PS-PVD7YSZ涂层的气相沉积机理和空间沉积特性

摘要

热障涂层与高温合金、气膜冷却技术并称为航空发动机涡轮叶片的三大关键技术。50年来，航空发动机的发展离不开热障涂层的贡献。新时期，航空发动机向高推力、高效率方向发展，必然导致发动机燃烧室内的工作温度进一步提高，故新一代超高温、长寿命、高隔热的热障涂层迫切需要研究开发。使用传统技术制备的热障涂层并不能满足未来高性能发动机严峻的服役要求，所以发展新的热障涂层制备技术是必然选择，其中等离子喷涂-物理气相沉积工艺(Plasma Spray-Physical Vapor Deposition，PS-PVD)是最具潜力的未来航空发动机热障涂层制备方法之一。目前，PS-PVD制各热障涂层已经发展到一个瓶颈阶段。单纯的依靠工艺调节以提升涂层的性能，无法满足热障涂层的发展需求。因此，需要开展PS-PVD工艺沉积特性和涂层生长机理研究。通过了解PS-PVD涂层的沉积过程和影响因素（特别是PS-PVD柱状结构涂层），为PS-PVD热障涂层的结构调控提供理论支撑，并最终开发出符合要求的新一代热障涂层。
　　本文通过PS-PVD以逐步沉积、径向沉积、轴向沉积的方式沉积氧化锆(7％yttria-stabilised zirconia，7YSZ)柱状涂层，采用SEM、XRM、TEM、XRD、3D轮廓仪等表征手段研究涂层结构和性能的差异，再结合等离子射流光谱诊断和数值模拟，建立涂层生长模型、PS-PVD轴向和径向空间沉积模型等，最终探讨PS-PVD7YSZ柱状结构涂层的沉积机理和空间沉积特性。最后，通过PS-PVD在具有复杂型面的多联叶片上沉积涂层，研究PS-PVD非视线沉积特性，为其以后的工程应用打下基础。具体情况如下:
　　(1)依靠逐步沉积的方式研究PS-PVD独特羽毛状柱状结构的生长过程。研究发现，其生长大致可以分成3个阶段:阶段一，由气相吸附基体后形核生长，最终形成由排列整齐的细柱状晶构成的致密涂层;阶段二，细柱状晶发展成大柱状晶，该阶段柱状晶快速增高，涂层沉积效率最高;阶段三，柱状晶分枝发展成柱状结构，进入该阶段后，涂层表面的枝晶的形成和抑制达到动态平衡，涂层的孔隙率、粗糙度、热导率趋于稳定。
　　(2)通过研究径向分布沉积发现了PS-PVD区域沉积特性，沉积的涂层沿射流径向可以划分成3个区域:ZoneⅠ为气相沉积区，主要是气相沉积，高浓度的气相形成典型的羽毛状柱状结构涂层;ZoneⅢ为粒子沉积区，以熔融和微熔粒子沉积为主，涂层致密;ZoneⅡ位于两者之间为过渡区域，区域内涂层由气相和固/液相小粒子混合沉积而成。结合光谱诊断，粉末粒子在PS-PVD等离子射流中的空间分布模型被提出。气相粒子主要集中在射流中心，熔融和粒子分布在射流的边缘，且越靠近边缘，它们的比例越高和尺寸越大。与Ar-He相比，Ar-He-H2气相分布更宽泛一些，同时射流中微熔粒子的比例更高。
　　(3)通过PS-PVD在不同轴向位置沉积涂层，发现PS-PVD气相沉积受非自发形核和自发形核控制。350mm和1800mm均为致密涂层。其中前者是高浓度气相粒在基体前发生过饱和自发形核和液/固粒子共同作用形成的致密结构涂层;后者是由于气相再凝固的粒子沉积而成致密结构涂层。喷距650mm、950mm和1250mm都是典型的柱状结构涂层，涂层生长以非自发形核为主，进入第三阶段后，自发形核开始发挥作用，最终造成了涂层结构细微的差异。
　　(4)通过PS-PVD基于喷距和喷涂角度的沉积实验，发现PS-PVD射流的本征特性对涂层沉积有重大的影响。基体所处位置的射流温度和速度影响气相的形核和生长;此外，涂层的沉积效率与基体表面的射流压力相关，压力越大，沉积效率越高;柱状结构的生长偏转角度与射流的速度相关，偏转方向与速度方向一致，速度越大，偏转角度越大。
　　(5)应用PS-PVD技术实现了燃气轮机四联叶片高温防护金属层和双联叶片热障涂层粘结层/陶瓷层的全覆盖、均匀沉积，其中，陶瓷层薄厚比达到1∶2，展现出PS-PVD优异的非视线沉积特性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 热障涂层的发展

1．3 热障涂层结构

1．4 热障涂层材料

1．4．1 粘结层材料

1．4．2 陶瓷层材料

1．5 传统热障涂层制备技术

1．5．1 大气等离子喷涂(APS)

1．5．2 电子束-物理气相沉积(EB-PVD)

1．6 等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)

1．6．1 PS-PVD介绍

1．6．2 PS-PVD的技术特点

1．6．3 PS-PVD热障涂层的研究进展

1．7 研究意义和主要研究内容

1．7．1 研究意义

1．7．2 主要研究内容

第二章 涂层制备和表征方法

2．1 实验准备

2．1．1 基体的选择

2．1．2 粘结层材料

2．1．3 陶瓷层材料

2．2 涂层制备

2．2．1 粘结层的制备

2．2．2 陶瓷层的制备

2．3 射流光谱诊断和涂层表征分析

2．3．1 等离子射流光谱诊断

2．3．2 涂层显微结构分析

2．3．3 涂层相结构分析

2．3．4 涂层厚度测量

2．3．5 涂层表面粗糙度及表面3D形貌测试

2．3．6 维氏硬度测量

2．3．7 涂层热震性能测试

第三章 PS-PVD 7YSZ涂层结构及沉积机理

3．1 引言

3．2 PS-PVD 7YSZ涂层典型柱状结构

3．3 PS-PVD柱状结构生长过程

3．3．1 样品外观与相成分变化

3．3．2 涂层结构演变

3．3．3 涂层性能的变化

3．3．4 讨论

3．4 PS-PVD涂层生长模型

3．4．1 形核

3．4．2 气相沉积模型

3．4．3 气／液／固相沉积模型

3．5 小结

第四章 PS-PVD径向区域沉积特性

4．1 引言

4．2 Ar-He射流950mm处径向区域分布

4．2．1 径向涂层宏观照片

4．2．2 径向涂层相组成

4．2．3 径向涂层结构

4．2．4 涂层径向特性

4．2．5 讨论

4．3 Ar-He射流650mm和1250mm径向区域分布

4．3．1 径向涂层宏观照片

4．3．2 径向涂层相组成

4．3．3 径向涂层结构

4．3．4 径向涂层特性

4．3．5 讨论

4．4 Ar-He-H2射流950mm喷距处径向分布

4．4．1 径向涂层宏观照片

4．4．2 径向相组成

4．4．3 径向涂层结构

4．4．4 涂层径向特性

4．4．5 讨论

4．5．1 Ar-He粒子空间分布规律

4．5．2 Ar-He-H2粒子空间分布规律

4．6 小结

第五章 PS-PVD轴向气相沉积特性

5．1 引言

5．2 喷距对涂层结构的影响

5．2．1 不同喷距下的涂层结构

5．2．2 不同喷距下的物相组成

5．2．3 轴向光谱诊断(OES)

5．2．4 基于喷距的气相沉积机制

5．2．5 超弹性陶瓷

5．3 不同沉积角度对涂层沉积的影响

5．3．1 样品照片和相组成

5．3．2 不同沉积角度下的涂层结构和性质

5．3．3 数值模拟与讨论

5．4 小结

第六章 PS-PVD复杂型面的非视线性沉积

6．1 引言

6．2 燃气轮机四联叶片NiCoCrAlYTa金属层制备

6．2．1 实验设计

6．2．2 NiCoCrAlYTa涂层结构

6．2．3 NiCoCrAlYTa涂层厚度分布

6．3 航空发动机双联叶片的TBC涂层均匀沉积

6．3．1 实验设计

6．3．2 NiCoCrAlTaY粘结层的厚度和结构

6．3．3 7YSZ涂层的结构和厚度分布

6．4 PS-PVD非视线沉积原理

6．5 关于涂层沉积的建议

6．6 小结

结论

论文主要结论

论文创新点

今后的研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

声明

致谢