题目：等离子物理气相沉积焰流特性及制备YSZ涂层研究

摘要

热障涂层是先进航空发动机核心部件高压涡轮叶片的三大关键技术之一，已经获得应用的热障涂层主要采用等离子喷涂（PS）和电子束物理气相沉积（EB-PVD）两种方法制备。由于涂层结构的特点，PS涂层具有良好的隔热性能，但热循环性能差，而EB-PVD涂层热循环性能优异，但隔热性能有待提高。近年来，发明了一种新的等离子物理气相沉积技术（PS-PVD），PS-PVD兼具PS与PVD两种技术的特点，在制备新型高隔热、长寿命热障涂层方面非常有前景，关于PS-PVD的研究在国内外均处于起步阶段，对热障涂层沉积过程相关的基础理论问题缺乏深入系统的研究。2013年9月北航从国外引进国内第一台大功率的PS-PVD设备，本论文以氧化钇稳定氧化锆（YSZ）为研究对象，开展了PS-PVD焰流特性及YSZ涂层形成机理的研究。

研究了等离子枪功率、送粉率、基板温度、基板旋转速度、真空度、喷涂距离等工艺参数以及喷涂粉末对YSZ涂层微观组织结构的影响，明确了喷涂工艺参数对涂层微观组织结构变化的影响机制，优化了柱状晶结构涂层的制备工艺参数。研究发现，大颗粒粉末不易熔化，易于偏离焰流，难以形成柱状晶结构涂层，高比表面的小粒径粉末易于气化和形成柱状晶；降低工作压力在一定范围内可增加焰流中气相YSZ含量，但导致焰流长度和宽度下降，优化真空度约为1.6 mbar；结合焰流光谱分析和沉积涂层的形貌分析表明，在65kW功率下，随着送粉率从5g/min逐渐增加至30g/min，焰流中气相YSZ含量逐步增加，但导致沉积涂层中柱状晶枝晶表面未熔化相增多；在5g/min送粉率条件下， 喷枪功率为45 kW（电流为1500 A）时，粉末在焰流中不能充分熔化，随着功率增加至65kW（电流为2000 A），粉末基本完全气化。

研究了优化工艺参数条件下等离子焰流中的径向和轴向方向上YSZ涂层微观组织结构的演变规律，初步建立了PS-PVD涂层结构空间分布模型。沿着焰流轴向方向上（450mm~1400mm）涂层依次经历了由致密层状结构向致密柱状晶结构、准柱状晶结构（含熔化纳米颗粒）、EB-PVD类柱状晶结构和准柱状晶结构（含有凝固纳米颗粒）的转变。沿径向方向上，涂层结构从焰流中心向边沿（0~50mm）逐渐由EB-PVD类柱状晶向准柱状晶、致密柱状晶和致密结构转变。