超低压等离子沉积新技术制备YSZ类柱状晶涂层生长机理研究

呈柱状晶结构的YSZ热障涂层由于具有较高的热循环寿命，应用于航空发动机高温叶片表面。目前EB-PVD方法制备的YSZ柱状晶呈较高的热导率，不利于热障涂层。本研究采用超低压等离子喷涂沉积新技术制备具有"类柱状晶结构"的YSZ涂层，研究YSZ类柱状晶形成机理及类柱状晶结构YSZ热障涂层服役中YSZ组织，相结构的演变规律。拟解决超低压高温射流等离子体特性对YSZ气化率的影响；拟采用控制等离子射流中YSZ气相比率实现对制备结构陶瓷微观组织的控制；建立YSZ液-气两相流下，类柱状晶的生长模型；TGO与类柱状晶YSZ涂层间的相互影响关系，理论上预测类柱状晶结构热障涂层的寿命。本研究对于稳定制备类柱状晶结构热障涂层具有重要意义。此外，通过凝固与沉积技术实现控制陶瓷材料微观组织结构，对于扩大陶瓷材料的应用也有一定的科学意义。

本基金研究了超低压等离子喷涂在制备柱状晶热障涂层方面的成果。通过对等离子喷涂光谱分析可以预测涂层的组织结构。当等离子喷涂时，粉体颗粒蒸发光谱较弱时，形成层状堆积结构涂层；当材料光谱强度中等时，出现粉体材料的熔化和蒸发混合状态，此时形成致密的凝固和多孔的柱状晶混合组织涂层；当粉体颗粒大多数被加热到气相时，形成羽毛状柱状晶结构组织涂层。超低压等离子喷涂工作气体成分对粉体的熔化和加速有很大影响，Ar-He气体由于粘度大能够使等离子射流集中，增加等离子射流速度；Ar-H2气体能够提高等离子射流的焓值，但是在低压下，等离子射流径向膨胀，等离子射流速度低于Ar-He气体射流。Ar-He-H2等离子气体具有高速、高焓值特点，对于纳米粉末可形成完全等轴晶结构涂层，对于大功率等离子喷涂YSZ可形成柱状晶结构热障涂层。