CN114059020B - 一种提高ps-pvd沉积过程中气相比例的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高PS‑PVD沉积过程中气相比例的装置和方法，装置为同心环式遮挡装置，包括第一同心环和第二同心环，第一同心环包括第一外环和第一内环，第二同心环包括第二外环和第二内环；第一外环、第一内环、第二外环和第二内环，在垂直PS‑PVD射流方向表面上的投影相互连接，相互没有空隙，第一外环、第一内环和第二外环、第二内环在沿着方向PS‑PVD射流方向上错位交互排列，即第一外环与第二外环、第二外环与第一内环、第一内环与第二内环之间均留有间隙；第二内环的内部为中空，没有遮挡；各同心环从射流中心到边缘方向的排列逐渐稀疏，本发明能有效过滤掉射流边缘中的液相或未熔颗粒，保证沉积过程中为气相沉积，沉积工件表面涂层结构一致，厚度均匀。

Description

一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的装置及方法

技术领域

本发明属于涂层的等离子喷涂和物理气相沉积技术领域，具体为涉及一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的装置及方法。

背景技术

等离子喷涂技术和电子束物理气相沉积技术是目前应用最广泛的热障涂层制备技术。传统的等离子喷涂技术具有比EB-PVD制备技术沉积效率高，设备成本低等优点，但只能形成层状组织结构涂层，涂层的抗热震性能明显不及EB-PVD柱状晶结构涂层。等离子物理气相沉积技术 (Plasma Spray-Physical Vapor Deposition, PS-PVD)是在低压等离子喷涂（Low Pressure Plasma Spray，LPPS)技术上发展起来一种的热障涂层制备技术。传统的大气或低压等离子喷涂技术真空工作室压力大约为5000~8000 Pa，而PS-PVD技术真空室压力只有5~200 Pa，而且大功率等离子喷枪的配备使得等离子射流急剧膨胀，长度可以达到约2000 mm，直径约为200~400 mm，形成的超音速等离子射流温度可以超过6000 K。因此，粉末注入等离子射流中可以被熔化甚至被气化。此外，通过调控气相/液相/固相多相比例还可实现不同组织结构涂层沉积，尤其是当以气相沉积为主时沉积得到的准柱状结构涂层在热障涂层领域表现出很好的应用前景。此外，由于等离子射流具有较大尺寸和较高的速度，它可以流过几何形状复杂的工件表面，甚至到达工件阴影区域，因此PS-PVD技术可以实现非视线区域的沉积。

目前，PS-PVD的研究发展十分迅速，但在实际工件喷涂过程中存在一些问题亟待解决。如PS-PVD设计者最初希望通过高功率、高工作气体流量和低真空度实现粉末材料完全气化，达到与物理气相沉积(PVD)相似的效果，但多数情况下，PS-PVD在大多数情况下并不能使粉末完全气化，PS-PVD宽大的等离子射流中分布着各种粒子(如气相粒子、液相粒子、部分熔融颗粒、未熔颗粒等等)，实际上是一个以气相沉积为主、多相混合沉积的涂层制备技术，这些粒子在射流中的状态和分布差异导致了工件表面涂层结构、厚度等的差异，也对涂层性能造成影响。

中国发明专利201410690647.1公开了基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法，在喷枪与基体之间设置遮挡装置以阻止液相粒子穿过，气相沉积材料或具有布朗运动特性的粒子绕过遮挡物而沉积在基体上形成具有柱状结构的陶瓷涂层。

该遮挡装置采用全覆盖式，等离子射流要全部穿过该遮挡装置。主要面向常规的等离子喷涂设备以及低压等离子喷涂设备。这是因为常规的等离子喷涂以及低压等离子喷涂设备等离子射流较细短，液相或者未熔化颗粒喷涂过程中在射流中心至边缘方向均有分布。该全覆盖式遮挡装置虽然能在一定程度上阻止液相粒子穿过，但不可避免地也会使部分气相粒子在其表面沉积，气相粒子的损失势必造成涂层沉积速率降低。

并且该类型遮挡装置不适用于PS-PVD，因为PS-PVD过程中等离子射流比较宽大，射流中心以气相为主，液相多存在于射流边缘，使用该类型遮挡装置将会导致涂层沉积速率大大降低。另外，该遮挡工装主要放置于基体前部，势必会影响等离子射流对基体的有效预热，而基体温度也很大程度上决定着沉积涂层的微观结构，因此喷涂过程中涂层微观结构一致性难以确保。此外，针对复杂型面工件如叶片等喷涂时，需要机械手控制喷枪进行多角度喷涂，遮挡装置放置于基体前部时，即使可移动，其移动范围也非常有限，当喷枪、遮挡装置及工件这三者不在一条直线上时，难以有效实现遮挡的效果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的装置及方法，解决PS-PVD沿射流径向方向涂层结构存在差异化的问题，最终实现工件表面涂层的均匀制备。

本发明完整的技术方案包括：

一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的装置，所述装置为同心环式遮挡装置，包括第一同心环和第二同心环，所述第一同心环包括第一外环和第一内环，所述第二同心环包括第二外环和第二内环；所述第一外环、第一内环、第二外环和第二内环，在垂直PS-PVD射流方向表面上的投影相互连接，相互没有空隙，所述第一外环、第一内环和第二外环、第二内环在沿着方向PS-PVD射流方向上错位交互排列，即第一外环与第二外环、第二外环与第一内环、第一内环与第二内环之间均留有间隙；第二内环的内部为中空，没有遮挡；

第二内环的内部中空区域的直径，为等离子射流截面直径的1/3~1/2；

各同心环的宽度关系为：第二内环＜第一内环＜第二外环＜第一外环；

所述第一同心环和第二同心环与最外侧的连接部件装配在一起，并通过连接部件安装到整体装置上；遮挡装置最外侧连接部件的宽度大于等于等离子射流的直径。

所述同心环式遮挡装置为圆形同心环、椭圆形同心环、方形同心环或者与其他等离子射流轮廓形状相同的同心环式装置。

所述同心环式遮挡装置为圆形同心环。

所述同心环式遮挡装置固定于等离子喷枪前部，且随等离子喷枪一起移动。

所述遮挡装置距离喷枪出口端面距离大于等于200mm。

所述遮挡装置距离喷枪出口端面距离为200~600m。

带有所述装置的PS-PVD设备，包括机械手、等离子喷枪、同心环式遮挡装置、工件和样品台，所述机械手前端夹持等离子喷枪，所述遮挡装置固定于等离子喷枪前部，且随等离子喷枪一起移动，所述工件位于样品台上。

一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）打开PS-PVD设备真空室，在等离子喷枪前端装配所述的同心环式遮挡装置，遮挡装置距喷枪出口端面距离为200~600mm；

（2）启动PS-PVD设备，装卡喷涂工件至样品台，关闭真空室；

（3）抽真空，调整喷枪喷涂功率和调控喷涂电流；

（4）运行点枪程序，打开工作气体阀门，引弧，待电弧稳定后，逐步调整气体流量到指定气体流量；

（5）对工件进行预热，调整工件转速，探测工件基体温度，直至基体温度达到要求；

（6）打开装有喷涂粉末的送粉器，调控送粉速率，送粉载气Ar气流量，喷涂距离，开始沉积热障涂层；在射流中心位置，基本由气相粒子组成的射流通过第二内环的内部的中空位置无障碍通过，在靠近射流边缘的位置，遮挡装置对射流中的液相和固相粒子进行遮挡，气相粒子穿过各同心环之间的间隙，保证沉积过程中始终为气相沉积。

（7）制备结束，停止送粉，灭电弧，待真空室冷却，泄真空，取出工件，得到气相沉积为主的准柱状结构陶瓷涂层。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

在PS-PVD涂层制备过程中，射流中心主要以气相粒子为主，射流边缘除存在气相外还存在液滴及未熔颗粒等。在喷枪前部设置遮挡装置，该遮挡装置中央采用中空设置，可保证PS-PVD射流中心气相不受阻碍的通过，保证了涂层较高的沉积速率，而边缘部位采用圆环阻挡，可有效过滤掉其中的液相或未熔颗粒。而且，根据射流中粒子浓度变化，圆环宽度沿着射流轴向方向逐渐增大，既可以保证有害相的过滤，又可以保证涂层良好的沉积速率。

本发明中，阻挡装置设置在等离子喷枪前部，且随等离子喷枪一起移动，当对导向叶片等较大尺寸工件喷涂时，可保证沉积过程中为气相沉积，沉积的工件表面涂层结构一致，厚度均匀。

附图说明

图1为本发明 PS-PVD设备中整体结构示意图；

图2a为本发明中空环形遮挡装置的第一同心圆环在垂直射流方向平面的截面示意图；

图2b为本发明中空环形遮挡装置的第二同心圆环在垂直射流方向平面的截面示意图；

图2c为图2a和图2b装配后的截面示意图；

图2d为本发明中空环形遮挡装置的在射流方向所在平面的示意图；

图3a为遮挡装置装配前，射流中心区域涂层微观结构图；

图3b为遮挡装置装配前，距射流中心35mm~75mm处的涂层微观结构图；

图4a为遮挡装置装配后，射流中心区域涂层微观结构图；

图4b为遮挡装置装配后，距射流中心35mm~75mm处的涂层微观结构图。

图中：1-机械手，2-等离子喷枪，3-遮挡装置，4-工件，5-样品台，6-第一同心圆环，7-第二同心圆环，8-第一外环，9-第一内环，10-第二外环，11-第二内环，12-空隙，13-连接部，14-射流。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

如图1所示，本发明整体装置，机械手1前端夹持等离子喷枪2，遮挡装置3固定于等离子喷枪前部，且随等离子喷枪一起移动，对样品台5上的工件4进行气相沉积。

遮挡装置距离喷枪出口端面距离大于等于200mm，优选的为200~600m。当对工件4喷涂时，遮挡装置可随等离子喷枪多角度移动，时刻保持喷枪、遮挡装置和工件在同一条直线上，从而有效过滤射流中的有害性，保证沉积过程中始终为气相沉积，最终确保工件表面沉积的涂层结构一致，厚度均匀。

图2a-图2d为圆形同心环式遮挡装置结构示意图，下面对该遮挡装置进行详细说明，为便于理解，以射流方向作为X轴方向，以垂直射流方向作为Y轴方向，该同心环式遮挡装置包括第一同心圆环6和第二同心圆环7，所述第一同心圆环包括第一外环8和第一内环9，所述第二同心圆环包括第二外环10和第二内环11；所述第一外环、第一内环、第二外环和第二内环，在Y轴所在的垂直射流方向表面上的投影相连，中间没有空隙，所述第一外环、第一内环和第二外环、第二内环在X轴方向上错位交互排列，即第一外环与第二外环、第二外环与第一内环、第一内环与第二内环之间均留有间隙12。第二内环的内部为中空，没有遮挡。第一同心圆环和第二同心圆环与最外侧的连接部件13装配在一起，并通过连接部件13安装到整体装置上。遮挡装置最外侧连接部件的宽度应大于等于等离子射流的直径。

在进行喷涂时，在射流中心位置，射流基本全部由气相粒子组成，此部分射流通过第二内环的内部的中空位置无障碍通过，保障涂层较高的沉积速率。而射流边缘位置，有部分液滴和固相粒子存在，射流14中的气相粒子通过穿过上述间隙到达工件表面，进行喷涂。相对于现有技术中的中心位置全遮挡或边缘位置全遮挡（即边缘采用封闭的单层环全部遮挡，中心位置空出）的思路，本发明进行了创造性的设计，采用双层同心环进行遮挡从Y方向上各环的投影相连，对以直线方式喷射的液滴和固相粒子进行了充分的遮挡过滤，而同时双层同心环在X轴方向上前后交错排列，各环之间留有间隙12，使射流边缘中的气相粒子能绕过间隙，实现了对射流中气相粒子的充分利用，提高了沉积效率。

在一种优选的实施方式中，在同心环式遮挡装置中间没有遮挡区域的宽度设计上，考虑到射流中心主要以气相粒子为主，不遮挡可保证气相粒子无障碍通过，保障涂层较高的沉积速率，经过设计和实验验证，将该中空区域的宽度，即第二内环内径设为等离子射流截面直径的1/3~1/2，更优选为1/2，与遮挡装置装配位置处的等离子射流中心气相区域宽度相同。

此外，在另一种优选的实施方式中，为进一步提高过滤效果且提高气相粒子的利用率，需要对同心环在Y轴方向上的宽度进行设计。经过研究发现，随着射流从中心到边缘，液滴和固相粒子比例逐步增加，但并非简单的线性关系，而是越靠近边缘，液滴和固相粒子比例增加越快。因此，首先确定各同心环从射流中心到边缘方向的排列逐渐稀疏，即从宽度来说，第二内环＜第一内环＜第二外环＜第一外环。其次，在具体的宽度数值上上，由第二内环至第一外环的宽度增加程度要符合射流从中心到边缘液滴和固相粒子比例关系，结合计算与实际验证，选择各环在Y轴方向上的宽度比关系为第二内环：第一内环：第二外环：第一外环=2：3：6：14。更优选的，第一内环的宽度占射流半径的4%。

除了圆形同心环式遮挡装置外，该同心环式遮挡装置还可为椭圆形同心环、方形同心环或者与等离子射流轮廓形状相同的同心环式装置。

下面对采用本发明装置的PS-PVD沉积过程进行具体说明：

（1）打开PS-PVD设备真空室，在等离子喷枪2前端装配遮挡装置3，装置距喷枪出口端面距离为200~600mm，这主要是因为喷涂粉末的加热主要是在喷枪内部以及喷嘴出口处，因此设置一定距离可保证喷涂粉末在等离子射流中被充分加热；

（2）启动PS-PVD设备，装卡喷涂工件4至样品台5，关闭真空室；

（3）抽真空，直至真空室压力为低于2mbar；

（4）调整喷枪喷涂功率至80~ 130 kW (喷涂功率范围)、调控喷涂电流至1800~2500 A(喷涂电流范围);

（5）开始运行点枪程序，打开工作气体阀门，引弧，待电弧稳定后，逐步调整气体流量到指定气体流量Ar气和He气流量分别为30L/min和60L/min.

（6）对工件进行预热，调整工件转速 0-30rpm（工件转速范围），用红外探头探测基体温度，直至基体温度达到800℃~950℃ ；

（7）打开装有喷涂粉末的送粉器，调控送粉速率为5~20g/min（送粉率范围），送粉载气Ar气流量为8~15L/min（载气流量范围），喷涂距离为900~1400mm（喷涂距离范围），开始沉积热障涂层。针对大尺寸复杂型面工件如导向叶片等，需利用机械手1操作喷枪进行多角度喷涂；

（8）制备结束，停止送粉，灭电弧，待真空室冷却，泄真空，取出工件，得到气相沉积为主的准柱状结构陶瓷涂层。

实施例1

在200 mm × 30 mm × 5 mm 的高纯石墨基体上采用PS-PVD设备制备YSZ涂层，对比了遮挡装置装配前后射流不同径向位置的涂层结构。所用喷涂参数如下：真空度200Pa，喷涂总功率100 kW、喷涂电流2000 A、Ar气和He气流量分别为30L/min和60L/min、送粉速率10 g/min、送粉载气Ar气流量为12L/min、喷涂距离为900mm、工件转速 0rpm、喷枪不动、基体预热温度达到850℃~900℃。

该喷涂距离下，经测量，射流直径约为150mm，以射流中心为原点，观察沿着射流径向方向涂层微观结构分布。遮挡装置装配前，射流中心区域（距离原点35mm范围内）涂层为准柱状结构涂层，如图3a所示，而距离射流中心原点35mm~75mm处的涂层中可观察到大量液滴及未熔颗粒，涂层主要为层状和柱状混合结构涂层；如图3b所示，装配圆形同心环式遮挡装置，装置内部中空部分直径30mm，外部直径100mm，装置位于喷枪出口距离200mm处，观察涂层微观组织结构发现，整个射流覆盖区域沉积得到的涂层均为气相沉积形成的准柱状结构涂层，未发现液滴及未熔化颗粒，如图4a和图4b所示，表明该遮挡装置有效过滤了射流中的液滴及未熔化颗粒等有害性。

实施例2

在Φ25.4 mm ×4 mm的高温合金基体上，采用低压等离子喷涂NiCoCrAlY粘结层，之后采用PS-PVD设备在粘结层上制备YSZ陶瓷层。对比了遮挡装置装配前后涂层微观组织、结合强度以及抗热冲击寿命等性能。所用喷涂参数如下：真空度200Pa，喷涂总功率118 kW、喷涂电流2300 A、Ar气和He气流量分别为30L/min和60L/min、送粉速率20g/min、送粉载气Ar气流量为12L/min、喷涂距离为1200mm、工件转速 15rpm、喷枪上下摆动。基体预热温度达到850℃~900℃。

遮挡装置装配前，沉积得到的涂层中发现液滴和未熔化颗粒存在，涂层虽呈现准柱状结构涂层，但涂层中缺陷较多，柱状晶生长杂乱。涂层结合强度为35MPa。在表面温度为1200℃，保温5min，压缩空气冷却90s的燃气热冲击条件下，涂层热冲击寿命为850次。装配与等离子射流轮廓相似形状的椭圆形同心环式遮挡装置，装置内部中空部分宽度约为50mm，外部直径126mm，装置位于喷枪出口距离400mm处，观察涂层微观组织结构发现，涂层为气相沉积形成的准柱状结构涂层，未发现液滴及未熔化颗粒，柱状晶整齐排列，涂层中缺陷及孔隙较少，涂层结合强度为65MPa。在表面温度为1200℃，保温5min，压缩空气冷却90s的燃气热冲击条件下，涂层热冲击寿命为1210次，较未使用遮挡装置沉积的涂层，结合强度提高将近一倍，热冲击寿命提高将近50%。

以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的装置，其特征在于，所述装置为同心环式遮挡装置，包括第一同心环和第二同心环，所述第一同心环包括第一外环和第一内环，所述第二同心环包括第二外环和第二内环；所述第一外环、第一内环、第二外环和第二内环，在垂直PS-PVD射流方向表面上的投影相互连接，相互没有空隙，所述第一外环、第一内环和第二外环、第二内环在沿着方向PS-PVD射流方向上错位交互排列，即第一外环与第二外环、第二外环与第一内环、第一内环与第二内环之间均留有间隙；第二内环的内部为中空，没有遮挡；

第二内环的内部中空区域的直径，为等离子射流截面直径的1/3~1/2；

各同心环的宽度关系为：第二内环＜第一内环＜第二外环＜第一外环；

所述第一同心环和第二同心环与最外侧的连接部件装配在一起，并通过连接部件安装到整体装置上；遮挡装置最外侧连接部件的宽度大于等于等离子射流的直径。

2.根据权利要求1所述的一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的装置，其特征在于，所述同心环式遮挡装置为圆形同心环、椭圆形同心环、方形同心环或者与其他等离子射流轮廓形状相同的同心环式装置。

3.根据权利要求1所述的一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的装置，其特征在于，所述同心环式遮挡装置固定于等离子喷枪前部，且随等离子喷枪一起移动。

4.根据权利要求3所述的一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的装置，其特征在于，所述同心环式遮挡装置距离喷枪出口端面距离大于等于200mm。

5.根据权利要求4所述的一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的装置，其特征在于，所述遮挡装置距离喷枪出口端面距离为200~600m。

6.带有权利要求1-5任一项所述装置的PS-PVD设备，其特征在于，包括机械手、等离子喷枪、同心环式遮挡装置、工件和样品台，所述机械手前端夹持等离子喷枪，所述同心环式遮挡装置固定于等离子喷枪前部，且随等离子喷枪一起移动，所述工件位于样品台上。

7.一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）打开PS-PVD设备真空室，在等离子喷枪前端装配权利要求1-6任一项所述的同心环式遮挡装置，同心环式遮挡装置距喷枪出口端面距离为200~600mm；

（2）启动PS-PVD设备，装卡喷涂工件至样品台，关闭真空室；

（3）抽真空，调整喷枪喷涂功率和调控喷涂电流；

（4）运行点枪程序，打开工作气体阀门，引弧，待电弧稳定后，逐步调整气体流量到指定气体流量；

（5）对工件进行预热，调整工件转速，探测工件基体温度，直至基体温度达到要求；

（6）打开装有喷涂粉末的送粉器，调控送粉速率，送粉载气Ar气流量，喷涂距离，开始沉积热障涂层；在射流中心位置，基本由气相粒子组成的射流通过第二内环的内部的中空位置无障碍通过，在靠近射流边缘的位置，同心环式遮挡装置对射流中的液相和固相粒子进行遮挡，气相粒子穿过各同心环之间的间隙，保证沉积过程中始终为气相沉积；

（7）制备结束，停止送粉，灭电弧，待真空室冷却，泄真空，取出工件，得到气相沉积为主的准柱状结构陶瓷涂层。

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