電泳沉積制備新型熱障涂層粘結(jié)層及失效機(jī)理研究項(xiàng)目摘要

熱障涂層是現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵材料，它能大幅提高發(fā)動機(jī)工作效率并延長組件使用壽命。粘結(jié)層作為熱障涂層體系的核心，直接控制熱障涂層的失效方式及壽命。傳統(tǒng)粘結(jié)層的制備一般通過熱噴涂、氣相沉積和滲鋁擴(kuò)散，不但難于控制成分和微觀結(jié)構(gòu)，而且在處理過程中容易引入基體的影響，因此無法將影響熱障涂層失效的各種因素分離出來。本項(xiàng)目旨在開發(fā)一種新型粘結(jié)層制備技術(shù)。利用電泳沉積結(jié)合真空燒結(jié)，制備結(jié)構(gòu)、成分及力學(xué)性能可控的粘結(jié)層。通過比較包含基體和不含基體的粘結(jié)層，揭示基體的影響。同時(shí)利用氧化物彌散強(qiáng)化，來抑制雜質(zhì)硫偏析，增加界面結(jié)合強(qiáng)度，并改善界面形貌，減少裂紋產(chǎn)生。此外，通過系統(tǒng)研究粘結(jié)層成分結(jié)構(gòu)對氧化層-粘結(jié)層系統(tǒng)的力學(xué)性能、殘余應(yīng)力、及界面結(jié)合強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的粘結(jié)層。本研究基于申請人過去在此領(lǐng)域長期工作經(jīng)驗(yàn)，將新型制備技術(shù)與系統(tǒng)表征相結(jié)合，加深對熱障涂層失效機(jī)理的理解。

粘結(jié)層作為熱障涂層體系的核心，是控制熱障涂層失效的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的粘結(jié)層的制備方法如熱噴涂、氣相沉積、滲鋁擴(kuò)散，不僅難于控制成分和微觀結(jié)構(gòu)，而且制備過程中容易受到基體的影響。課題組通過結(jié)合電泳沉積和真空結(jié)兩種方法的優(yōu)勢，制備了結(jié)構(gòu)成分以及性能可控的粘結(jié)層，系統(tǒng)研究了不同基體、粘結(jié)層中活性元素及其氧化物對粘結(jié)層的高溫性能的影響，揭示了影響粘結(jié)層失效的因素，加深了對熱障涂層時(shí)效機(jī)理的理解。依托本項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助，已在Scripta Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Corros. Sci.等國際知名期刊發(fā)表文章9篇，待發(fā)表文章3篇。

1，等離子噴涂法

2，電子束物理氣相沉積法

3，超音速火焰噴涂

4，靜電噴涂輔助氣相沉積

5，激光熔覆法

熱障涂層的主要制備技術(shù)包括:如磁控濺射、離子鍍、電弧蒸鍍、等離子噴涂技術(shù)（大氣等離子、低壓等離子噴涂技術(shù)）、電子束物理氣相沉積（EB-PVD ） 。其中，應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬等離子噴涂技術(shù)以及電子束物理氣相沉積。

（1）大氣等離子噴涂

大氣等離子噴涂技術(shù)是最早應(yīng)用于熱障涂層制備的技術(shù)。它是以氫氣、氮?dú)?、氫氣等作為工作氣體，經(jīng)過電離產(chǎn)生等離子高溫射流，隨后粉末由送粉氣體經(jīng)過送粉管送入射流之中，進(jìn)入射流中的粒子迅速被加熱到熔化或熔融狀態(tài)，最后以單個粒子為單位沉積到基體的表面形成層狀堆積涂層的方法。

大氣等離子噴涂技術(shù)制備的涂層比較疏松，有很多空穴和微裂紋，其孔隙率也較高。研究表明，疏松結(jié)構(gòu)的熱障涂層比致密結(jié)構(gòu)的熱障涂層在抗熱沖擊性能和隔熱性能方面表現(xiàn)更好。從實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用來看，大氣等離子噴涂技術(shù)由于成本低、涂層制備方便、工藝成熟且沉積效率高等特點(diǎn)，在熱障涂層的制備技術(shù)中一直有著明顯的優(yōu)勢和良好的效果。

（2）低壓等離子噴涂

低壓等離子噴涂技術(shù)是上個七十世紀(jì)年代左右發(fā)展起來的一種新型的涂層制備技術(shù)。這種噴涂技術(shù)能夠降低涂層中氧化物含量，同時(shí)獲得的涂層組織形態(tài)也發(fā)生了新突破，即形成不同于傳統(tǒng)層片狀涂層結(jié)構(gòu)的等軸晶涂層。由于低壓等離子噴涂技術(shù)成本高，操作復(fù)雜，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中占比較少。

（3）電子束物理氣相沉積

電子束物理氣相沉積（EB-PVD）技術(shù)主要是電子束技術(shù)和物理氣相技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。EB-PVD涂層制備的主要原理是:真空狀態(tài)下，從電子槍發(fā)射高能量密度電子束，當(dāng)電子束轟擊在YSZ原料上時(shí)，YSZ原料會瞬間氣化蒸發(fā)，隨后原料蒸氣在偏轉(zhuǎn)磁場的作用下以原子或者分子的形式沉積到基體上，最終形成柱狀組織結(jié)構(gòu)的YSZ涂層。

EB-PVD制備出的柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層雖然有利于提高涂層的抗熱沖擊性能，但由于柱狀晶生長方向的組織過于致密，涂層的熱導(dǎo)率會高于大氣等離子噴涂制備的層片狀結(jié)構(gòu)的涂層。而且最主要的是EB-PVD技術(shù)對設(shè)備的要求高，價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，沉積效率低，技術(shù)難度大，工業(yè)應(yīng)用受到了較大的限制。

層級熱障涂層是解決重型燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件超高溫?zé)嵴系闹匾侄?，陶瓷層級間的弱界面會對涂層系統(tǒng)的失效機(jī)理產(chǎn)生顯著影響。因此，研究涂層中弱界面裂紋間的競爭機(jī)理對分析涂層系統(tǒng)失效至關(guān)重要。本項(xiàng)目以新型耐高溫材料涂覆于傳統(tǒng)陶瓷涂層上形成的雙陶瓷層熱障涂層為對象，發(fā)展處理異質(zhì)材料界面多裂紋任意路徑擴(kuò)展數(shù)值算法，結(jié)合原位觀測斷裂實(shí)驗(yàn)，研究層級熱障涂層中弱界面裂紋的萌生及擴(kuò)展行為，考察層級組元的幾何、材料、界面形貌等特征對弱界面裂紋擴(kuò)展路徑的影響機(jī)制，分析不同弱界面處裂紋裂尖驅(qū)動力的演變規(guī)律，揭示弱界面裂紋間的競爭機(jī)理，初步建立層級熱障涂層失效準(zhǔn)則。本項(xiàng)目的研究可為新型熱障涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評價(jià)提供理論基礎(chǔ)。

熱障涂層系統(tǒng)要求涂層既有良好的隔熱效果，又有抗高溫氧化及熱沖擊性能。針對在腐蝕介質(zhì)中的特殊要求，還要具有高溫耐蝕性能。熱障涂層的基本設(shè)計(jì)思想就是利用陶瓷的高耐熱性、抗腐蝕性和低導(dǎo)熱性，實(shí)現(xiàn)對基體合金材料的保護(hù)。熱障涂層主要由陶瓷表層和結(jié)合底層所組成。

熱障涂層不僅可以達(dá)到提高抗腐蝕能力，進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)工作溫度，而且可以減少燃油消耗(據(jù)估計(jì)近20%)、延長熱端部件的使用壽命；與開發(fā)新的高溫合金材料比較，熱障涂層技術(shù)的研究發(fā)展成本要低得多，工藝也現(xiàn)實(shí)可行。因此，熱障涂層技術(shù)成為未來發(fā)動機(jī)熱端部件高溫防護(hù)涂層技術(shù)的發(fā)展方向。另外，熱障涂層在輪船、汽車、能源等領(lǐng)域的熱端部件上也有著廣泛的應(yīng)用與研究。 2100433B