等離子物理氣相沉積熱障涂層研究進(jìn)展

石 佳, 魏亮亮, 張寶鵬, 高麗華, 郭洪波,2,宮聲凱,2, 徐惠彬,2

（1．北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2．高溫結(jié)構(gòu)材料與涂層技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

等離子物理氣相沉積（PS-PVD）技術(shù)是結(jié)合等離子噴涂與物理氣相沉積技術(shù)發(fā)展起來的一種新型的薄膜與涂層制備技術(shù)。1998年，瑞士Sulzer Metco公司在低壓等離子噴涂技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了低壓等離子噴涂-薄膜技術(shù)（low pressure plasma spray thin film，LPPS-TF），該技術(shù)也被稱作超低壓等離子噴涂技術(shù)[1]。與低壓等離子噴涂相比，LPPS-TF的工作壓力更低，約為0.1～1 kPa，等離子射流進(jìn)一步膨脹變寬，可實(shí)現(xiàn)致密金屬或陶瓷薄膜的大面積快速沉積。21世紀(jì)初，LPPS-TF技術(shù)在國(guó)際熱噴涂領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。法國(guó)貝爾福-蒙博里亞理工大學(xué)（UTBM）LERMPS實(shí)驗(yàn)室與里摩日大學(xué)SPCTS實(shí)驗(yàn)室共同開展了低壓等離子體束流特性方面的研究，探索并確定了采用該噴涂方法可以獲得類似物理氣相沉積金屬及陶瓷涂層的可能性。2005年，UTBM組建了超低壓等離子噴涂設(shè)備[2]，使用Metco公司的單陰極F4-VB噴槍，工作壓力低于100 Pa，真空室體積達(dá)到12 m3，等離子射流長(zhǎng)度超過2 m。2010年，Metco公司正式提出了等離子物理氣相沉積（PS-PVD）技術(shù)的概念[3]，改進(jìn)后的PS-PVD技術(shù)采用更高功率等離子噴槍（O3CP或MC-100），在大功率（50～100 kW）和低氣壓（～200 Pa）的工作條件下進(jìn)行噴涂。

熱障涂層（thermal barrier coatings，TBCs）是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)，由隔熱性能優(yōu)良的陶瓷面層和起粘接作用的金屬底層構(gòu)成，可以避免高溫燃?xì)馀c金屬基體直接接觸，對(duì)基體形成有效保護(hù)，起到延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命、提高燃燒效率的作用。目前應(yīng)用最廣泛的熱障涂層制備技術(shù)是大氣等離子噴涂（air plasma spray，APS）和電子束物理氣相沉積（electron beam physical vapor deposition, EB-PVD）技術(shù)[4-7]，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商使用APS和EB-PVD技術(shù)制備熱障涂層已有30多年歷史[8]。APS工藝具有操作穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)可行性，因此在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中很多靜態(tài)部件上的熱障涂層采用APS工藝制備，如燃燒室和渦輪盤。在固定式燃?xì)廨啓C(jī)中，工作葉片也經(jīng)常通過APS工藝涂覆[9]。由于APS熱障涂層為層狀結(jié)構(gòu)，熱循環(huán)過程中不斷積累的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致涂層剝落失效[10]。與APS相比，EB-PVD熱障涂層具有柱狀結(jié)構(gòu)，可在熱循環(huán)過程中釋放應(yīng)力，其熱循環(huán)使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過APS涂層[11-12]。同時(shí)，EB-PVD涂層具有更低的表面粗糙度，可有效降低燃?xì)庾枇Γ欣诒３秩~片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪工作葉片。EB-PVD技術(shù)的局限性在于設(shè)備昂貴，沉積效率較低（1～3 μm/min），制備的熱障涂層熱導(dǎo)率較高（1.5～1.9 W/m·K），隔熱效果不如APS涂層[13]。此外，APS與EB-PVD均為視線沉積工藝，噴涂過程中粒子只能處于直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)基體前面有物體遮擋時(shí)，粒子不能繞過阻擋物進(jìn)行涂層沉積。與APS和EB-PVD相比，PSPVD技術(shù)兼具二者的優(yōu)點(diǎn)，用快速熱噴涂的方法實(shí)現(xiàn)了大面積、均勻化的物理氣相沉積[14-15]。通過改變等離子射流狀態(tài)，PS-PVD還可以實(shí)現(xiàn)多相復(fù)合涂層的沉積，拓展了不同組織結(jié)構(gòu)熱障涂層的設(shè)計(jì)與制備。更為重要的是，PS-PVD的等離子射流具有良好的繞鍍性，可以在外形復(fù)雜的工件表面實(shí)現(xiàn)非視線熱障涂層沉積[9]。目前，PS-PVD熱障涂層技術(shù)的報(bào)道主要集中在制備工藝及涂層結(jié)構(gòu)等方面，該技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際熱噴涂和熱障涂層領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。

我國(guó)在PS-PVD方面研究進(jìn)展很快。2013年北京航空航天大學(xué)從瑞士Medicoat公司引進(jìn)我國(guó)第一臺(tái)大功率PS-PVD設(shè)備，之后，航天材料及工藝研究所、廣東省新材料研究所（原廣州有色金屬研究院）、北京礦冶研究總院、上海硅酸鹽研究所相繼從瑞士Sulzer Meltco公司引進(jìn)PS-PVD設(shè)備。廣州有色金屬研究院、西安交通大學(xué)、北航等單位在國(guó)家973、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目等支持下，開展了PS-PVD射流特性、噴涂材料與等離子射流交互作用、涂層沉積機(jī)理等基礎(chǔ)研究。本文將綜述近年來在PS-PVD工藝參數(shù)優(yōu)化、模擬理論計(jì)算、涂層結(jié)構(gòu)及沉積機(jī)理等方面的研究進(jìn)展。

1 PS-PVD的原理與技術(shù)特點(diǎn)

PS-PVD設(shè)備主要由等離子噴槍、真空工作室、真空泵、送粉器、中央控制器等部件組成，如圖1所示。噴涂過程由中央控制器控制，等離子噴槍、工件及樣品臺(tái)均位于超低壓真空密閉室內(nèi)，真空室與真空泵、過濾除塵系統(tǒng)相連，噴涂時(shí)也可以保持一定的真空度。PS-PVD采用了超低壓的工作環(huán)境和高功率高熱焓值的等離子噴槍，等離子氣體流量可以達(dá)到200 SLPM（standard liters per minute，SLPM），噴涂功率可達(dá)到約100 kW，此時(shí)等離子射流形態(tài)和特性均會(huì)發(fā)生很大變化。等離子氣體在電極槍內(nèi)被電弧加熱離解成高能高壓的等離子體，通過噴嘴進(jìn)入真空室后急劇膨脹形成超音速等離子射流。PS-PVD技術(shù)一般采用槍內(nèi)送粉的方式，噴涂粉末被直接注入噴槍內(nèi)的等離子射流中，這樣有利于粉末的加熱熔化和氣化。等離子噴槍一般配有2個(gè)或4個(gè)送粉口，可以同時(shí)注入單路或多路粉末。同時(shí)，PS-PVD裝配了相關(guān)監(jiān)測(cè)裝置，其中原子發(fā)射光譜儀用于表征等離子體性質(zhì)及粉末氣化程度，紅外照相儀及熱電偶監(jiān)測(cè)基體溫度。

PS-PVD技術(shù)還可以進(jìn)行自凈化表面預(yù)處理。通過自動(dòng)控制系統(tǒng)，引弧時(shí)將工件基體接電源負(fù)極，使電子從工件表面逸出，迅速氣化基體表面殘存的氧化物，起到清潔、凈化基體表面的作用。此外，等離子射流可以對(duì)基體材料進(jìn)行加熱，有效提高涂層與基體的結(jié)合力。在工件基體不發(fā)生變形和組織變化的情況下，可以允許較高的預(yù)熱溫度，這樣可以減小涂層與基體的溫差，減少熱應(yīng)力產(chǎn)生，避免涂層產(chǎn)生微裂紋。

圖2比較了大氣等離子噴涂（APS）、低壓等離子噴涂（LPPS）和等離子物理氣相沉積（PS-PVD）技術(shù)過程中的等離子射流狀態(tài)。普通真空系統(tǒng)的工作壓力一般為5～20 kPa，等離子射流長(zhǎng)度約為50～500 mm，射流直徑約為10～40 mm。與之相比，PS-PVD系統(tǒng)的工作壓力更低（50～200 Pa），等離子射流長(zhǎng)度超過2 m，直徑可以達(dá)到200～400 mm[16]。等離子體射流區(qū)域的擴(kuò)展使射流橫截面上的顆粒濃度和溫度分布更加均勻，顯著提高了涂層沉積的面積和均勻性。

2 PS-PVD工藝影響及優(yōu)化

一般來說，噴涂過程中的工藝參數(shù)直接影響噴涂粉末的溫度、速度、熔化和氣化比例等，進(jìn)而影響涂層組織結(jié)構(gòu)。研究表明，PS-PVD工藝的主要噴涂參數(shù)包括：等離子氣體組成、送粉率、真空度、噴槍功率、基體溫度、噴涂距離、載氣流量等[17]。

2.1 等離子氣體

常用的等離子工作氣體包括氫氣、氬氣、氦氣、氮?dú)獾?，組成和比例不同的等離子氣體具有不同的熱焓值和等離子體溫度，顯著影響等離子射流與噴涂粉末的相互作用。Mauer等研究了等離子氣體種類對(duì)等離子射流特性的影響[18]。圖3對(duì)比了不同氣體組分下PS-PVD的等離子射流狀態(tài)。當(dāng)選用純氬氣作為等離子氣體時(shí)，等離子射流較窄，溫度較低。在氬氣中添加氫氣后，由于等離子體溫度降低且束流分散，噴涂粉末顆粒的氣化程度降低。而在氬氣中添加氦氣后，由于氦氣具有較好的黏性，等離子射流凝聚，有效提高了噴涂粉末的氣化程度，得到氣相沉積的柱狀結(jié)構(gòu)熱障涂層。不同等離子氣體組分的溫度和焓值如表1所示。Ar-He的熱焓值和溫度較高，分別約為838965 J/mol，15550 K，而 Ar-H2的熱焓值約為733496 J/mol，溫度約為12860 K，較Ar-He均有明顯下降，說明Ar-He是較為匹配PS-PVD過程的等離子氣體組成。

Goral等對(duì)PS-PVD中工作氣體使用比例對(duì)柱狀結(jié)構(gòu)涂層組織形貌的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖4所示[8]。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，在其他噴涂條件一定時(shí)，提高等離子氣體氬氣比率（Ar/He比率從1∶1增加到2∶1）后，涂層中出現(xiàn)固相顆粒，說明增大氬氣含量不利于噴涂粉末的熔化及氣化。

郭洪波等采用理論模擬計(jì)算研究和揭示了PS-PVD過程中不同條件下等離子射流的特性、噴涂粉末與等離子射流間的交互作用機(jī)制[19]。結(jié)果表明：粒子能量及涂層結(jié)構(gòu)在極大程度上取決于等離子槍內(nèi)部等離子體的特性；通過對(duì)30Ar/60He，45Ar/45He和60Ar/30He三種等離子氣體組成進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，等離子體組成為45Ar/45He時(shí)，在等離子噴槍內(nèi)部轉(zhuǎn)移給噴涂粉末的熱焓值最高（約為9828 kJ/kg），與30Ar/60He氣體組成相差不大，但明顯高于60Ar/30He，如圖5所示。因而使用Ar/He比例為1:1的等離子氣體獲得的涂層結(jié)構(gòu)和性能值得進(jìn)一步研究。

表1 相同凈功率下不同氣體組分的溫度和焓值[18]Table 1 Plasma temperatures and enthalpies of different plasma gas compositions at the same plasma net power[18]

2.2 噴涂粉末

噴涂粉末對(duì)PS-PVD過程的影響主要包括粉末本身特性及送粉率兩方面。PS-PVD技術(shù)對(duì)噴涂粉末的要求高于APS，需要粉末具有良好的流動(dòng)性和較低的尺寸。郭洪波等[20]計(jì)算得到了不同噴涂功率下完全氣化YSZ粉末時(shí)所需要的粉末顆粒尺寸，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)噴涂功率為50 kW時(shí)，只有直徑小于0.65 μm顆?？梢酝耆珰饣?dāng)噴涂功率達(dá)到60 kW時(shí)，直徑小于1.5 μm的粉末顆粒可以被完全氣化[20]。這一方面表明適當(dāng)增加噴涂功率有利于粉末的氣化，另一方面說明粉末的尺寸直接影響其熔化和氣化過程。

Mauer等[18]利用原子發(fā)射光譜檢測(cè)了PS-PVD沉積過程中不同送粉率條件下粉末的氣化程度。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)送粉率較小時(shí)（＜ 2 g/min），射流中的粉末可以被充分氣化，制備得到純氣相沉積的柱狀晶結(jié)構(gòu)組織；增大送粉率時(shí)（5～20 g/min），由于噴涂粉末氣化需要的能量增加，粉末不能被完全氣化，射流中氣相原子、液相以及固相顆粒共同存在，在基體上沉積后得到層狀和柱狀混合結(jié)構(gòu)涂層。因此，送粉率的大小直接影響了噴涂粉末在射流中的狀態(tài)，進(jìn)而影響了涂層的組織結(jié)構(gòu)。

2.3 真空度

PS-PVD過程中的真空度對(duì)熱障涂層形貌也有重要影響，由圖7可知，當(dāng)真空度約為5000 Pa時(shí)，形成的是比較致密的層狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)真空度為 500～5000 Pa時(shí)，沉積得到的是層狀結(jié)構(gòu)涂層；只有當(dāng)真空度小于300 Pa，才可能形成柱狀晶結(jié)構(gòu)[21]。因此，大多數(shù)研究的真空度都控制在100～200 Pa。Goral等對(duì)PS-PVD中工作氣壓對(duì)柱狀晶涂層組織形貌的影響也進(jìn)行了研究[8]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作氣壓從約150 Pa增加到約200 Pa時(shí)，噴涂顆粒的氣化程度減弱，涂層中存在固相顆粒，說明較低的工作氣壓有利于柱狀晶結(jié)構(gòu)的形成。

2.4 噴涂功率

噴涂功率直接影響等離子射流的溫度、熱焓值和速度。噴涂功率越大，等離子射流溫度越高，對(duì)粉末熔化/氣化有顯著影響。郭洪波等對(duì)30Ar/60He等離子氣體在不同功率條件下的動(dòng)量和熱量轉(zhuǎn)換進(jìn)行了理論模擬和計(jì)算研究[20]，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移到粉末上的能量和涂層形貌在很大程度上受等離子氣體特性和噴槍內(nèi)粉末動(dòng)力學(xué)的影響。隨著噴涂功率從50 kW增加到60 kW，等離子體氣體的熱量增加，但粉末速度沒有明顯的變化，此時(shí)粉末可以吸收更多熱量。當(dāng)功率從60 kW增加到70 kW時(shí)，等離子氣體的總熱量依然增加，但粉末顆粒的速度也顯著增大，由此導(dǎo)致其在噴槍內(nèi)停留的時(shí)間迅速減少，繼而使粉末所利用的有效熱量減少。選取直徑為1 μm的YSZ粉末計(jì)算原料吸收的熱量百分比，結(jié)果如圖8所示。起初粉末顆粒吸收的有效功率隨噴槍凈功率的增加而增加，最高時(shí)約為64 kW，此時(shí)被原料粉末吸收的等離子體能量占比最高，約為3.4%。進(jìn)一步增加功率則會(huì)降低等離子體和粉末之間的熱傳遞。此外，功率過大不僅對(duì)等離子噴槍負(fù)載過大，容易燒蝕噴槍內(nèi)的陰極，降低噴槍使用壽命，還有可能燒損噴涂粉末，影響涂層成分和性能。

2.5 噴涂距離和載氣流量

一般將噴槍的噴嘴端面到基體表面的直線距離定義為噴涂距離。噴涂距離不同導(dǎo)致射流狀態(tài)存在明顯差異。在傳統(tǒng)APS工藝中，隨著噴涂距離的增加，等離子射流的溫度、熱焓值及射流中的粒子溫度均呈下降趨勢(shì)[22-23]。在LPPS噴涂過程中，等離子射流在噴嘴出口附近處溫度最高，可以達(dá)到約10950 K。隨著噴涂距離的增加，等離子射流的溫度不斷降低，射流的速度則先增加后降低，距離噴嘴出口約25 mm處速度最大，約為2024 m/s[24]。而在PS-PVD工藝中，等離子束流的壓力、溫度、導(dǎo)熱率及速度在很大程度上受超低壓工作環(huán)境的影響，在噴涂軸向方向上與超音速流動(dòng)相似，出現(xiàn)了連續(xù)的收縮和擴(kuò)張區(qū)域[25]。郭洪波等采用PS-PVD在不同噴涂距離上制備了YSZ陶瓷涂層，研究了沿等離子射流軸向和徑向方向上涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)變化，建立了PS-PVD涂層微觀結(jié)構(gòu)空間演變模型[26]。研究顯示，隨著噴涂距離的增加，等離子射流中心處的粒子先后經(jīng)歷了液相（含少量氣相和固相）、氣/液混合相（含少量固相）、氣相（含少量未熔化固相顆粒）、純氣相以及氣相（含冷凝固相顆粒）這幾種狀態(tài)的改變，在基體表面沉積后依次形成了致密層狀結(jié)構(gòu)、層狀柱狀混合結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)柱狀結(jié)構(gòu)（含未熔化顆粒）、純氣相柱狀結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)柱狀結(jié)構(gòu)（含冷凝納米顆粒）結(jié)構(gòu)的涂層。

載氣是指在噴涂過程中將粉末運(yùn)輸?shù)降入x子射流內(nèi)部的氣體，通常為氬氣，而載氣流量和噴涂距離對(duì)柱狀結(jié)構(gòu)熱障涂層的形成有交互作用[9]。噴涂時(shí)選取的載氣流量不同會(huì)導(dǎo)致射流內(nèi)部固相、液相和氣相的含量變化。圖9為YSZ粉末在噴涂過程中的飛行軌跡模型。使用較低的載氣流量（5～8 L/min）時(shí)，固相顆粒和液相不能在一定距離內(nèi)被送出等離子焰流，因而與氣相原子共同沉積在基體表面，形成致密的層狀或緊密填充的混合結(jié)構(gòu)。提高載氣流量（＞ 10 L/min）后，大部分固相顆粒和液相在飛行過程中離開等離子束流，而氣相原子可以隨射流飛行很遠(yuǎn)，并在基體表面進(jìn)行沉積，從而得到氣相含量較高的柱狀結(jié)構(gòu)涂層。因次，通過選取合適的載氣與噴涂距離，可以對(duì)PS-PVD涂層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。

3 PS-PVD熱障涂層的結(jié)構(gòu)及沉積原理

目前，國(guó)內(nèi)外通過PS-PVD工藝制備得到的YSZ陶瓷涂層主要有四種結(jié)構(gòu)，分別是致密層狀結(jié)構(gòu)、層狀與柱狀混合結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)柱狀結(jié)構(gòu)及純氣相柱狀結(jié)構(gòu)，這是由于沉積到基體表面的固相、液相和氣相組成及比例不同造成的[27]。不同結(jié)構(gòu)YSZ涂層的斷口形貌如圖10所示。

郭洪波等通過PS-PVD短時(shí)噴涂方法及沉積物形貌特征分析對(duì)以上四種涂層的沉積機(jī)理進(jìn)行了研究[27]。致密結(jié)構(gòu)涂層主要由完全熔化的液滴鋪展堆積而成，如圖11所示。此時(shí)，到達(dá)基體表面的YSZ主要以液相存在，還存在少量氣相原子和固相顆粒。液滴隨等離子束流高速飛行撞擊到基體表面后發(fā)生鋪展，形成盤狀的薄層并凝固，隨后到來的液滴再次發(fā)生撞擊鋪展，最終形成致密層狀涂層。同時(shí)，少量的固相顆粒沉積到基體表面，形成的凸起會(huì)導(dǎo)致涂層中出現(xiàn)空洞和缺陷。而少量氣相粒子則凝結(jié)在片層結(jié)構(gòu)表面或者填充片層間隙，有利于提高涂層致密性。

混合結(jié)構(gòu)熱障涂層主要由氣相和液相沉積而成，如圖12所示。其中，熔化的液滴撞擊在基體上形成片層狀組織；氣相原子到達(dá)基體表面時(shí)吸附在基體或片層組織表面并沿表面發(fā)生擴(kuò)散、形核。當(dāng)有連續(xù)氣相原子沉積時(shí)，原子團(tuán)核以三維島狀模式生長(zhǎng)，形成柱狀結(jié)構(gòu)。大量液滴沉積不僅會(huì)打斷柱狀晶的生長(zhǎng)，還會(huì)填入柱狀晶的間隙，顯著降低了涂層的孔隙率，使涂層較為致密。

準(zhǔn)柱狀結(jié)構(gòu)涂層的沉積機(jī)理如圖13所示[28]。可以發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)柱狀結(jié)構(gòu)涂層主要由氣相原子沉積而成，因而具有明顯的柱狀結(jié)構(gòu)；同時(shí)，部分微米級(jí)固體顆粒沉積導(dǎo)致準(zhǔn)柱狀涂層具有“楔形”特征結(jié)構(gòu)。這種楔形結(jié)構(gòu)是由于氣相粒子直接在顆粒表面形核和生長(zhǎng)得到的。微米級(jí)固相顆粒撞擊基體或涂層表面，會(huì)終止原有“楔形”結(jié)構(gòu)上氣相原子的沉積。納米小顆粒和液滴也會(huì)沉積在柱狀晶內(nèi)部和間隙中，但對(duì)準(zhǔn)柱狀結(jié)構(gòu)沒有明顯影響。

純柱狀結(jié)構(gòu)涂層完全由氣相原子沉積而成，沉積機(jī)理如圖14所示。氣相原子和原子團(tuán)簇隨等離子束流到達(dá)基板表面后，通過三維島狀生長(zhǎng)模式生長(zhǎng)成柱狀晶。在形核生長(zhǎng)過程中，吸附粒子首先結(jié)合形成小原子團(tuán)，當(dāng)原子團(tuán)達(dá)到或超過臨界尺寸后，原子團(tuán)則會(huì)穩(wěn)定存在并長(zhǎng)大成為島狀結(jié)構(gòu)。隨著島狀結(jié)構(gòu)不斷長(zhǎng)大，島之間的間距相應(yīng)減小，最終相鄰的小島合并成為一個(gè)大島，聯(lián)并之后的大島將沿垂直于基體方向不斷生長(zhǎng)，最終形成連續(xù)涂層。在PS-PVD中，柱狀晶的形核和島狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)與EB-PVD相近。不同之處在于，EB-PVD中氣相原子具有很好的擴(kuò)散能力，當(dāng)其到達(dá)柱狀晶表面時(shí)很難形核，而是在原有的柱狀晶上生長(zhǎng)。因此，EBPVD沉積的柱狀晶通常形狀規(guī)則、排列整齊，呈現(xiàn)明顯的晶體學(xué)平面。而在PS-PVD中，氣相粒子本身具有較高的速度，加之等離子射流有一定黏滯力，導(dǎo)致氣相粒子很難在涂層表面發(fā)生擴(kuò)散。這時(shí)，氣相粒子通常在原有柱狀晶上重新形核并長(zhǎng)大成為新的柱狀晶。因此，PS-PVD純柱狀結(jié)構(gòu)涂層的柱狀晶較為粗大而且沒有擇優(yōu)取向。

4 總結(jié)與展望

PS-PVD技術(shù)代表了未來高性能熱障涂層制備技術(shù)的發(fā)展方向。PS-PVD工藝在熱障涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)調(diào)控、大面積高效率沉積、多聯(lián)體復(fù)雜型面涂層均勻涂覆等方面都展現(xiàn)了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有望在新一代超高溫、高隔熱、長(zhǎng)壽命熱障涂層研制方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。目前在PS-PVD熱障涂層基礎(chǔ)研究方面已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，但尚未獲得工程應(yīng)用。PS-PVD技術(shù)未來的研究方向主要有：（1）超高溫高隔熱熱障涂層研究；（2）長(zhǎng)壽命熱障涂層研究；（3）陶瓷基復(fù)合材料環(huán)境障涂層研究；（4）大面積致密透氧膜和固態(tài)燃料電池電極膜等。

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以某立交工程已運(yùn)營(yíng)20年的后張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的加固效果進(jìn)行研究。橋梁全長(zhǎng)為204.95m，由10孔20m的空心板組成。橋?qū)挒?7.5m，按4車道設(shè)計(jì)，橫斷面由14塊板組成，板梁之間的聯(lián)結(jié)采用混凝土企口縫構(gòu)造。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-超20級(jí)，掛車-120。主梁和橋墩分別采用C50和C30混凝土澆筑而成，橋面磨耗層為中粒式瀝青混凝土，橋面鋪裝層為C30防水混凝土。

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