CN114059024A

CN114059024A - 一种等离子物理气相沉积用喷枪及热障涂层制备方法

Info

Publication number: CN114059024A
Application number: CN202210046028.3A
Authority: CN
Inventors: 郭洪波; 彭徽; 郭谦; 何雯婷; 魏亮亮
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2022-01-17
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2042-01-17
Also published as: CN114059024B

Abstract

本发明公开了一种等离子物理气相沉积用喷枪及热障涂层制备方法，针对现有等离子物理气相沉积技术所用等离子喷枪阴阳极寿命短，及粉末成本高等问题，通过增加陶瓷衬套和辅助阳极的设计，加大了阴阳极间距离，轴向送粉，3‑6个阴极轴向对称设计，辅助阳极实现引弧，在相同工况条件下提高了工作电压，较小的工作电流即可达到较大的喷涂功率，同时延长了粉末在等离子中的加热距离，大大降低对粉末的要求，延长了阴阳极寿命，提高了引弧稳定性，实现了高粉末气化率，极大降低了生产成本，延长了涂层使用寿命。

Description

一种等离子物理气相沉积用喷枪及热障涂层制备方法

技术领域

本发明属于热障涂层的等离子喷涂和物理气相沉积技术领域，具体为涉及一种气相沉积涂层用高效低成本的等离子喷枪及热障涂层制备方法。

背景技术

热障涂层(简称TBCs)是先进航空发动机研制的关键科学技术，其是将耐高温、高隔热陶瓷材料涂覆在合金基体表面、以降低高温环境下合金表面温度的一种高温热防护技术。TBCs在发动机叶片上的使用，可显著提高发动机的工作温度，从而提高发动机的工作效率和推力，同时可降低涡轮叶片合金工作温度，从而大幅度提高发动机寿命和可靠性。然而，服役寿命短是制约TBCs发展与应用的瓶颈之一，是实现TBCs在先进航空发动机上安全应用所迫切需要解决的关键问题。

气相沉积柱状涂层的发展大大延长了热障涂层的服役寿命。这种涂层是指采用高能束流将热障涂层原材料加热至气化，在基体上实现气相沉积形成柱状或准柱状结构，在冷热循环服役过程中可大大减少热应力，延长涂层使用寿命。目前实现气相沉积的高能束流加热源主要包括电子束和等离子束。其中采用电子束热源的沉积效率低下，使用成本高昂，所得涂层的热导率高的问题难以解决。采用等离子体热源，把高熔点的涂层材料粒子气化状态，实现借助高速焰流将涂层材料喷射到基体表面，可成具有准柱状结构涂层。该方法沉积速度快，又可以实现气相沉积，所得柱状涂层内部含有很多枝晶间隙，大大降低了涂层热导率，因而目前等离子体热源在气相沉积柱状热障涂层制备方面被逐渐广泛应用。最主要的是，等离子射流可以绕射到几何形状复杂工件的阴影区域并完成涂层的均匀沉积，可以实现非视线区域涂层的沉积，这在航空发动机复杂型面叶片表面的涂层制备中具有极大优势。

目前采用等离子热源实现物理气相沉积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严重制约了涂层性能以及进一步的应用。如目前的研究发现，等离子物理气相沉积在大多数情况下并不能使粉末完全气化，其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。

提高等离子物理气相沉积涂层制备过程中的粉末气化率的方法一般有两种，一是进一步提高等离子弧发生器的功率，等离子气相沉积用的喷枪功率高达100 kW以上，现有技术中通常采用大电流（1500~3000A），低电压（通常为38V以下）来实现，然而高功率要求阴极的电流密度过大，会导致阴极表面和阳极内面过早发生烧蚀，导致引弧不稳定，且阴阳极使用寿命低下，甚至还会出现阳极烧穿等现象引发事故。提高等离子物理气相沉积涂层制备过程中的粉末气化率的另一种方法是对喷涂陶瓷粉末进行改善，使其兼具流动性好和粒径小两个特点，粉末粒径越小，粉末在射流中加热越充分，气化程度越好，然而流动性和粒径细小是一对矛盾体，难以同时实现，必须对细小粉末进行造粒来满足流动性，而团聚造粒粉要实现气化必须要求粉末具有特定的二次结构，这就造成了原材料的价格高居不下，喷涂成本过高。并且目前的气相沉积用喷枪一般采用径向送粉，粉末送不到射流中心，导致粉末融化和气化效率低下，有效沉积面积低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种气相沉积涂层用高效低成本的等离子喷枪及热障涂层制备方法。

本发明完整的技术方案包括：

一种等离子体喷枪，所述等离子体喷枪具有圆柱形的外形，在沿喷枪中心轴线方向上的一侧设有送粉管8，所述送粉管8的轴线与喷枪中心轴线重合；

所述送粉管8的外侧设有多个沿喷枪中心轴线对称分布的中空水冷阴极，所述中空水冷阴极数量为3-6个，中空水冷阴极直径尺寸为3~15 cm；

所述喷枪在沿中心轴线方向上的另一侧设有包括带电子束物理气相沉积蒸镀钨涂层的纯铜水冷阳极1，所述水冷阳极1和中空水冷阴极之间的距离大于辅助阳极4与中空水冷阴极之间的距离，且所述水冷阳极1和中空水冷阴极之间的距离不小于5 cm；

所述喷枪在靠近送粉管8一侧设有纯铜辅助阳极4，水冷阳极1和辅助阳极4之间设有冷却水通道2和第一绝缘衬套3，辅助阳极4和中空水冷阴极之间设有第二绝缘衬套5；

喷枪在靠近送粉管8一侧设有第一工作气体通道6，所述第一工作气体用以电离产生等离子射流；

喷枪工作时，送粉管8用以在将粉末12送入喷枪，所述粉末最小粒径为0.5 μm；辅助阳极4和中空水冷阴极之间首先引弧形成短离子弧11，稳定后水冷阳极1和中空水冷阴极间形成长离子弧13；

水冷阳极1和单个中空水冷阴极间的最高电压为30-150 V，最大电流为300 A；水冷阳极1和单个中空水冷阴极最大功率为45kW, 水冷阳极1和多个中空水冷阴极的总功率最大为270 kW，等离子焰流速度为6-7马赫。

还包括第二工作气体通道10，所述第二工作气体为Ar，He，H₂中的一种或几种的混合气体，用以稳定所产生的等离子射流。

所述纯铜水冷阳极1的直径D为50-100 mm，第一绝缘衬套3为氧化物绝缘陶瓷，材质为氧化铝或氧化锆，长度为5-30 cm，水冷阳极1和中空水冷阴极之间的距离为5~30cm。

所述第一工作气体为Ar，He，H₂中的一种或几种的混合气体，所述第一工作气体的进气量为5-120 L/min。

所用的粉末12为金属或陶瓷粉末，粒径范围D50：0.5-75μm，送粉量范围为0-50 g/min。

所述等离子体喷枪用于等离子物理气相沉积。

利用所述的等离子体喷枪进行等离子物理气相沉积的方法，包括以下步骤：

（1）将高能等离子喷枪安装至等离子物理气相沉积涂层设备上，关闭真空室，抽真空，使真空室的压力低于0.08 mbar；

（2）通过第二工作气体通道充第二工作气体，直至真空室压力达到130 mbar；

（3）引弧，在低电流，低气体流量条件下在中空水冷阴极和辅助阳极之间引弧形成短离子弧；

（4）拉长等离子弧，待等离子弧稳定后，加大中空水冷阴极和水冷阳极间的电流和第一工作气体流量，将等离子弧由中空水冷阴极和辅助阳极之间转移到阴极和水冷阳极之间形成长离子弧；

（5）再次抽真空达到2mbar左右；

（6）加大电流，逐步加大中空水冷阴极和水冷阳极间的电流至100-300 A，加大工作气量至60-200 L/min，达到最大工作电压50-150 V，总功率50~270 kW；

（7）喷涂涂层，打开装有涂层粉末的送粉器，调整送粉率0.5-20 g/min，调整喷涂距离700 ~1400 mm，开始沉积陶瓷涂层；

（8）灭弧，陶瓷涂层沉积结束后，停止送粉，逐步减小气体流量和电流，直至等离子弧熄灭；

（9）取样，往真空室中充Ar气，直至达到大气压，开仓取出样品。

步骤3中，所述低电流为20-35 A，所述低气体流量为10-20 L/min。

所述第一工作气体和第二工作气体为Ar，He，H₂中的一种或几种的混合气体，所述第一工作气体的进气量为5-120 L/min。

所用的粉末为金属或陶瓷粉末，粒径范围D50：0.5-75μm，送粉量范围为0-50 g/min。

水冷阳极和单个中空水冷阴极间的电压为30-150 V，等离子焰流速度为6-7马赫。

步骤4中，等离子弧稳定后，加大中空水冷阴极和水冷阳极间的电流至50-100 A，加大第一工作气体流量至30-50 L/min。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

针对现有技术中现有物理气相沉积用等离子喷枪粉末气化率低、阴阳极寿命短的问题，本发明设计新型多阴极轴向送粉等离子喷枪以解决该问题，与现有技术中采用高电流、低电压的技术路线相反，本发明采用高电压、低电流的技术路线，并对喷枪结构进行了针对性的合理设计，具体包括：

1. 本发明通过研究表明的加大阴极和阳极之间的距离，采用双原子气体做工作气体（如氢气），可提高工作电压，通过增加陶瓷衬套和辅助阳极的设计，加大了阴阳极间距离，允许在低电流下实现高电压（最大达到150 V）。同时采用多阴极的结构，实现了高总功率（最大可达270 kW），在相同气相沉积工况下可实现降低了提高射流热焓值的He气用量，大大降低了生产成本。

2. 通过多阴极对称设计，可实现在同样的工作效率下使用更小的阴极直径，与增大阴阳极间距离协同配合，在高功率条件下降低阴极的电流密度，对应的阴极工作温度更低，寿命更长，同时可以提高等离子体焰流均匀性并降低噪声。

3. 通过设计轴向送粉，有效地增加了粉末在射流中的时间，提高粉末的气化率，提高涂层的沉积效率，对于大型工件或大批量部件的喷涂具有优越性；同时由于本发明喷枪增大了总功率，降低了对粉末的要求，不要求粉末具有二次微结构，可直接使用纳米粉，大大降低原材料粉末的成本。结合低压喷涂环境制备气化率高的柱状结构涂层，如本发明实施例所示，采用纳米粉末制备的涂层气化程度高，柱状涂层结构明显，柱间夹杂颗粒少，与采用团聚造粒粉末制备的涂层相比，涂层的结合强度显著增强。在降低了生产成本的前提下优化了涂层性能，延长了涂层使用寿命。

4. 本发明采用蒸镀钨涂层阳极可大大提高阳极在高温工况下的抗蠕变性能，减缓喷枪热腐蚀，提高阳极在高温高热腐蚀环境下的服役寿命。

附图说明

图1为气相沉积涂层用高能等离子喷枪装置剖面图。

图2为五阴极等离子体粉末喷射装置俯视图。

图3a为喷涂用团聚造粒粉末形貌。

图3b为采用喷涂用团聚造粒粉末制备的涂层断面形貌。

图4a为喷涂用纳米粉末形貌。

图4b为采用喷涂用纳米粉末制备的涂层断面形貌。

图中：1—水冷阳极，2—冷却水通道，3—第一绝缘衬套，4—辅助阳极，5—第二绝缘衬套，6—第一工作气体通道，7—第一中空水冷阴极，8—送粉管，9—第二中空水冷阴极，10—第二工作气体通道，11—短离子弧，12—粉末，13—长离子弧。

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。

本发明公开的一种气相沉积涂层用高能等离子喷枪的剖面结构如图1所示，喷枪为轴向送粉，带送粉载气的送粉管8位于喷枪中心轴线；送粉管8的外侧设有多个中空水冷阴极，中空水冷阴极数量可为3-6个，并沿装置中心轴线对称分布，为便于展示，图1中仅示出第一中空水冷阴极7和第二中空水冷阴极9。

喷枪在远离送粉一侧设有包括带镀钨涂层的纯铜水冷阳极1，阳极的直径D为50-100 mm，

喷枪在靠近送粉一侧设有纯铜辅助阳极4，水冷阳极1和辅助阳极4之间设有冷却水通道2和第一绝缘衬套3，第一绝缘衬套3为氧化物绝缘陶瓷，材质可为氧化铝，氧化锆等材料，长度在5-30 cm，辅助阳极4和中空水冷阴极之间设有第二绝缘衬套5；

其中，阴极和阳极通过水电缆提供最大300A直流电；阴极和阳极间的电压通过外接导线单独测量；阴极和阳极的冷却水通过水电缆提供；

喷枪在靠近送粉一侧设有第一工作气体通道6，所述第一工作气体包括Ar，He，H₂单一或几种混合气体，在喷枪外混合均匀后输送进喷枪，进气量为5-120 L/min；

还包括第二工作气体通道10，第二工作气体为Ar，He，H₂中的一种或几种的混合气体；

工作时，粉末12通过送粉管送入喷枪，所用的粉末粒径范围D50：0.5-75 μm，可为金属或陶瓷粉末，送粉量范围可以为0-50 g/min；辅助阳极4和中空水冷阴极之间首先引弧形成短离子弧11，稳定后水冷阳极1和中空水冷阴极间形成长离子弧13。喷枪单个阴阳极间的电压可实现30-150 V，单个阴阳极最大功率可达45kW, 多个阴阳极总功率最大可达270kW，最终焰流速度可高达6-7马赫(2040～2380 m/s)。

利用本发明所述喷枪进行等离子物理气相沉积的方法为：

步骤一：将高能等离子喷枪安装至等离子物理气相沉积涂层设备上，关闭真空室，抽真空，使真空室的压力低于0.08 mbar；

步骤二：通过第二工作气体通道充Ar气，直至真空室压力达到130 mbar

步骤三：引弧，在低电流（20-35 A），低气体流量（10-20 L/min）条件下在中空水冷阴极和辅助阳极之间引弧形成短离子弧；

步骤四：拉长等离子弧。待等离子弧稳定后，加大中空水冷阴极和水冷阳极间的电流（50-100 A），加大工作气量（30-50 L/min）将等离子弧由中空水冷阴极和辅助阳极之间转移到中空水冷阴极和水冷阳极之间形成长离子弧；

步骤五：再次抽真空达到2mbar；

步骤六：加大电流。进一步逐量加大中空水冷阴极和水冷阳极间的电流（100-300A），加大工作气量（60-200 L/min），达到最大工作电压（50-150 V），达到总功率50~270 kW；

步骤七：喷涂涂层。打开装有涂层粉末的送粉器，调整送粉率0.5-20 g/min，调整喷涂距离700 ~1400 mm，开始沉积陶瓷涂层；

步骤八：灭弧。陶瓷涂层沉积结束后，停止送粉，逐步减小气体流量和电流，直至等离子弧熄灭；

步骤九：取样。往真空室中充Ar气，直至达到大气压，开仓取出样品。

下面通过具体的实施例对本发明做进一步说明：

实施例1

采用五阴极高效低成本等离子体喷枪，其俯视图如图2所示，其中对称分布的中空水冷阴极和位于中心轴线的送粉管，引弧时工作气体选用Ar气，稳定时工作气体选用Ar和H₂气混合气体。将该喷枪装上等离子物理气相沉积设备，采用团聚造粒YSZ粉末，粉末D50为10-20 μm，粉末形貌为球形，如图3a所示，

具体喷涂步骤如下：

步骤一：关闭真空室，抽真空，使真空室的压力低于0.08 mbar；

步骤二：充Ar气，直至真空室压力达到130 mbar；

步骤三：引弧，在低电流30A，Ar气体流量15 L/min时在中空水冷阴极和辅助阳极之间引弧；

步骤四：拉长等离子弧。待等离子弧稳定后，加大中空水冷阴极和水冷阳极间的电流至65 A，调整Ar流量为30 L/min，H₂气流量为60 L/min，将等离子弧由中空水冷阴极和辅助阳极之间转移到中空水冷阴极和水冷阳极之间；

步骤五：再次抽真空达到2 mbar；

步骤六：加大电流，调整中空水冷阴极和水冷阳极间的电流至250 A，调整第一工作气体流量：Ar流量为40 L/min，H₂气流量为10 L/min，调整第二工作气体流量：Ar流量为80 L/min，H₂气流量为20 L/min，此时工作电压达到100 V，单个中空水冷阴极工作功率达到25 kW，总功率达到125 kW；

步骤七：喷涂涂层。打开装有涂层粉末的送粉器，调整送粉率10g/min，送粉载气1L/min，调整喷涂距离1000 mm，调整喷枪运动形式（喷枪固定在叶片中央位置不动），调整完毕后，开始沉积陶瓷涂层15min；

步骤八：灭弧，陶瓷涂层沉积结束后，停止送粉，逐步减小气体流量和电流，直至等离子弧熄灭；

步骤九：取样，往真空室中充Ar气，直至达到大气压，开仓取出样品。

使用本发明五阴极等离子喷枪制备的涂层断面形貌如图3b所示，使用团聚粉末制备的涂层气化程度较高，涂层柱间夹杂一些冷凝的颗粒，涂层的结合强度达到50 MPa。

实施例2

将本发明一种三阴极喷枪安装至等离子物理气相沉积设备上，采用未经造粒的纳米粉末制备柱状结构涂层，纳米粉末D50为0.5-1μm，粉末为不规则形状，如图4a所示。具体喷涂步骤如下：

步骤一：关闭真空室，抽真空，使真空室的压力低于0.08mbar；

步骤二：充Ar气，直至真空室压力达到130mbar；

步骤三：引弧，在低电流30A，Ar气体流量15L/min时在中空水冷阴极和辅助阳极之间引弧；

步骤四：拉长等离子弧，待等离子弧稳定后，加大中空水冷阴极和水冷阳极间的电流至65A，调整Ar流量为30L/min，H₂气流量为30L/min，将等离子弧由中空水冷阴极和辅助阳极之间转移到中空水冷阴极和水冷阳极之间；

步骤五：再次抽真空达到2 mbar；

步骤六：加大电流，调整中空水冷阴极和水冷阳极间的电流至60 A，调整第一工作气体流量：Ar流量为40 L/min，H₂气流量为10L/min，调整第二工作气体流量：Ar流量为80L/min，H₂气流量为20 L/min，此时工作电压达到150 V，单个中空水冷阴极工作功率达到9kW，总功率达到27 kW；

步骤七：喷涂涂层，打开装有涂层粉末的送粉器，调整送粉率3g/min，送粉载气1L/min，调整喷涂距离1000 mm，调整喷枪运动形式（喷枪固定在叶片中央位置不动），调整完毕后，开始沉积陶瓷涂层15min；

使用本发明三阴极等离子喷枪制备的涂层断面形貌如图4b所示，使用纳米粉末制备的涂层气化程度高，柱状涂层结构明显，柱间夹杂颗粒少，该柱状涂层结合强度高达70MPa。

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

1.一种等离子体喷枪，其特征在于，在沿喷枪中心轴线方向上的一侧设有送粉管（8），所述送粉管的轴线与喷枪中心轴线重合；

所述送粉管（8）的外侧设有多个沿喷枪中心轴线对称分布的中空水冷阴极；

所述喷枪在靠近送粉管（8）一侧设有辅助阳极（4），水冷阳极（1）和辅助阳极（4）之间设有冷却水通道（2）和第一绝缘衬套（3），辅助阳极（4）和中空水冷阴极之间设有第二绝缘衬套（5）；

所述喷枪在沿中心轴线方向上的另一侧设有包括带水冷阳极（1），所述水冷阳极（1）和中空水冷阴极之间的距离大于辅助阳极（4）与中空水冷阴极之间的距离；

喷枪在靠近送粉管一侧设有第一工作气体通道（6），所述第一工作气体用以电离产生等离子射流，

喷枪工作时，送粉管（8）用以在将粉末（12）送入喷枪；辅助阳极（4）和中空水冷阴极之间首先引弧形成短离子弧（11），稳定后水冷阳极（1）和中空水冷阴极间形成长离子弧（13）。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体喷枪，其特征在于，所述中空水冷阴极数量为3-6个，中空水冷阴极直径尺寸为3~15mm；水冷阳极（1）和单个中空水冷阴极间的最高电压为150 V，最大电流为300A；水冷阳极（1）和单个中空水冷阴极最大功率为45 kW, 水冷阳极（1）和多个中空水冷阴极的总功率最大为270 kW。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体喷枪，其特征在于，还包括第二工作气体通道（10），用以稳定所产生的等离子射流。

4.根据权利要求1所述的一种等离子体喷枪，其特征在于，所述水冷阳极（1）的直径D为50-100 mm，第一绝缘衬套（3）为氧化物绝缘物，材质为氧化铝、氧化锆或者石英，长度为5-30 cm，水冷阳极（1）和中空水冷阴极之间的距离为5~30 cm。

5.根据权利要求1所述的一种等离子体喷枪，其特征在于，所述等离子体喷枪用于等离子物理气相沉积。

6.利用权利要求1-5任一项所述的等离子体喷枪进行等离子物理气相沉积的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将高能等离子喷枪安装至等离子物理气相沉积涂层设备上，关闭真空室，抽真空；

（2）通过第二工作气体通道充第二工作气体，

（3）设置引弧电流和气体流量，在中空水冷阴极和辅助阳极之间引弧形成短离子弧；

（4）待等离子弧稳定后，加大中空水冷阴极和水冷阳极间的电流和第一工作气体流量，将等离子弧由中空水冷阴极和辅助阳极之间转移到中空水冷阴极和水冷阳极之间形成长离子弧；

（5）再次抽真空达到2mbar左右；

7.一种如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述引弧电流为20-35 A，所述气体流量为10-20 L/min。

8.一种如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一工作气体和第二工作气体为Ar，He，H₂中的一种或几种的混合气体，所述第一工作气体的进气量为5-120 L/min。

9.一种如权利要求6所述的方法，其特征在于，所用的粉末为金属或陶瓷粉末，粒径范围D50：0.5-75μm，送粉量范围为0-50 g/min。

10.一种如权利要求6所述的方法，其特征在于，水冷阳极和单个中空水冷阴极间的电压为30-150 V，等离子焰流速度为6-7马赫。

11.一种如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，等离子弧稳定后，加大中空水冷阴极和水冷阳极间的电流至50-100 A，加大第一工作气体流量至30-50 L/min。