电泳沉积制备新型热障涂层粘结层及失效机理研究

粘结层作为热障涂层体系的核心，是控制热障涂层失效的关键因素。传统的粘结层的制备方法如热喷涂、气相沉积、渗铝扩散，不仅难于控制成分和微观结构，而且制备过程中容易受到基体的影响。课题组通过结合电泳沉积和真空结两种方法的优势，制备了结构成分以及性能可控的粘结层，系统研究了不同基体、粘结层中活性元素及其氧化物对粘结层的高温性能的影响，揭示了影响粘结层失效的因素，加深了对热障涂层时效机理的理解。依托本项目经费资助，已在Scripta Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Corros. Sci.等国际知名期刊发表文章9篇，待发表文章3篇。

热障涂层是现代高性能航空发动机、工业燃气轮机的关键材料，它能大幅提高发动机工作效率并延长组件使用寿命。粘结层作为热障涂层体系的核心，直接控制热障涂层的失效方式及寿命。传统粘结层的制备一般通过热喷涂、气相沉积和渗铝扩散，不但难于控制成分和微观结构，而且在处理过程中容易引入基体的影响，因此无法将影响热障涂层失效的各种因素分离出来。本项目旨在开发一种新型粘结层制备技术。利用电泳沉积结合真空烧结，制备结构、成分及力学性能可控的粘结层。通过比较包含基体和不含基体的粘结层，揭示基体的影响。同时利用氧化物弥散强化，来抑制杂质硫偏析，增加界面结合强度，并改善界面形貌，减少裂纹产生。此外，通过系统研究粘结层成分结构对氧化层-粘结层系统的力学性能、残余应力、及界面结合强度的影响，设计出性能优异的粘结层。本研究基于申请人过去在此领域长期工作经验，将新型制备技术与系统表征相结合，加深对热障涂层失效机理的理解。

1，等离子喷涂法

2，电子束物理气相沉积法

3，超音速火焰喷涂

4，静电喷涂辅助气相沉积

5，激光熔覆法

热障涂层的主要制备技术包括:如磁控溅射、离子镀、电弧蒸镀、等离子喷涂技术（大气等离子、低压等离子喷涂技术）、电子束物理气相沉积（EB-PVD ） 。其中，应用最为广泛的当属等离子喷涂技术以及电子束物理气相沉积。

（1）大气等离子喷涂

大气等离子喷涂技术是最早应用于热障涂层制备的技术。它是以氢气、氮气、氢气等作为工作气体，经过电离产生等离子高温射流，随后粉末由送粉气体经过送粉管送入射流之中，进入射流中的粒子迅速被加热到熔化或熔融状态，最后以单个粒子为单位沉积到基体的表面形成层状堆积涂层的方法。

大气等离子喷涂技术制备的涂层比较疏松，有很多空穴和微裂纹，其孔隙率也较高。研究表明，疏松结构的热障涂层比致密结构的热障涂层在抗热冲击性能和隔热性能方面表现更好。从实际生产应用来看，大气等离子喷涂技术由于成本低、涂层制备方便、工艺成熟且沉积效率高等特点，在热障涂层的制备技术中一直有着明显的优势和良好的效果。

（2）低压等离子喷涂

低压等离子喷涂技术是上个七十世纪年代左右发展起来的一种新型的涂层制备技术。这种喷涂技术能够降低涂层中氧化物含量，同时获得的涂层组织形态也发生了新突破，即形成不同于传统层片状涂层结构的等轴晶涂层。由于低压等离子喷涂技术成本高，操作复杂，在实际的生产应用中占比较少。

（3）电子束物理气相沉积

电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术主要是电子束技术和物理气相技术相互结合的产物。EB-PVD涂层制备的主要原理是:真空状态下，从电子枪发射高能量密度电子束，当电子束轰击在YSZ原料上时，YSZ原料会瞬间气化蒸发，随后原料蒸气在偏转磁场的作用下以原子或者分子的形式沉积到基体上，最终形成柱状组织结构的YSZ涂层。

EB-PVD制备出的柱状晶结构涂层虽然有利于提高涂层的抗热冲击性能，但由于柱状晶生长方向的组织过于致密，涂层的热导率会高于大气等离子喷涂制备的层片状结构的涂层。而且最主要的是EB-PVD技术对设备的要求高，价格昂贵，操作复杂，沉积效率低，技术难度大，工业应用受到了较大的限制。

层级热障涂层是解决重型燃气轮机高温部件超高温热障的重要手段，陶瓷层级间的弱界面会对涂层系统的失效机理产生显著影响。因此，研究涂层中弱界面裂纹间的竞争机理对分析涂层系统失效至关重要。本项目以新型耐高温材料涂覆于传统陶瓷涂层上形成的双陶瓷层热障涂层为对象，发展处理异质材料界面多裂纹任意路径扩展数值算法，结合原位观测断裂实验，研究层级热障涂层中弱界面裂纹的萌生及扩展行为，考察层级组元的几何、材料、界面形貌等特征对弱界面裂纹扩展路径的影响机制，分析不同弱界面处裂纹裂尖驱动力的演变规律，揭示弱界面裂纹间的竞争机理，初步建立层级热障涂层失效准则。本项目的研究可为新型热障涂层结构设计和强度评价提供理论基础。

热障涂层系统要求涂层既有良好的隔热效果，又有抗高温氧化及热冲击性能。针对在腐蚀介质中的特殊要求，还要具有高温耐蚀性能。热障涂层的基本设计思想就是利用陶瓷的高耐热性、抗腐蚀性和低导热性，实现对基体合金材料的保护。热障涂层主要由陶瓷表层和结合底层所组成。

热障涂层不仅可以达到提高抗腐蚀能力，进一步提高发动机工作温度，而且可以减少燃油消耗(据估计近20%)、延长热端部件的使用寿命；与开发新的高温合金材料比较，热障涂层技术的研究发展成本要低得多，工艺也现实可行。因此，热障涂层技术成为未来发动机热端部件高温防护涂层技术的发展方向。另外，热障涂层在轮船、汽车、能源等领域的热端部件上也有着广泛的应用与研究。 2100433B