广东新材料所：PS-PVD热障涂层沉积机理研究进展(2014-2021年)

热障涂层是先进航空发动机涡轮叶片三大关键技术之一，在改善发动机性能、使用寿命等方面发挥着重要作用。传统热障涂层制备方法包括大气等离子喷涂(APS)和电子束-物理气相沉积(EB-PVD)，近年来由于发动机设计要求不断提高，发展一种新型热障涂层制备技术十分迫切。近十年来，国内外逐渐提出并发展了一种等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)新型热障涂层制备技术，通过工艺调控可实现非视线沉积，并获得层状、柱状及其混合结构涂层，显示出巨大的应用前景。广东省科学院新材料研究所以下一代航空发动机涡轮叶片热障涂层等国家需求为导向，围绕PS-PVD技术开展了长达8年的基础研究，在7YSZ热障涂层沉积机理方面认识不断加深，总结如下。

研究团队前期发现，羽毛柱状7YSZ涂层的形成过程经历基元形成(晶粒生长)和涂层序构(羽毛柱状形成)两个步骤(图1)。晶粒生长包括非均匀形核和均匀形核，非均匀形核是指当喷涂距离在焰流中部位置时，7YSZ分子、离子或原子以异质基体为表面发生非均匀形核，其涂层结构与基体预热温度有关。高基体温度及高表面能材料使涂层趋向岛状模型生长，涂层呈柱状结构，相反低基体温度及低表面能材料时，涂层趋向于层状模型生长，涂层为柱状晶和细晶混合结构或完全为细晶结构。均匀形核是指当喷涂距离较远即在等离子焰流尾端，气相7YSZ粒子在焰流中依靠能量变化发生均匀形核形成晶胚，晶胚长大形成纳米晶粒，纳米晶粒在表面能的作用下团聚形成团簇结构，最终在基体上涂层为疏松的细晶结构。(J. Euro Ceram.,2016, 36:697-703; Chinese J. Aero., 2018, 31:820-825; 中国科学：技术科学, 2019, 49:1-12)。

图1不同基体温度的涂层生长模式以及不同喷距、预热温度的7YSZ涂层典型结构

研究团队近期发现，PS-PVD羽毛柱状涂层沉积过程中涂层结构包括典型三种结构(图2)：根部涂层(I)是由纳米柱状晶致密序构而成;中部涂层(II)由纳米柱状主晶及柱状枝晶序构组成，但孔隙率较大；顶部涂层(III)由纳米柱状晶疏松序构而成，众多未长成的次级枝晶构成了“花菜头”区域。在涂层生长过程中，涂层内部中的Zr和Y元素价态没有发生改变，分别均匀地对应于ZrO₂和Y₂O₃。涂层中T-ZrO₂、C-ZrO₂和M-ZrO₂晶粒的百分比分别为65.80%、13.13%和7.66%，其中T-ZrO₂相的取向为<001>。纳米压痕的结果表明从涂层的底部到顶部，横截面区域的显微硬度增加。YSZ的择优生长面为(101)，三个不同区域的柱状晶的晶体取向是一致的[101]。涂层的序构方式由多场耦合控制，包括温度场、速度场和压力场，通过模拟等离子体射流的三维场分布以及不同粒径YSZ颗粒在射流中的运动轨迹，揭示了YSZ羽毛柱状晶的沉积规律和机理，为调控涂层的结构建立了理论基础。(NPJ Mater.Degrad., 2020, 31:1-6; J. Euro. Ceram. Soc., https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.09.008)。

图2 7YSZ涂层不同区域的形貌以及等离子体射流温度场、速度场、压力场的流体模拟

 

通讯作者：

张小锋，博士/高工，广东省科学院新材料研究所(现代材料表面工程技术国家工程实验室)热喷涂研究中心副主任，广东省杰青、珠江科技新星。先后获全国有色金属优秀青年科技奖、广东省科技进步一等奖等。担任中国硅酸盐学会特陶分会青工委副主任委员、中国机械工程学会表面分会青工委副主任委员、广东省材料研究学会青工委秘书长等。至今以第一/通讯(含共同)在Nature合作期刊NPJ Mater. Degrad.、Mater. Sci. Eng. R. (IF=36)等发表SCI论文48篇，累计以第一发明人授权国家发明专利13件。先后主持国防973课题、国家自然基金(面上/青年)等近十个项目，并核心参与了包括973计划(2项)、国家重点研发计划(2项)、两机专项在内的十余个国家级项目。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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