熱障涂層典型制備技術(shù)研究進展

張寶鵬，朱 申，王 宇，劉 偉，李 策

（航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京 100074）

隨著航空發(fā)動機工作效率和推重比的不斷提升，發(fā)動機中各部件的使用溫度也隨之提高。航空發(fā)動機渦輪葉片一般采用鎳基高溫合金進行制造，該類合金熔點約為1400℃，遠(yuǎn)低于航空發(fā)動機的工作環(huán)境溫度。在此情況下，熱障涂層技術(shù)應(yīng)運而生。熱障涂層（Thermal barrier coatings，TBCs）是將具有耐高溫、低熱導(dǎo)、抗腐蝕等性能的陶瓷材料以涂層形式沉積在基材表面，以提高發(fā)動機葉片使用溫度及高溫抗氧化能力，延長使用壽命，提高發(fā)動機效率的一種表面防護技術(shù)[1]。

圖1 為熱障涂層體系的示意圖，其中顯示涂覆熱障涂層后渦輪葉片的使用溫度可以提高150～200℃[2]。在高性能燃?xì)鉁u輪發(fā)動機中，TBCs技術(shù)與高溫結(jié)構(gòu)材料、高效氣膜冷卻技術(shù)并稱為渦輪發(fā)動機葉片的三大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)。在不同年代下，發(fā)動機材料承溫能力的發(fā)展歷程與趨勢如圖2 所示[3]。

圖1 熱障涂層體系示意圖Fig.1 Schematic illustration of TBC system

圖2 發(fā)動機材料承溫能力的發(fā)展歷程與趨勢Fig.2 Progression and projection of temperature capabilities of turbine engine materials

熱障涂層結(jié)構(gòu)

熱障涂層已發(fā)展出多種結(jié)構(gòu)模型，主要包括雙層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)等[4]。雙層結(jié)構(gòu)是工藝最簡單、同時也是最常用的結(jié)構(gòu)模型，它由一層金屬黏結(jié)層和一層陶瓷隔熱層組成，如圖3（a）所示[4]。金屬黏結(jié)層用于緩解陶瓷層與基體之間熱膨脹系數(shù)（Thermal expansion coefficient, TEC）不匹配的問題，同時提高合金基體的高溫抗氧化性能；陶瓷層則主要起隔熱、保護合金基體的作用。多層結(jié)構(gòu)熱障涂層在雙層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了封閉層和氧阻擋層。封閉層和阻擋層主要用于緩解高溫燃?xì)庵杏泻ξ镔|(zhì)如V2O5、SO3、SO2對涂層和基體的腐蝕作用；氧阻擋層采用很薄且致密的涂層來降低空氣中氧原子向涂層內(nèi)部的擴散[4]。為了緩解金屬層與陶瓷層間由于熱循環(huán)過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高熱障涂層的循環(huán)使用壽命，梯度涂層得以發(fā)展和應(yīng)用。梯度結(jié)構(gòu)涂層的特點在于其成分在一維或多維方向上連續(xù)變化，陶瓷層向金屬層的力學(xué)性能出現(xiàn)連續(xù)過渡，因而能緩解涂層的熱應(yīng)力。

圖3 雙層、多層和梯度熱障涂層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Scheme of double layered，multiple layered and gradient TBCs

熱障涂層材料

1 金屬黏結(jié)層

MCrAlY（M∶Ni, Co 或Ni+Co）是常用的金屬黏結(jié)層材料。高溫下MCrAlY 氧化后形成了一層致密的熱生長氧化層（成分主要為Al2O3），阻礙空氣中的氧原子向基體和黏結(jié)層內(nèi)持續(xù)擴散，對基體形成抗氧化保護作用[5-6]。MCrAlY 的成分顯著影響熱生長氧化層的生長速率及氧化層與黏結(jié)層間的結(jié)合性能，因此，MCrAlY 成分的設(shè)計與優(yōu)化對提高涂層使用壽命十分重要。MCrAlY中的Ni 元素具有優(yōu)越的高溫抗氧化性能；Co 具有優(yōu)良的抗腐蝕能力；Al在高溫下可以形成致密的Al2O3阻擋層，提高涂層的抗氧化性能；Cr 元素一方面可以促進Al2O3的生成，另一方面可以提高涂層的抗熱腐蝕性能；稀土元素Y 在涂層中可以釘扎氧化物，增強基體與氧化膜之間的結(jié)合力，提高涂層的熱循環(huán)使用壽命。然而，MCrAlY 體系的工作溫度一般低于1150℃，當(dāng)溫度高于1150℃時，MCrAlY 表面會迅速形成較厚的氧化膜，產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，導(dǎo)致涂層快速剝落失效[7]。

隨著渦輪發(fā)動機的推重比不斷提高，對熱障涂層耐溫性能的需求也相應(yīng)提高，新一代的熱障涂層黏結(jié)層需要在1150～1200℃下長時、穩(wěn)定使用。其中，NiAl 金屬間化合物具有熔點高（約1638℃），密度較低（約 5.9g/cm3），彈性模量較高（約240GPa）等優(yōu)點。根據(jù)文獻[8]報道，NiAl 可以在1200℃及以上形成致密的保護性氧化膜，是一種很有前景的熱障涂層黏結(jié)層材料。然而，NiAl 材料的脆性較大，且與氧化膜的結(jié)合力較差，這些缺陷制約了NiAl 在熱障涂層領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。文獻［9-12］研究表明，在MCrAlY 和NiAl 中摻雜微量活性元素改性后可以提高涂層的高溫抗氧化性能，如摻入Pt、Y和Nd 后傾向于占據(jù)NiAl 中Ni 的位置，而La、Ce、Hf 和Zr 摻入后則更傾向于占據(jù)Al 的位置，摻雜后均可有效提高涂層抗氧化性能，其中，Pt 的改性效果比較明顯，國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn)Pt 改性鋁化物涂層的應(yīng)用。

2 陶瓷隔熱層

陶瓷隔熱層是熱障涂層的“核心”，主要用于降低葉片高溫合金表面溫度，保護合金基體材料。一種陶瓷可以被選為熱障涂層材料，需要滿足以下條件[13-14]：高熔點（>2000K）；低熱導(dǎo)率（<2.5W/（m·K））；在室溫到使用溫度區(qū)間內(nèi)沒有相變發(fā)生；優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性；熱膨脹系數(shù)較大，可以與高溫合金基體相匹配（>10×10-6K-1）；結(jié)合強度高；抗燒結(jié)性能好。鑒于熱障涂層服役環(huán)境對陶瓷材料提出的嚴(yán)苛要求，到目前為止，可用于熱障涂層的陶瓷材料十分有限。其中，研究最多、應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯 (Yttria partially stabilized zirconia，YSZ)。然而，當(dāng)使用溫度高于1200℃時，YSZ 具有不穩(wěn)定性，隨著高溫?zé)嵫h(huán)次數(shù)的增加，YSZ 涂層發(fā)生老化作用，壽命降低[15-16]。近年來，為了提高陶瓷隔熱層的長時使用溫度，國內(nèi)外科研人員發(fā)現(xiàn)了多種潛在的陶瓷層材料，并進行了系列研究，部分陶瓷材料的熱物理性能如 表1 所示[17-22]。

熱障涂層制備技術(shù)

目前，熱障涂層具有多種制備方法，包括等離子噴涂（Plasma spraying，PS）、電子束物理氣相沉積（Electron-beam physical vapor deposition，EB-PVD）、低壓等離子噴涂（Low pressure plasma spraying，LPPS）、化學(xué)氣相沉積（Chemical vapor deposition，CVD）等。其中，PS 和EB-PVD 是技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最廣泛的熱障涂層制備技術(shù)。近十年來，一種兼具PS 和EB-PVD技術(shù)優(yōu)勢的等離子物理氣相沉積技術(shù)（Plasma spray-physical vapor deposition, PS-PVD）在國內(nèi)外迅速發(fā)展起來，已成為新一代高性能熱障涂層制備技術(shù)的發(fā)展方向之一。下文著重介紹PS、EB-PVD、PS-PVD典型熱障涂層制備技術(shù)的研究進展、工藝對比及發(fā)展趨勢。

1 等離子噴涂

等離子噴涂以等離子射流作為熱源，射流具有高溫、高速的特征。原料粉末受到射流加熱熔化后高速撞擊在基體表面后形成涂層，由于沉積物具有較高的飛行速度，因而涂層與基體之間的結(jié)合強度較高。等離子噴涂技術(shù)可細(xì)分為大氣等離子噴涂（Atmospheric plasma spray，APS）、低 壓等離子噴涂（LPPS）、溶液先驅(qū)體等離子噴涂（Solution precursor plasma spray，SPPS）等。

真空等離子噴涂（Vacuum plasma spraying，VPS）工藝靈活、成本低、沉積效率高，可用于制備熱障涂層中的金屬層與陶瓷層。涂層組織為原始粉末部分熔化產(chǎn)生的固體或液滴撞擊基體后形成的片層狀組織，如圖4所示[23]，涂層中的缺陷較多，其中包括裂紋、氣孔等。APS 涂層的孔隙率較高，一般會超過10%，這些封閉的微孔可以有效降低涂層的熱導(dǎo)率，提高涂層的隔熱性能。據(jù)文獻[24]報道，等離子噴涂YSZ 陶瓷層呈層狀結(jié)構(gòu)，由條帶狀或不規(guī)則的熔融粒子互相搭接并逐層堆積而成，該涂層在1100℃的環(huán)境中熱導(dǎo)率為0.99W/（m·K），隔熱溫度可達(dá)到155℃。然而，APS層狀結(jié)構(gòu)涂層的斷裂韌性較低，在高-低溫循環(huán)過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力無法得到有效緩解和釋放，因而其熱循環(huán)使用壽命較差[25]。目前，APS 工藝主要用于制備渦輪發(fā)動機靜葉片、燃燒室壁、尾噴管等部件表面的熱障涂層。

LPPS 和SPPS 是在APS 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。LPPS 與APS的主要區(qū)別是：LPPS 是在低壓惰性氣體（通常為Ar）的保護下進行噴涂，等離子束流的溫度更高，速度更快，因而涂層與基體的結(jié)合力更強，致密性更好，服役壽命相對更高[26]。SPPS 的工藝原理與APS 相似，具體區(qū)別在于，SPPS 中使用的噴涂材料不再是原料粉末，而是一種溶液先驅(qū)體。在噴涂過程中，溶液先驅(qū)體會經(jīng)過一系列的物理變化和化學(xué)反應(yīng)后到達(dá)基體表面。Padture 等[27]提出了SPPS 工藝制備熱障涂層的機理：溶液先驅(qū)體在噴涂時會在等離子束流中形成納米顆粒，隨后在等離子射流的加熱作用下發(fā)生燒結(jié)并沉積在基體表面形成涂層。采用SPPS 制備的熱障涂層的成本較低，具有較好的抗熱循環(huán)性能，更重要的是可以在一定程度上解決納米粉末難以噴涂的問題。采用SPPS 制備的陶瓷涂層一般具有以下特征： （1）涂層具有片層狀結(jié)構(gòu)，孔隙率較大； （2）涂層內(nèi)部具有明顯的垂直裂紋，裂紋甚至可以貫穿整個涂層； （3）涂層中沒有產(chǎn)生橫向裂紋； （4）涂層熱導(dǎo)率低； （5）熱循環(huán)壽命高，抗熱震性能較好； （6）可以通過熱處理工藝對涂層的組織結(jié)構(gòu)進行一定程度上的調(diào)控，從而獲得亞微米與納米組織。

表1 部分熱障涂層材料的熱物理性能Table 1 Thermal physical properties of part TBCs

2 電子束物理氣相沉積

由于等離子噴涂熱障涂層表面粗糙度大、孔隙率高，高溫循環(huán)性能較差，難以滿足渦輪發(fā)動機中轉(zhuǎn)子葉片對熱障涂層的性能需求。為了解決制備工藝及涂層結(jié)構(gòu)的問題，EBPVD 技術(shù)逐漸發(fā)展起來。EB-PVD以電子束為熱源，是一種結(jié)合電子束加熱與物理氣相沉積的鍍膜方式。EB-PVD 設(shè)備在工作時首先由電子槍產(chǎn)生高能電子束，通過磁場或電場聚焦在金屬或陶瓷靶材上，進而在靶材的表面形成高溫熔池，金屬或陶瓷材料會在熔池的上方發(fā)生氣化。基體材料被放置在靶材的上方，當(dāng)氣相原子擴散到達(dá)基體表面時發(fā)生沉積、形核并生長成連續(xù)涂層。文獻[28-29]研究發(fā)現(xiàn)，EB-PVD 制備的熱障涂層為柱狀晶結(jié)構(gòu)，柱狀晶垂直于基體表面，沿<100>方向生長。涂層在熱循環(huán)過程中，柱狀晶之間的間隙可以緩解涂層內(nèi)部的熱應(yīng)力，從而顯著提高熱障涂層的抗熱震性能和使用壽命[25]。

通過EB-PVD 技術(shù)制備的YSZ熱障涂層的截面形貌如圖5 所示[23]。研究表明，EB-PVD 與PS 相比具有以下優(yōu)勢[30-31]： （1）EB-PVD 涂層為柱狀晶結(jié)構(gòu)，具有更高的應(yīng)變?nèi)菹?，涂層熱循環(huán)壽命遠(yuǎn)高于PS 涂層； （2）涂層表面光滑、均勻性好，可獲得良好的氣動力學(xué)性能； （3）EBPVD 制備的TBCs 界面主要為化學(xué)結(jié)合，結(jié)合強度通常比PS 涂層的結(jié)合強度高1 倍以上； （4）涂層結(jié)構(gòu)可調(diào)控，即通過改變基體溫度、加熱電流、基體旋轉(zhuǎn)方向和速度等工藝參數(shù)，實現(xiàn)涂層結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。

3 等離子物理氣相沉積

PS-PVD 是在LPPS 技術(shù)上發(fā)展起來的一種比較有前景的熱障涂層制備技術(shù)。PS-PVD 將等離子噴槍、待噴涂工件及機械轉(zhuǎn)臺部件等統(tǒng)一放置在超低壓的密閉工作室內(nèi)，如圖6 所示[32]。PS-PVD 采用大功率等離子噴槍，允許使用的氣體流量可以達(dá)到200L/min，最大電流約為3000A，最高功率可達(dá)180kW。氣體進入噴槍后經(jīng)過電弧加熱離解形成電子和離子的平衡混合物，即等離子體。此時，等離子體在槍內(nèi)被高度壓縮，因而具有巨大的能量。由于真空室內(nèi)的氣壓極低，等離子體離開噴嘴時急劇膨脹并形成超音速等離子射流[33]。在超低壓環(huán)境下，射流中心一定范圍內(nèi)的溫度和速度相近，等離子射流是層流（雷諾系數(shù)大約為100），射流與真空罐中的環(huán)境相互作用較小，粒子間的碰撞對熱傳導(dǎo)的貢獻比較有限[34]。 此外，PS-PVD 功率、氣流量、噴涂距離等工藝參數(shù)顯著影響涂層微觀形貌結(jié)構(gòu)。據(jù)文獻[35]報道，噴涂功率隨著電流、等離子氣流量、氦氣氣體比例的增加而增大，涂層的沉積效率在一定范圍內(nèi)隨噴涂功率的提高而增大。對相應(yīng)工藝下涂層的組織結(jié)構(gòu)對照后發(fā)現(xiàn)，改變基體的旋轉(zhuǎn)速率會稍微影響涂層的沉積速率，但不會影響涂層中的相組成[36]。德國Julich 研究中心研究了PS-PVD 過程中不同結(jié)構(gòu)熱障涂層的沉積機理，文獻中指出PS-PVD 陶瓷涂層的沉積及生長過程主要受到3 種機制的控制，分別為陰影效應(yīng)，吸附、形核及長大效應(yīng)、高溫再結(jié)晶效應(yīng)。Mauer等[37]進而提出了PS-PVD 制備熱障涂層的組織結(jié)構(gòu)模型（Structure zone model，SZM），并用TiO2和YSZ 材料驗證了該理論模型。

圖4 APS過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of APS technology

圖5 EB-PVD過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of EB-PVD technology

4 工藝及涂層對比

PS-PVD、EB-PVD、APS 3 種工藝及采用上述工藝制備的YSZ 熱障涂層的微觀結(jié)構(gòu)與性能對比如表2 所示[32,38-39]。APS 和PS-PVD 工藝需要使用金屬、陶瓷等粉體，噴涂粉末可采用噴霧造粒等方法進行制備。APS 可使用的粉末粒徑較寬，通常低于100μm[40]；PS-PVD 對粉體粒徑、均勻性要求較高，以YSZ 粉末為例，為了提高粉末的流動性及受熱后熔化、氣化的能力，一般選用球形、中空的納米團聚粉末，粉末粒徑范圍為2～45μm[41]。EB-PVD 所 用的原材料為金屬、陶瓷等靶材，靶材形狀一般為圓柱形，靶材的成分和均勻性對涂層有較大影響，通過控制靶材的成分，可以精確調(diào)控涂層的成分和結(jié)構(gòu)，獲得如微量活性元素?fù)诫s、成分梯度等新型熱障涂層[9-10]。此外，APS 在大氣環(huán)境下進行噴涂，借助機械手、轉(zhuǎn)臺等輔助工具，可以在較大尺寸的樣件上制備涂層。EBPVD 和PS-PVD 需要在真空室中沉積涂層，因此，樣件尺寸顯著受到真空室尺寸的制約。烏克蘭巴頓焊接研究所EB-PVD 設(shè)備的真空室容積約1.6m3，可生產(chǎn)尺寸為250mm×150 mm 的葉片。蘇爾壽-美科公司的PS-PVD 設(shè)備真空室的容積約21m3（直徑約3m，長度約3m），可噴涂的樣件尺寸比EB-PVD 更大。由于EB-PVD 和PS-PVD 的設(shè)備組成較為復(fù)雜，工藝參數(shù)多樣，對原材料的要求較高，因此，這兩種工藝的操作流程復(fù)雜，設(shè)備、原料等成本相對更高。

VPS 或LPPS 的工作氣壓一般為2500～10000kPa，其等離子束流的長度約為50～500mm，束流直徑范圍為10～40mm。而在PS-PVD 中，工作氣壓更低（50～200kPa），導(dǎo)致等離子射流變長、加粗，長度能夠超過2m，射流直徑可以增加到200～400mm。圖7對比了APS、LPPS 及PS-PVD 3 種不同工藝過程中等離子射流的外觀形貌[34]，可以看出，隨著真空室內(nèi)氣壓降低，等離子射流被顯著拉長，射流直徑明顯增大，從而使射流橫截面處等離子體的濃度及溫度分布更加均勻。

圖6 PS-PVD過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of PS-PVD technology

表2 PS-PVD與EB-PVD、APS工藝制備的YSZ熱障涂層對比Table 2 Comparison of YSZ TBCs deposited by PS-PVD, EB-PVD and APS technologies

圖7 APS、VPS/LPPS和PS-PVD 3種工藝的等離子焰流Fig.7 Plasma plume of APS、VPS/LPPS and PS-PVD technologies

3 種典型結(jié)構(gòu)YSZ 涂層的表面及截面微觀形貌如圖8 所示[42]?？梢钥闯?，PS-PVD YSZ 涂層表面為“菜花狀”，微米突觸的直徑約為1～7μm，納米枝晶突起的尺寸約為50～100nm。APS YSZ 涂層為典型的層狀結(jié)構(gòu)，從涂層表面的高倍照片中可以看到Y(jié)SZ 液相和固相顆粒形成的組織及些許裂紋。從涂層截面上看，EB-PVD YSZ 與PS-PVD YSZ涂層均為柱狀結(jié)構(gòu)，柱狀晶之間存在間隙。然而，EB-PVD YSZ 涂層的表面是由純氣相YSZ 粒子形成的具有一定生長取向的尖端結(jié)構(gòu)，PS-PVD YSZ 涂層一般是由固-液-氣三相YSZ 共沉積形成的準(zhǔn)柱狀結(jié)構(gòu)。此外，通過調(diào)控工藝參數(shù)可以使EB-PVD 和PS-PVD 熱障涂層結(jié)構(gòu)由柱狀晶或準(zhǔn)柱狀晶變?yōu)榈容S晶，如文獻[43]中采用等離子激活EB-PVD 方法提高沉積粒子的能量，使涂層趨于致密，最終制備出等軸晶結(jié)構(gòu)涂層；文獻[28, 32]中通過調(diào)整PS-PVD 噴涂距離、送粉率等工藝參數(shù)，提高固相和液相沉積比例，使涂層呈現(xiàn)等軸晶結(jié)構(gòu)。

圖8 PS-PVD，APS及EB-PVD YSZ涂層的表面及截面形貌Fig.8 Surface and cross-section SEM images showing morphologies of as-deposited PS-PVD, APS and EB-PVD YSZ TBCs

圖9 （a）～（c）分別為PS-PVD YSZ 涂層截面的EBSD 圖像質(zhì)量圖、特征晶粒分析圖以及對應(yīng)的反極圖[44]。在圖9（a）中可以觀察到部分黑色區(qū)域，這些區(qū)域主要集中在晶界和涂層的孔隙處，因而沒有衍射花樣。同時，根據(jù)涂層內(nèi)晶粒及其反極圖可知，PS-PVD YSZ準(zhǔn)柱狀涂層是一種具有納米枝晶結(jié)構(gòu)的多晶體，且晶粒生長沒有特征取向。

圖10 為PS-PVD YSZ 涂層截面的取向差角度分布直方圖[44]，是對圖9（c）中的晶粒取向進行統(tǒng)計后得出的。在圖10 中可以明顯觀察到兩個峰值，對應(yīng)的取向差角度范圍分別為2°～5°、43°～ 46°，說明在這兩個取向差范圍內(nèi)的晶粒占比最高，分別約占總晶粒數(shù)目的9.5%和9.7%。經(jīng)計算，涂層中晶粒的平均取向差角度約為35.4°。圖11 是對圖9（b）中各晶粒的尺寸進行統(tǒng)計后得到的晶粒尺寸分布曲線[44]。由于涂層中晶粒的形狀是不規(guī)則的，因而在測量晶粒尺寸時假定晶粒截面為圓形。可以得到，涂層中的晶粒尺寸約為d10=0.8μm，d50=1.4μm，d90=3.6μm。平均晶粒直徑及晶粒面積 分 別 約 為1.2μm 和2.0μm2。直徑約為1.3μm 的晶粒所占的面積分?jǐn)?shù)最大，約為15%。由于EBSD 中測試分辨率的局限性，直徑小于0.6μm的晶粒并沒有被探測出來。與PSPVD YSZ 涂層相比，APS YSZ 涂層的晶粒尺寸約為1～2μm[45]；在EBPVD 制備的YSZ 陶瓷層中，涂層底部即靠近黏結(jié)層位置處的晶粒尺寸約為1～2μm，而隨后生長的柱狀晶的晶粒尺寸可達(dá)100～250μm[46]。因此，PS-PVD 制備的多相沉積涂層的晶粒尺寸介于APS 和EB-PVD 涂層之間。這說明氣相粒子的持續(xù)沉積可以在一定程度使晶粒長大，而固相顆粒和液滴的存在可能會阻礙晶粒持續(xù)生長。

圖9 PS-PVD YSZ涂層的截面EBSD分析Fig.9 Area EBSD scan of cross-section of PS-PVD YSZ coating

圖10 PS-PVD YSZ涂層的取向差角度分布直方圖Fig.10 Misorientation angle distribution histogram of PS-PVD YSZ coating

圖11 PS-PVD YSZ涂層的晶粒尺寸分布圖Fig.11 Grain size distribution diagram of PS-PVD YSZ coating

PS-PVD 的沉積速率低于APS，但明顯高于EB-PVD 工藝。然而，PS-PVD 涂層的均勻性及表面粗糙度均顯著優(yōu)于APS 涂層。試驗結(jié)果表明，采用PS-PVD 制備厚度為100μm的YSZ 涂層，沉積過程只需要5～10min。此外，由于PS-PVD 噴涂過程處于超低壓的環(huán)境中，有效地減少了噴涂粒子和基體的氧化，從而降低了氧的污染。PS-PVD YSZ 涂層為柱狀結(jié)構(gòu)，柱狀晶之間存在垂直間隙，具有媲美EB-PVD 涂層的熱循環(huán)壽命。在PS-PVD YSZ 準(zhǔn)柱狀晶內(nèi)部存在一些封閉微孔，如圖9（b）所示，這些微孔可以有效降低涂層的熱導(dǎo)率，隔熱效果介于APS 和EBPVD 涂層之間，與APS 涂層相近。

PS-PVD 的射流具有良好的繞鍍性，可以實現(xiàn)非視線沉積，即射流可以繞到復(fù)雜構(gòu)件的陰影或遮蔽處沉積涂層。國外已驗證了在復(fù)雜雙聯(lián)體葉片上均勻制備YSZ 涂層的可行性，如圖12 所示[33]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在葉片遮蔽區(qū)域的涂層厚度比較均勻，且具有明顯的柱狀結(jié)構(gòu)。

圖12 PS-PVD沉積YSZ熱障涂層后雙聯(lián)葉片宏觀照片及葉片陰影區(qū)域表面涂層微觀結(jié)構(gòu)Fig.12 Double vane with YSZ TBC deposited by PS-PVD and microstructures of YSZ TBC at shadowed areas

結(jié)論與展望

近年來，國內(nèi)PS-PVD 熱障涂層制備技術(shù)取得較大進展，涂層沉積機理及微觀結(jié)構(gòu)表征逐漸完善，涂層性能顯著提升。然而，涂層隔熱、耐溫等性能依然不能滿足高性能航空發(fā)動機的需求。因此，熱障涂層的發(fā)展趨勢如下：

（1）持續(xù)研究新一代熱障涂層材料，包括耐1200℃以上的金屬黏結(jié)層和耐1400℃以上、抗CMAS 腐蝕的陶瓷層材料。

（2）針對新一代熱障涂層材料，通過改良PS-PVD 等制備工藝，獲得熱導(dǎo)率低、高溫相穩(wěn)定性、抗燒結(jié)、熱震性能好的熱障涂層，同時拓寬PS-PVD 等工藝窗口，提高工藝穩(wěn)定性，降低成本。

（3）建立科學(xué)的熱障涂層性能評價體系，建設(shè)模擬真實服役環(huán)境下的熱障涂層試驗平臺，完善熱障涂層性能評價方法及標(biāo)準(zhǔn)，建立熱障涂層的壽命預(yù)測模型。