基于高速多相流流场的PS-PVD涂层非视线和复杂型面沉积机理

PS-PVD is a highlight in the field of thermal barrier coatings (TBCs). Compared with traditional process, PS-PVD is a unique and irreplaceable technology for the efficient preparation and structural control of TBCs on the non-line-of-sight area and complex surface. At present, a large number of engineering studies have been carried out on the TBCs deposition on the multi-joint blade and the complex parts of combustor at home and abroad. But the problem is the mechanism of non-line-of-sight deposition and growth regularity on complex surface is not clear. How to control the structure and performance of coating has no theoretical guide. This study will search on the characteristics of low-pressure high-speed plasma multiphase flow, as well as the structure of TBCs on non-line-of-sight area and complex surface. The PS-PVD non-line-of-sight deposition mechanism based on the transportation function of high-speed plasma multiphase flow is elucidated, and also the growth mechanism on complex surface under the influence of multiphase flow. The relationship will be revealed between the structure of TBCs, the flow field characteristics, including flow pattern, velocity, temperature and pressure of high-speed plasma multiphase flow, and the process factors. This work is proposed to realize the structure prediction and control of TBCs on specific surface and provide theoretical basis for film-growth science under high-velocity multiphase flow and the coating application of PS-PVD.

PS-PVD是当前热障涂层领域的研究热点。和传统工艺相比，可实现有遮挡非视线区域和复杂型面上的热障涂层高效制备和结构调控是其独特的不可替代的工艺优势。目前，国内外基于PS-PVD在多联体叶片、燃烧室的复杂部件上沉积热障涂层开展了大量工程化研究，可期实现应用。但问题是：非视线沉积和复杂型面生长机理尚不清楚，如何控制涂层结构和性能无据可循。本项目将研究低压环境下高速等离子多相流，以及非视线区域和复杂型面上沉积的热障涂层，阐明基于高速等离子多相流输运作用的PS-PVD非视线沉积机理，阐明高速多相流影响下的热障涂层复杂型面生长机制，揭示高速多相流控制因素-流态/速度/温度/压力等流场特征-热障涂层结构之间的关系，实现特定型面上的热障涂层结构预测和调控，为高速多相流作用下的膜层生长科学和PS-PVD热障涂层应用提供理论基础。

等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）是当前热障涂层领域的研究热点，和传统工艺相比，可实现有遮挡非视线区域和复杂型面上的热障涂层高效制备和结构调控是其独特的不可替代的工艺优势。目前，国内外基于PS-PVD在多联体叶片、燃烧室的复杂部件上沉积热障涂层开展了大量工程化研究，可期实现应用。但问题是：非视线沉积和复杂型面生长机理尚不清楚，如何控制涂层结构和性能无据可循。本项目以PS-PVD高速等离子体多相流流场模拟，并结合涂层结构表征为技术手段，围绕计划书开展了四方面的主要研究：低压环境下以高速等离子体为输运载体的流场特征研究；高速等离子体输运作用下的PS-PVD涂层非视线沉积机理研究；低压环境下等离子体为输运载体，沉积材料为输运物质的高速多相流影响下，热障涂层复杂型面生长机制研究；复杂型面上的热障涂层结构形成和调控规律研究。.本项目认识了PS-PVD等离子射流是一种低压环境下稀薄化等离子体为输运载体，蒸发沉积材料为输运物质的高速运动多相流流体的本质特征，通过建立PS-PVD高速等离子射流模型，实现在基体型面附近的流场模拟，对于理解PS-PVD高速射流中的物质之间，等离子流体和基体之间的交互作用非常关键，对于揭示PS-PVD 高速多相流作用下的涂层沉积机理至关重要。同时本项目揭示了PS-PVD高速流场和热障涂层结构之间的关系，阐明了工艺参数影响下的等离子体流场特征和热障涂层微观结构之间的内在联系，即PS-PVD流场特征，包括速度、温度、压力等因素对PS-PVD 热障涂层的沉积模式、生长速率、微观结构和性能的影响规律，揭示不同结构PS-PVD 涂层形成的共性机理，对PS-PVD 热障涂层结构构筑和调控有理论指导意义。.本项目全面完成了计划书成果要求，重点发展了基于低压高速等离子流场的PS-PVD非视线区域和复杂型面上热障涂层沉积生长、结构控制等理论，在SCI 收录期刊，例如Ceramics International，Surface and Coating Technology，Chinese Journal of Aeronautics等上发表论文7篇。在《材料工程》、《中国科学：技术科学》等国内知名期刊上发表论文5篇。培养博士研究生2名，硕士研究生4名。申报国家发明专利3项，其中1项获授权。