等離子噴涂法

等離子噴涂是把金屬或陶瓷粉末送入高溫的等離子體火焰，即利用等離子體焰流將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài)。在高速等離子體火焰的引導(dǎo)下，高速撞擊工件表面。噴涂過(guò)程中，首先是噴涂材料被加熱達(dá)到熔化或半熔化轉(zhuǎn)臺(tái)；然后是被氣流推動(dòng)向前噴射的飛行階段；最后以一定的動(dòng)能沖擊基體表面，產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞展平成扁平層并瞬間凝固。最終形成的噴涂涂層是由無(wú)數(shù)變形粒子相互交錯(cuò)，呈波浪形堆疊在一起的的層狀組織結(jié)構(gòu)。顆粒與顆粒之間不可避免的存在一部分空隙或者孔洞，其孔隙率一般在4%~20%之間，涂層中伴有氧化物和夾雜。采用等離子體弧高溫?zé)嵩?，超音速以及低壓或保護(hù)氣氛噴涂可減少這種空隙、孔洞等缺陷。

由于涂層是層狀結(jié)構(gòu)，所以涂層的性能具有一定的方向性，涂層與基體表面的結(jié)合一般認(rèn)為有以下兩種：機(jī)械結(jié)合，碰撞而成的扁平狀的顆粒隨基體表面有一定的起伏，和凹凸不平的表面互相嵌合，形成機(jī)械釘扎而結(jié)合；另一種是冶金結(jié)合，這是當(dāng)涂層和基體表面出現(xiàn)擴(kuò)散和合金化時(shí)的一種結(jié)合烈性，包括在結(jié)合面上生成的金屬間化合物或固溶化，以上結(jié)合中等離子體噴涂涂層是以機(jī)械結(jié)合為主。

涂層的性能與噴涂粉末的質(zhì)量和噴涂的工藝密切相關(guān)。對(duì)于噴涂用的粉末的處理相當(dāng)?shù)闹匾娡抗に噷?duì)涂層性能的影響也很大，噴涂時(shí)功率高、涂層致密、基體溫度控制不當(dāng)則會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力導(dǎo)致涂層剝落和失效。

電子束物理氣相沉積（EB-PVD）法

近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的EB-PVD熱障涂層是用高能電子束加熱并氣化陶瓷源，陶瓷蒸汽以原子為單位沉積到基體上而形成的，在制備梯度熱障涂層時(shí)，實(shí)現(xiàn)了金屬粘結(jié)層與陶瓷層之間結(jié)構(gòu)和成分的連續(xù)過(guò)度。經(jīng)過(guò)高溫后續(xù)處理，是粘結(jié)層與陶瓷層之間形成擴(kuò)散，從而消除了內(nèi)界面。其涂層組織為垂直于基體表面的柱晶狀組織。柱體和基體間屬于冶金結(jié)合，穩(wěn)定性很好，且在高溫下，柱狀組織結(jié)構(gòu)的涂層具有良好的應(yīng)變承受能力。從而大大的提高了涂層的抗熱疲勞的性能。在熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，涂層的失效是由于Al2O3層內(nèi)部開裂引起的。另外涂層表面光滑無(wú)需再加工，工藝參數(shù)易于控制，涂層可修復(fù)均是與等離子體噴涂制備熱障相比的優(yōu)勢(shì)所在。然而，涂層厚度不可控，表面清洗復(fù)雜、設(shè)備復(fù)雜昂貴、沉積速率相對(duì)較低、工藝流程繁瑣這些缺點(diǎn)也是非常需要研究改進(jìn)的。

液體注入等離子體熱噴涂法

液體注入等離子體噴涂是近年來(lái)出現(xiàn)的一種很有前途的涂層制備方法，國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有報(bào)道，主要是國(guó)外進(jìn)行了一些探索性的研究。液體注入等離子體噴涂設(shè)備熱障涂層的原理是鋯鹽溶液用輸送的馬達(dá)抽出，在載氣的作用下，經(jīng)過(guò)霧化噴嘴，進(jìn)入等離子體中，在熱等離子體中發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)后，沉積到金屬基體上。粉末注入法制備的常規(guī)熱障涂層只能經(jīng)受400次左右的熱循環(huán)，EB-PVD制備的熱障涂層是780次左右，液體注入法制備的新型熱障涂層可經(jīng)受平均為1018次的熱循環(huán)，熱循環(huán)性能得到改善；涂層中相結(jié)構(gòu)組成主要為非轉(zhuǎn)變型的四方相，且在1121℃下熱循環(huán)時(shí)無(wú)相變發(fā)生；裂紋的寬度會(huì)隨著熱循環(huán)的循環(huán)次數(shù)的增加而增加；涂層的硬度在熱循環(huán)的早期會(huì)有所增加；涂層的柱狀晶結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)過(guò)程中得以保留；液體進(jìn)入等離子體噴嘴的穿入深度對(duì)涂層的沉積效率有著很大的影響；涂層失效主要發(fā)生在陶瓷面層內(nèi)靠近陶瓷面層與粘結(jié)層的界面處。

總的來(lái)說(shuō)，利用溶液注入等離子體噴涂工藝制備的熱障涂層具有以下特點(diǎn)：

（1）獨(dú)特的顯微結(jié)構(gòu)：涂層的晶粒尺寸大小為10~30nm；均勻的納米級(jí)和微米級(jí)孔隙；具有縱向微裂紋；不存在層狀顆粒和片層晶界；

（2）納米晶粒長(zhǎng)大過(guò)程受到抑制；

（3）涂層具有良好的抗熱震性能。

Sol-gel復(fù)合料漿熱壓濾法制備陶瓷涂層法

采用Sol-gel復(fù)合料漿熱壓濾法制備出具有YPSZ顆粒鑲嵌于Al2O3-Y2O3空間網(wǎng)絡(luò)膜結(jié)構(gòu)的Al2O3-ZrO2-Y2O3復(fù)合涂層，則可既綜合Al2O3-Y2O3和ZrO2-Y2O3兩種涂層的優(yōu)點(diǎn)，獲得更好的綜合效果。

使用熱壓濾法制備的PYSZ涂層具有納米/微米/微孔復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以有效的降低聲子熱傳導(dǎo)和對(duì)流熱傳導(dǎo)，使涂層具有較高的熱障效果。涂層的熱障效果隨料漿中溶膠含量的增加而增高。

Al2O3-ZrO2-Y2O3復(fù)合涂層中Al2O3-Y2O3網(wǎng)絡(luò)膜能夠阻擋氧離子的傳輸，鑲嵌的YPSZ可以調(diào)節(jié)涂層與基體的熱膨脹匹配關(guān)系，同時(shí)涂層的納米/微米/微孔復(fù)合結(jié)構(gòu)有利于應(yīng)力的松弛，因此Al2O3-ZrO2-Y2O3復(fù)合涂層具有優(yōu)異的抗高溫氧化和抗氧化物剝落的能力。

孔隙對(duì)熱障涂層性能的影響

孔隙在熱障涂層中較為常見，孔隙對(duì)熱障涂層的性能有利有弊。Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2（Y2O3 partially stabilized zirconia，簡(jiǎn)稱YSZ）由于具有較低的熱導(dǎo)率，而被廣泛用作熱障涂層表面的陶瓷層材料。而最常用的制備涂層的方法就是等離子噴涂。但是由于等離子噴涂工藝的自身特點(diǎn)，涂層內(nèi)部不可避免地會(huì)存在孔隙等缺陷。涂層中的孔隙一方面可以降低涂層的熱導(dǎo)率，提高涂層的隔熱性能。另一方面又使涂層的綜合力學(xué)性能下降。

力學(xué)性能：力學(xué)性能是直觀地反映涂層質(zhì)量的重要基本指標(biāo)之一，孔隙的存在使熱障涂層彈性模量降低，材料強(qiáng)度降低。若涂層空隙率較高，則且小孔徑孔隙分布比較均勻，使得裂紋長(zhǎng)度有效縮短，沒(méi)有貫穿性裂紋和平行裂紋，且未完全熔融的小尺寸顆粒能夠增加涂層的韌性，這對(duì)于抗熱震性比較有利。

但孔隙帶來(lái)的也不全是壞處——由于等離子噴涂制備的熱障涂層具有層片狀結(jié)構(gòu)的典型特征，有的存在貫穿性裂紋，有的裂紋平行于涂層表面，平行于涂層表面的裂紋結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致涂層失效，對(duì)抗熱震性十分不利。如果涂層孔隙率較高，且小孔徑孔隙分布比較均勻，使得裂紋長(zhǎng)度有效縮短，沒(méi)有貫穿性裂紋和平行裂紋，且未完全熔融的小尺寸顆粒能夠增加涂層的韌性，這對(duì)于抗熱震性比較有利。這種孔隙將會(huì)吸收熱震工況下的熱應(yīng)力，能夠容納較高的應(yīng)力，使涂層具有較好的抗熱震性能。

熱學(xué)性能：靜止的空氣是熱的不良導(dǎo)體。在一定孔隙率的情況下，減小孔隙尺寸，將增加孔隙的數(shù)量及表面積，進(jìn)而增加孔隙與陶瓷材料之間的界面數(shù)量。在一定的界面熱阻條件下，界面數(shù)量越多，其導(dǎo)熱能力越低，所以孔隙尺寸的減小可降低涂層的熱導(dǎo)率。

用于耐腐蝕、高溫抗氧化和高溫抗沖刷等環(huán)境下的涂層，要求孔隙越少越好，而對(duì)于帶有潤(rùn)滑劑的摩擦部件和在高溫隔熱條件下的基體表面，孔隙又是有利的。