求1所述的柱状结构涂层制备方法，其特征在于，所述工步之间的调整时间为20ms。7.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：何箐，由晓明，崔亮，赵乾，
申请(专利权)人：北京金轮坤天特种机械有限公司，
类型：发明
国别省市：