等离子喷涂-物理气相沉积高温防护涂层研究进展

等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）是基于低压等离子喷涂发展起来的一种新型多功能薄膜及涂层制备技术。由于其独特的等离子射流特征,可实现气液固多相涂层沉积,获得非视线沉积。文中首先介绍了国内外PS-PVD技术等离子体数值模拟和在线检测技术的研究现状,其次讨论了PS-PVD羽-柱状结构热障涂层的形成机制及与传统热障涂层在热导率、抗冲蚀等性能方面的差异,阐述了PS-PVD技术制备环境障涂层的研究进展,最后对PS-PVD技术沉积高温防护涂层的优势和存在的问题进行了总结。     

等离子喷涂-物理气相沉积射流中粒子状态和分布

采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)在高温合金基体上沉积7YSZ热障涂层,通过分步沉积实验、径向和轴向的涂层结构分布实验探讨了涂层中各种粒子的种类、形成原因、对涂层结构的影响及射流中的粒子分布。研究表明:PS-PVD实际上是一种以气相沉积为主,多相混合的沉积方式。涂层的沉积过程中,气相沉积是柱状晶形成的主要原因;熔融及部分熔融的大颗粒对可以直接改变柱状结构的生长状态;气相再凝固和气化不充分残留的小颗粒对涂层的影响是一个累积的过程。气相主要集中在射流中心,越靠近射流边缘,部分熔融粒子的比例越高,最终导致PS-PVD沉积涂层结构出现空间分布特征。     

等离子-物理气相沉积（PS-PVD）及其射流非接触检测方法

等离子-物理气相沉积(PS-PVD)是制备高温防护涂层和功能涂层的一种新方法,既可涵盖等离子喷涂和电子束物理气相沉积工艺,还可实现涂层宏观/介观/微观等跨尺度结构的定制化设计与制备,在热障涂层(TBCs)、环境障涂层(EBCs)、环境热障涂层(TEBCs)、透氧薄膜、燃料电池和太阳电池电极薄膜等领域具有广泛应用前景,尤其在航空发动机和燃气轮机防护涂层领域被视为高性能TBCs/EBCs制备技术发展的新方向。比较分析了PS-PVD等离子射流膨胀流动、材料快速加热气化离化和长距离多模式输运沉积的全流程过程,介绍了PS-PVD原理与设备系统,面向等离子射流参数快速无损检测分析的目标,建立了基于光学发射光谱学(OES)的等离子射流和材料特性非接触式检测与诊断装备系统,发展了射流和材料特性参数的定量表征和精确诊断方法。依据电子数密度等检测结果,进一步计算分析等离子温度分布规律。基于射流与材料检测结果,研究了粉末材料在等离子射流中的多相态转变行为,归纳了调控沉积单元多相态转变的工艺控制参数集。这些硬件平台和表征检测方法的建立,为构建PS-PVD理论和研制新型高性能热防护涂层提供了坚实的理论基础和必要的条件支撑。     

大气物理气相沉积行为对层流等离子喷涂Mo涂层结构影响*

通过提高基体温度或粒子温度可以突破大气等离子喷涂涂层结合率一般不超过 1 / 3 的瓶颈，然而目前粒子温度难以通过提高功率等方式进一步提高。基于大气层流等离子喷涂的相关研究证明了层流等离子射流具有射流长度长、速度低、能量密度高等特点，能够有效通过提高粒子在等离子射流的滞留时间从而实现对粒子的充分加热。为了研究层流等离子喷涂高熔点 Mo 涂层的结构演变规律与关键影响因素，并推导出金属与陶瓷涂层的一般沉积行为，使用扫描电子显微镜对三种喷涂参数下制备的 Mo 涂层的结构进行了表征与分析。结果表明，喷涂过程中，在等离子射流以及高温粒子对基体的原位加热作用下，Mo 的氧化物蒸气能够在等离子射流扫掠中与扫掠后附着、沉积在涂层表面，从而影响后续 Mo 粒子的沉积而改变涂层的微观结构。涂层的结构主要与 Mo 粒子的蒸发和基体温度有关。粒子蒸发越剧烈，基体温度越高，涂层越趋向于呈现出多孔岛状凸起结构；粒子蒸发越弱，涂层越趋向于呈现出层状结构，有利于实现低氧化、高致密金属涂层的制备，拓宽等离子喷涂的应用。综合以上研究结果，揭示层流等离子射流中的粒子大量蒸发现象与气相沉积过程，为其作为一种大气环境物理气相沉积的实施方式奠定了基础。     

等离子-物理气相沉积(PS-PVD)的材料输运行为与沉积机理研究进展EI北大核心CSCD

等离子-物理气相沉积(PS-PVD)具有制备层柱等多结构可控涂层的优异特性,但针对PS-PVD涂层结构调控的研究多局限于试错性试验,缺乏对涂层沉积与调控理论的研究,因此亟需对现有研究结果进行归纳、总结,以对PS-PVD沉积原理与涂层结构调控的进一步研究提供理论参考。针对PS-PVD所特有的涂层材料长距离输运、气液固多相态沉积过程,从涂层结构特征出发,综述PS-PVD沉积单元在经历喷枪内瞬时蒸发和喷枪外持续蒸发行为后,所进行的长距离输运行为与沉积行为的完整过程。此外,结合输运行为与沉积行为分析参数调控对沉积单元及涂层结构的影响规律,并对PS-PVD柱状结构涂层沉积机理的研究以及涂层制备技术的发展进行展望。     

PS-PVD等离子射流特性的光谱诊断研究进展

等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）作为一种新型喷涂技术融合了气相沉积与喷涂工艺两者的优点,其射流特性决定了涂层的结构与性能。光学发射光谱法（OES）作为一种等离子射流特性诊断技术,能实现射流特性原位检测,是判断射流内气化现象的有力手段。文中介绍了粉末送入前后及射流接触基体后射流特性的变化,展示了局部热力学平衡（LTE）假设及展宽理论下射流中各粒子状态的计算,探索了射流不同区域的传质传热等活动。Ar/He具有最高的温度,Ar具有高焓值对粉末的加热起主要作用,He凝聚射流能量对粉末的加热气化起关键作用,H₂会扩展射流宽度降低射流温度易形成带有致密层的柱状结构。结合射流数值模拟和射流光谱图可知,喷枪内复杂的热交互作用是粉末加热的主要原因,喷嘴处膨胀/压缩区发生热能与动能的交替转换,而射流中后段由于低压与高温继续发生气化现象,达到峰值后射流处于冷凝降温阶段,部分气相原子凝聚成团簇状粒子。文中还总结了功率、电流和送粉率等对等离子射流特性的影响等。     

等离子喷涂参数对TiB2可湿润阴极涂层沉积效率的影响

采用大气等离子喷涂（APS）在石墨质碳阴极材料上沉积TiB2可湿润性阴极涂层。研究了喷涂工艺参数对涂层沉积效率的影响。结果表明,涂层沉积效率随喷涂距离的增加而增加,随主气流量、喂料速率和喷涂功率增加呈现出先增加后减少的趋势,随粉末尺寸的减少而增加。最佳工艺参数为：喷涂距离80 mm,主气流量1900 L/h,送粉气流量（Ar）120 L/h,喂料速率27.34 g/min,喷涂功率35.8 kW,颗粒直径(d50) ≤37.4 μm,该条件下涂层沉积效率为67.26%。该TiB2涂层在220 kA铝电解槽上应用,槽稳定后铝液中Ti含量为0.0021%（质量分数）。     

等离子物理气相沉积设备研究及发展现状

热喷涂技术是表面工程领域一项重要的分支,在高性能涂层制备中已经得到越来越广泛的应用,特别在制备具有优良特性的热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)中发挥重要作用。等离子物理气相沉积(Plasma Spray-Physical Vapor Deposition,PS-PVD)是基于低压等离子喷涂发展的一种快速多相调控涂层制备技术,可获得薄膜、致密涂层、柱状晶结构涂层。PS-PVD的工艺设备制造是一大难题,国外发展尚不足十年,我国的PS-PVD设备都来自进口,国内开展了相关设备的探索工作。本文从PS-PVD工艺的发展历程入手,重点阐述PS-PVD设备的基本构造及关键技术。最后,对其发展和应用前景进行展望。     

燃气热冲击对PS-PVD和APS热障涂层的微结构和隔热性能的影响

采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)和大气等离子喷涂(APS)技术分别制备柱状和层状YSZ陶瓷层,在1 250℃的燃气热冲击下对比研究两种涂层体系的微结构演变和隔热性能变化。结果显示,燃气热冲击后PS-PVD和APS制备的两种YSZ层主要由t'相和c相构成。APS制备的YSZ层微裂纹不断生长开裂并出现局部层状剥落,而PS-PVD制备的YSZ层的"菜花头"间隙不断增大并出现局部"菜花头"剥落。同时表明,PS-PVD制备的热障涂层在长期燃气热冲击时抗氧化性及隔热效果均优于APS制备的热障涂层。     

喷雾干燥法制备PS-PVD用8YSZ纳米团聚粉末

目的 通过喷雾干燥法制备用于等离子喷涂-物理气相沉积法（Plasma Spray-Physical Vapor Deposition,PS-PVD）多相沉积柱状/致密涂层的ZrO2-8%Y2O3 (8YSZ)纳米团聚粉末。方法 采用平均粒度为20 nm的8YSZ纳米粉为原料并配制成浆料,球磨后通过喷雾干燥法制备出8YSZ的纳米团聚粉末,并研究不同含量粘结剂（NJ-3）对粉末的影响。利用TEM、SEM表征粉末及涂层的微观结构。通过XRD、激光粒度及拉伸试验对粉末及涂层性能进行表征。结果 纳米8YSZ粉末在添加适当种类及含量的分散剂、粘结剂并通过喷雾干燥加工后,成功制备出球形度高、粒度小且适用于气/液/固多相沉积的PS-PVD用喷涂粉末。当粘结剂含量低于8%时,粉末球形度低,表面存在明显坑孔。而当粘结剂含量高于12%时,PS-PVD气相沉积效率低,涂层质量差。当粘结剂含量为10%时,粉末球形度高,D90=12.24 μm,可气/液/固多相沉积制备形貌良好的柱状涂层及致密涂层。其中气相沉积所制备柱状涂层结合强度可达33 MPa,且原始粉末中的m-ZrO2完全转变为t-ZrO2。结论 当粘结剂含量为10%时,所制备粉末能够流畅送粉,并进行气/液/固多相沉积,且涂层质量最优。粘结剂在粉末内部分布均匀,并主要起粘结和支撑作用,同时可改善粉末表面形貌。喷雾干燥后粉末粒度随着粘结剂含量增加而增大,但非线性变化。