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热障涂层陶瓷喷涂层是如何成形的？
在乘风航空往期的公众号小作文中已经介绍了航空发动机中“涂层种类”，也用多篇小作文介绍了现阶段发动机中工作环境最严苛的涂层——热障涂层的“使用必要性”、“隔热效果”、“耐温能力”和“选材唯一性”。这次我们就从“制备工艺”的角度和大家一起探讨下工程师们是如何将6-8YSZ这天选之材应用到航空发动机中的。
从上个世纪中叶开始至今，热障涂层陶瓷喷涂层的制备技术已得到了较为长足的发展，也陆续出现了多种不同方式的陶瓷喷涂层制备工艺。根据制备原理和应用条件的不同，热障涂层的制备方法在工业领域主要分为以下两种：大气等离子喷涂法(APS)和电子束物理气相沉积法(EB-PVD)。
涂层材料和涂层制备方法总是同步发展的，早在6-8YSZ被优选出来之前，现阶段常用的热障涂层加工工艺便已有了发展与应用。APS中等离子体的概念最早可追溯到19世纪后期用以描述电离气体的“物质第四态”。随着等离子物理学和动力理论的逐步建立，到了上世纪中叶一些发达国家的军工科研机构便开始了对APS的研究，也随即在热障涂层领域获得了比较好的应用效果。
APS技术是在火焰喷涂的基础上发展起来的，其工艺温度高(弧心温度1-3万°C)能适用于绝大部分材料的喷涂；涂层致密性好，结合强度高；工艺过程不易氧化,在喷涂金属和陶瓷材料方面都有很强的优势。
其工作原理是通过在正电阳极和负电阴极之间所产生的强电弧将流动气体电离为等离子态，该等离子用以加热被高压气体压入的粉末颗粒，随即被加热到熔融或高塑性状态的颗粒被喷涂到目标基板表面，而被喷射到基板上的熔融粒子快速冷却凝固从而形成结构紧密的带有特定微观结构的热喷涂涂层。
APS工艺方法所制备的热障涂层具有较多的细微孔洞和微小裂纹，同时其涂层表面相对较为粗糙。涂层呈片层状堆砌，孔隙率相对较高(8%-20%之间)，与基底的结合强度优异(40-70MPa)，且厚度易于精准调控，在隔热效果方面可满足目前使用要求。
在APS制备方法中，通过控制单次喷涂厚度、基体温度或基体表面粗糙度等制备参数可获得具备垂直裂纹的APS涂层(DVC)，该类涂层以垂直裂纹形式释放加工和使用应力可提高涂层使用寿命。此外，悬浮液等离子喷涂SPS也可制备出带垂直裂纹的涂层。
正是制备工艺带来的高孔隙层状结构让APS涂层具备了热导率低的特点，使得该工艺方法制备的涂层广泛应用在地面燃气轮机的涡轮叶片以及涡轮发动机的燃烧室内壁和静止导向叶片上。目前APS技术工艺和制备设备历经数十年的发展已经十分成熟，该工艺方法在涂层制造业中也已经形成相当的规模。
APS制备的涂层其结合机理一般认为有两种或三种：首先是机械结合，熔融颗粒碰撞成扁平状且随表面有一定的起伏，并同凹凸不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合；另一种是冶金结合，这是当涂层和基体表面出现扩散和合金化时的一种结合方式，包括在结合面上生成的金属间化合物或固溶化。
此外，该涂层和基底之间结合、侵润充分，且距离接近到足以产生范德化力。以上结合中APS涂层是以机械结合为主。而热障涂层陶瓷喷涂层常用的另一种工艺EB-PVD所制备的涂层与基底之间的结合主要为冶金结合，其结合强度比APS涂层更强。
EB-PVD技术是一种工艺条件和设备更为复杂的涂层制备技术，它是电子束技术和物理气相沉积方法的应用结合。其工作原理主要是在真空腔体中利用高能量密度电子束轰击块状原料(靶材)，靶材表面急剧受热形成高温熔池并向外蒸发，随后蒸气云在目标基板表面冷凝沉积并形成涂层。
值得注意的是，在EB-PVD工艺中涂层成形是以分子团、分子甚至是原子或是离子为单位的。涂层成形过程中也不可避免会的受到“阴影效应”的作用，影响涂层表面的粗糙度和厚度均匀性。
EB-PVD方法应用于制备热障涂层、耐磨涂层、抗腐蚀涂层等功能性涂层，在先进制造领域特别是涂层防护技术领域体现出了较高的技术优越性：
1) EB-PVD几乎可以蒸发所有物质，能用于多层材料的涂层制备。
2) 得益于电子束的精准控制，涂层的厚度可控性强。
3) 涂层和基板为冶金结合，涂层不易剥落。
4) 真空环境下制备有效避免了涂层污染。
5) 可获得柱状结构的涂层，其抗应变容限高。
EB-PVD所制备的热障涂层横截面微观结构与APS工艺涂层的微观结构截然不同。EB-PVD方法制备的这种柱状晶型的微观结构使涂层具有良好的应变容限以及优异的抗热震性能和使用寿命，在多次反复高温-低温的服役环境下也不容易开裂或剥落，能满足工件在急剧变化的温度环境下的使用需求。在更为严苛的使用环境下EB-PVD涂层有着APS涂层无可比拟的优势。而APS具备技术操作灵活、工艺成本低、涂层热导率低的特点，常用在对几何形状复杂的叶片表面进行涂层喷涂。
总之，APS和EB-PVD涂层各有优势，也各自在航空发动机热障涂层的制备领域占有一席之地。
本文来源：热障涂层陶瓷喷涂层是如何成形的？