PS-PVD工艺中非视线沉积对涂层微结构的影响.pdf

第 15 卷 第 2 期 热 喷 涂 技 术 Vol.15,No.22023 年 6 月 Thermal Spray Technology Jun.,2023PS-PVD 工艺中非视线沉积对涂层微结构的影响李新慧1,2，何箐1,2*，邹晗1,2，由晓明1,2，赵乾1,2(1.中国农业机械化科学研究院 表面工程技术研究所 北京 100083；2.北京金轮坤天特种机械有限公司 北京 100083)摘要：等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)工艺由于具有非视线沉积效果，在加工复杂型面和多联体导向叶片表面热障涂层具有高均匀性的优势而被广泛关注。为了进一步研究 PS-PVD 高能、高速射流的非视线沉积效果，验证固定直径圆柱挡杆(22 mm)不同距离遮蔽对平面沉积样品沉积行为的影响。结果表明：无遮蔽条件下，基体表面涂层厚度分布呈中部厚而四周薄，呈现高斯峰分布特征，涂层最大厚度为 135 m；有遮挡条件下，涂层厚度呈现双峰的结构特征，在 15 mm 的遮挡距离时，遮挡区域基体沉积的涂层最薄，其他遮挡距离下，涂层厚度在 040 m 之间变化。对遮蔽区域位置涂层显微形貌进行分析，发现不同位置的遮蔽区域正后方，气相的速率和浓度明显降低，导致柱状结构生长时形成气相沉积为主的结构，同时扩散速率较低导致气相生长较慢；在遮蔽区域的边缘，由于遮蔽效应，涂层中的冷凝颗粒明显增多；遮蔽区域涂层厚度明显降低，且挡杆距基体距离越远，遮蔽区域的厚度分布越不规则，受射流的扰动影响越大。关键词：等离子喷涂-物理气相沉积；非视线沉积；遮蔽效应；显微结构中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1674-7127(2023)02-0005-08 DOI 10.3969/j.issn.1674-7127.2023.02-005Effect of non-line-of-sight depositionon coating microstructure in PS-PVD processLi Xinhui1,2,He Qing1,2*,Zou Han1,2,You Xiaoming1,2,Zhao Qian1,2(1.Surface Engineering Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences,Beijing 100083,China;2.Beijing JinLunKunTian Special Machine Co.,Ltd.,Beijing 100083,China)Abstract:Plasma spray-physical vapor deposition(PS-PVD)process has attracted wide attention due to its non-line-of-sight(NLOS)deposition effect,which has the advantage of high uniformity of thermal barrier coatings on the surface of complex processing and multiple vanes.In order to further studying the NLOS deposition effect of high energy and high speed of PS-PVD jets,different deposition distances were used to verify the influence rule of fixed diameter cylindrical shield(22 mm)on deposition behavior of planar deposition samples.The results show that as the thickness distribution of the coating on the surface of the substrate is thick in the middle and thin in the periphery in the absence of shielding,showing the characteristics of Gaussian peak distribution,and the maximum thickness of the coating is 135 m.The coating thickness presents a bimodal structure under the condition of shielding,the thickness of the coating in the shadowing area is the thinest when the deposition distance was 15 mm,and at other deposition distances,the coating thickness varies between 0 and 40 m.The microstructure of shadowing area was analyzed,it is found that the velocity and concentration of the gas phase decrease obviously 第一作者：李新慧(1990-)，男，硕士，工程师，。通讯作者：何箐(1983-)，。第 2 期 35 behind the shadowing area,which leads to the formation of vapor deposition when the columnar structure grows.Meanwhile,the lower diffusion rate leads to the slower growth of gas phase.At the edge of the shadowing area,the condensation particles in the coating increase obviously due to the shadowing effect.From the coating thickness distribution in the shadowing area,the longer distance between the cylindrical shield and the substrate,the more irregular the thickness distribution in the shadowing area and the greater the influence of jet disturbance.Keywords:PS-PVD;non-line-of-sight deposition;capture-effect;microstructure0 引言热障涂层(Thermal barrier coatings，TBCs)是航空发动机热端部件不可或缺的关键技术之一，自上世纪 8090 年代，大气等离子喷涂(APS)和电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术批量应用以来，TBCs 不断朝着高效能方向发展，包括超高温低热导涂层材料、长寿命涂层结构、高效制备技术等1-3。等离子物理气相沉积(PS-PVD)技术由于兼具 APS 和 EB-PVD 喷涂/沉积隔热涂层结构及性能特征，可以以气-固-液三相复合沉积制备长寿命、低热导的层状和柱状混合结构的准柱状结构涂层，同时具有高效率、适中成本及非视线沉积(non-line-of-sight，NLOS)特点，从而被广泛关注4-7。PS-PVD 这一复合沉积技术，依靠粉末稳定输送并快速将团聚粉体溃散、熔融、蒸发，以实现复合沉积效果，在不同的工艺条件下可以实现类似 APS 液相为主沉积、类似 EB-PVD 的气相沉积和复合沉积8-10。由于 PS-PVD 射流具有高能、高速、大面积等特点，其高速特性可以形成绕镀效果，即非视线沉积，这更有利于多联体导向叶片表面涂层的制备，以提高喉道等遮蔽区域涂层均匀性和质量11；Mao 等12研究了 PS-PVD 在双联体导向叶片上制备 YSZ 涂层，证明了与 EB-PVD 和 APS 相比，PS-PVD 可以制备相对更均匀的涂层，这是由于 PS-PVD 具有高速高能射流特性，其克服了传统 EB-PVD 蒸发沉积缺点，可以实现与等离子体射流平行的基体表面涂层高质量制备13-15。由于 PS-PVD 技术的上述优点，其在导向叶片表面涂层制备的应用备受关注。基于多联体导向叶片形状结构复杂，其叶身存在较大的曲率变化，且不同多联体导向叶片其叶片间喉道间隙距离不同，导致其相互遮蔽效果不同，针对 PS-PVD 技术的非视线沉积在遮蔽严重的叶片表面制备机制未被完全揭示，本文系统模拟研究了多联体导向叶片自身前缘曲面区域的遮蔽和非视线沉积效应，通过一定尺寸的圆柱体模拟遮蔽物，调整圆柱体与基体之间的距离，模拟不同多联体叶片喉道间隙距离，对距离圆柱体不同位置的基体表面沉积涂层的微观结构及沉积效率的影响规律进行研究。1 试验准备1.1 实验材料涂 层 材 料 为 8YSZ(8wt.%Y2O3-ZrO2)，PS-PVD 沉积用喷雾干燥团聚粉体材料，粉体牌号为JL-11NP(北京金轮坤天特种机械有限公司)，粉体标称粒度范围为 1 m 20 m(D10：3.19 m，D50：6.35 m，D90：11.76 m)，粉体松装密度为 1.10 g/cm3，振实密度为 1.89 g/cm3。粉体的形貌如图 1 所示，由少量粗的不规则致密颗粒和松散团聚多孔球形颗粒组成。PS-PVD 工艺中非视线沉积对涂层微结构的影响1.2 实验方法采用尺寸为 200 mm200 mm20 mm 的不锈钢板为基体，基体沉积涂层前进行湿喷砂-清洗处理，PS-PVD 沉积 8YSZ 涂层前，将基体预热，预热后直接采用 PS-PVD 工艺沉积涂层，涂层沉积参数如表1所示，涂层沉积温度为700 850。沉积示意图如图 2(a)所示，喷枪沿 X=0 的 Y 轴上下摆动 Dy 为 60 mm，喷枪摆动速率为 Vy 为 100 mm/s，在垂直钢板方向进行喷涂沉积。采用直径为22 mm 的不锈钢挡杆作为遮蔽物，挡杆距基体的距离分别为无挡杆、10 mm、15 mm、20 mm和 30 mm，样品编号为 90-none、90-10 mm、90-15 mm、90-20 mm、90-30 mm。图 3 为带遮 36 热 喷 涂 技 术 15 卷表 1 涂层的沉积参数Table1 Deposition parameters of the coating 图 1 粉体的表面形貌及截面形貌：(a)表面；(b)截面Fig.1 Surface and cross-section micrograph of the as-received powder:(a)surface;(b)cross-section工艺参数数值喷涂电流/A2 000氩气流量/SLPM30氦气流量/SLPM60沉积时间/min3真空罐压力/Pa200喷涂距离/mm1 20020 m(b)图 2 PS-PVD 喷涂示意图及取样分析示意图：(a)喷涂示意图；(b)取样分析示意图Fig.2 Schematic diagram of PS-PVD spraying and sample analysis area:(a)spraying;(b)sample analysis area蔽挡杆喷涂沉积后带涂层基体样品的典型外观，挡杆下方存在明显的阴影区域，这是由于该区域射流遮蔽后方气相浓度和速度降低，氧扩散不充分，导致该区域涂层缺氧而出现的局部颜色差异，样品下方无涂层区域为基体工装夹持区域。采用扫描电子显微镜(Phenom ProX，美国FEI)对如图 2(b)所示 1、2、3 位置的截面形貌进行观察，其中位置 1 为样品喷涂沉积的中心区域；采用涡流式测厚仪(DUALSCOPE FMP40，德国(a)(b)shadow areaXY0dtorch30 mm32150 mmSpraying distance:1200 mmDy:30 mmVy:100 mm/sd:10 mm、15 mm、20 mm、30 mm(a)10 m第 2 期 37 Fischer)测试钢板样品整体 10 mm10 mm 网格化划分区域内涂层的平均厚度。图 3 带遮蔽挡杆喷涂沉积后典型外观Fig.3 Typical appearance diagram after spraying deposition with cylindrical shield图 4 有无遮蔽挡杆喷涂沉积后典型厚度分布图：(a)90-none；(b)90-10 mmFig.4 Thickness distribution of coating with and without cylindrical shield:(a)90-none;(b)90-10 mm2 结果与讨论2.1 不同遮蔽距离对涂层厚度分布的影响采用涡流式测厚仪测试的 10 mm10 mm 网格内的平均厚度数据，绘制了无遮蔽(90-none)和 10 mm 距离遮蔽(90-10 mm)的厚度分布二维及三维彩云图，如图 4 所示，由于等离子射流能量密度和粉体在射流中的分布，在周向的不同角度处通常呈现高斯峰分布特征，无遮蔽条件下，基体表面沉积的涂层厚度分布呈现中部约直径20 mm的最大厚度区域，其四周厚度依次减薄，任意界面上涂层厚度分布可以拟合形成高斯峰特征，体现了能量密度高的区域涂层沉积厚度大的特性。在基体前方与等离子喷枪之间增加挡杆遮蔽后，随着挡杆与基体之间的距离逐步增大时，所有沉积涂层样品的厚度分布均类似图 4(b)所示，被遮蔽区域在一定宽度范围内涂层厚度较薄，呈现出双峰的结构特征。分析了 X=0 处沿 Y 轴方向的涂层厚度分布特性，结果如图 5 所示。15 mm 的遮挡距离时，遮挡区域基体沉积的涂层最薄，这是由于在该工艺条件下遮蔽物后方基板处的气相含量最低导致的，其他遮挡距离下，涂层厚度在 0 m 40 m 之间变化。无遮挡时，涂层厚度在 20 m 135 m 之间变化，在 Y 轴方向约-40 mm+40 mm 区间内涂层厚度大于 80 m。说明通过直径为22 mm 的挡杆模拟遮蔽物，会导致遮蔽物后方等离子流场中气相质量占比降低、气相速度下降等影响，这将最终导致遮蔽物后方基体涂层沉积厚度相对较薄。(a)(b)PS-PVD 工艺中非视线沉积对涂层微结构的影响 38 热 喷 涂 技 术 15 卷2.2 不同遮蔽距离对涂层微结构的影响对不同样品基体中心位置(如图 2(b)所示位置 1)的涂层微观结构进行分析，如图 6 不同样品位置1截面形貌图所示，该位置在无遮蔽条件下，涂层为明显的准柱状结构(图 6(a)，等离子喷枪一定的摆动间距和 1200 mm 的喷涂距离，导致了射流边缘以及气相冷凝在局部柱状晶间存在冷凝纳米颗粒，部分位置在柱状晶中存在冷凝颗粒，中断了气相连续生长，同时柱状晶中存在着明显的枝晶结构16-17，如图 6(f)所示。通过圆柱挡杆图 5 挡杆遮蔽区域涂层厚度变化Fig.5 Thickness of coating under cylindrical shield areaY distance/cmThickness/m140120100806040200-6-4-20246810表 2 位置 1 沉积涂层特性Table2 Coating characteristics deposited in position 1 挡杆距离(mm)涂层厚度(m)柱状晶尺寸(m)柱状晶间隙(m)none154.813.63.54.52.31034.312.64.9 11532.910.14.1 12032.416.06.5 13036.921.68.5 1遮蔽条件下，由于挡杆遮蔽物对束流中液相的过滤以及冷凝颗粒在挡杆表面沉积，导致挡杆后方的气流速度和气相浓度会明显减低，所沉积的涂层表现出类似 EB-PVD 工艺的气相沉积柱状晶结构(图 6(b)(e)。表 2 为位置 1 的沉积涂层特性，由表中数据可知，无遮挡条件下，涂层顶部柱状晶间隙尺寸为 4.52.3 m，相比于有遮挡条件下，涂层顶部柱状晶间隙尺寸(1 m)较大，有遮挡条件下涂层厚度为无遮挡条件下涂层厚度的 1/4 到 1/5，有遮挡条件下的涂层柱状晶尺寸随遮挡物与基体的距离增大，先减小而后增大，这是由于遮挡物在等离子束流中主要影响束流速度、气相含量以及对束流中液相、固相有遮挡作用。当无遮挡物时，束流中气-液-固相含量较高，柱状晶为气-液-固相混合生长模式，涂层呈现准柱状晶结构(图6(a)；当有遮挡物时，由于遮挡物对束流中液相及固相的遮蔽作用，使得遮蔽物后方涂层以气相沉积为主，涂层结构类似 EB-PVD 柱状晶，柱状晶间隙尺寸变小(图 6(b-e)；此外，由于遮蔽物后方不同位置气相浓度及束流速度不同，导致涂层沉积效率不同，气相含量越高，沉积效率越高，涂层柱状晶尺寸越大，其中遮挡物距离基体为15mm 时柱状晶尺寸最小，为 10.14.1 m，说明在该位置束流中气相含量最低。第 2 期 39 80 m10 m10 m10 m10 m10 m(a)(d)(b)(e)(c)(f)图 6 不同样品位置 1 截面形貌：(a)90-none；(b)90-10 mm；(c)90-15 mm；(d)90-20 mm；(e)90-30 mm；(f)90-none 局部放大图 Fig.6 Cross-section microstructure for various sample in position 1:(a)90-none;(b)90-10 mm;(c)90-15 mm;(d)90-20 mm;(e)90-30 mm;(f)partial enlarged drawing of 90-none图 7 不同样品位置 2 截面形貌：(a)90-none；(b)90-10 mmFig.7 Cross-section micrograph of various sample in position 2:(a)90-none;(b)90-10 mm如图 2(b)所示位置 2，由于该位置距离样品喷涂中心 50 mm，在喷枪摆动过程中，约80 mm120 mm 椭圆形光斑对该位置实现叠加沉积，又由于偏离射流中心上部的气相含量远低于射流中心，因此该位置涂层的沉积速率低于位置1，此外，涂层中也存在大的液相冷凝球形颗粒，如图 7 不同样品位置 2 截面形貌图(a)所示。通过在基体前方增加挡杆遮蔽物，在不同的遮蔽距离条件下，位置 2 的涂层微观结构均与 EB-PVD 的气相沉积涂层结构相类似，气相扩散速率低、涂(a)(b)20 m30 mPS-PVD 工艺中非视线沉积对涂层微结构的影响 40 热 喷 涂 技 术 15 卷图 9 不同样品位置 3 截面形貌：(a)90-none；(b)90-10 mm；(c)90-15 mm；(d)90-20 mm；(e)90-30 mm；(f)90-30 mm 局部放大图 Fig.9 Cross-section microstructure for various sample in position 3:(a)90-none;(b)90-10 mm;(c)90-15 mm;(d)90-20 mm;(e)90-30 mm;(f)partial enlarged drawing of 90-30 mm图 8 金相法测试不同样品及位置涂层平均厚度Fig.8 Average thickness of coatings in various sample and position by metallography层生长速率慢，但柱状晶尺寸较大且较为致密。通过金相法测量厚度，结果如图8所示，由图可知，遮蔽和无遮蔽条件下，位置 2 涂层厚度约为同等条件下位置 1 涂层厚度的 1/2。如图 2(b)所示位置 3 相对基体中心偏离(X：30 mm，Y：50 mm)，喷枪沿 Y 轴方向上下摆动过程中，部分射流边缘的复杂气氛会沉积到该位置涂层当中，包括冷凝的球形液滴明显增多、柱状结构间隙内部冷凝的纳米、微米颗粒明显增多。如图 9(a)所示，无挡杆遮蔽情形下，涂层仍然保持较为疏松的结构，柱状晶间间隙较大。增加挡杆遮蔽后，随挡杆与基体之间距离的增大，冷凝的大球形颗粒减少，这主要是由于圆柱挡杆对束流中冷凝颗粒的遮蔽过滤效果导致18，同时由于挡杆的遮蔽作用导致束流速度及气相含量降低，相比于无遮挡条件下涂层，增加挡杆后，涂层柱状晶间隙进一步降低，涂层致密度进一步提升，由图 9(b)(e)涂层的截面形貌图所示，由于气相速率降低后冷凝速率加快，导致涂层柱状晶间的冷凝颗粒增多，增加挡杆的样品在位置 3，涂层致密度增加可能和一定含量的液相沉积相关。30 m10 m30 m30 m20 m20 m(a)(d)(b)(e)(c)(f)Various point123Thickness/m160140120100806040200第 2 期 41 3 结 论采用直径为 22 mm 的圆柱挡杆模拟遮蔽物对 PS-PVD 工艺非视线沉积效应对涂层微观结构的影响进行研究，结论如下：(1)无遮蔽条件下，基体表面涂层厚度分布呈中部厚而四周薄，呈现高斯峰分布特征，涂层涡轮检测最大厚度为 135 m；有遮挡条件下，涂层厚度呈现双峰的结构特征，在 15 mm 的遮挡距离时，遮挡区域基体沉积的涂层最薄，其他遮挡距离下，涂层厚度在 040 m 之间变化。(2)无遮挡条件下，涂层为气-液-固相混合生长模式，呈现准柱状晶结构，在该工艺条件下制备的涂层柱状晶尺寸为 13.63.5 m，柱状晶间隙为 4.52.3 m；遮蔽条件下，由于档杆的遮蔽过滤作用，遮蔽位置涂层呈现气相沉积模式，涂层结构与 EB-PVD 的气相沉积结构相类似，柱状晶尺寸随遮挡物与基体的距离增大，呈先减小而后增大，其中遮蔽距离为 15 mm 时柱状晶尺寸最小，为 10.14.1 m。(3)遮蔽物对等离子射流中液相及冷凝颗粒有过滤作用，对流场中气相浓度和气相速度等影响较大，进而对涂层微结构产生影响。该研究可为导向叶片遮蔽影响及叶片涂层工艺调整及优化提供依据和指导。参考文献1 Wei Z Y,Meng G H,Chen L,et alProgress in ceramic materials and structure design toward advanced thermal barrier coatingsJ.Journal of Advanced Ceramics,2022,11(7):9851068.2 魏晓东,侯国梁,赵荻,等.氧化物掺杂 YSZ 热障涂层的最新研究进展 J.表面技术,2020,49(6):92-103.3 曹学强.新型热障涂层材料研究进展 J.硅酸盐学报,2020,48(10):1622-1635.4 石佳,魏亮亮,张宝鹏,等.等离子物理气相沉积热障涂层研究进展 J.航空材料学报,2018,38(2):1-9.5 Li X,Deng C M,Niu S P,et al.Effect of calcination temperature on the 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